-
Die
Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug für die Herstellung von aus umformbarem
Trägermaterial
und mindestens einer Kaschierung bestehenden Bauelementen insbesondere
für die
Automobilindustrie, mit einem Oberwerkzeugteil und einem Unterwerkzeugteil,
die relativ zueinander zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten
Lage beweglich sind und die in der geschlossenen Lage zwischen sich
eine der gewünschten
Form des Bauelements entsprechende Kavität bilden.
-
Derartige
Werkzeuge werden für
die Herstellung von Bauteilen verwendet, wie sie insbesondere im
Automobilbau verbaut werden, beispielsweise für Hutablagen, Türinnenverkleidungen
oder andere Verkleidungsteile bzw. Bauteile der Kfz-Innenausstattung.
Diese Teile bestehen im allgemeinen aus einem Trägermaterial aus einem unter
Einwirkung von Wärme
verformbaren Kunststoff, beispielsweise aus faserverstärktem Polypropylen,
und mindestens einer, im allgemeinen an der sichtbaren Außenseite des
Bauteils angeordneten Kaschierung, bei der es sich um ein Dekormaterial
aus einem Gewebe oder einem Gewirk handeln kann, das vor seiner
Verbindung mit dem Trägermaterial
normalerweise flexibel ist und sich den Formen des Trägermaterials
anzupassen vermag. In dem Werkzeug erfolgt dann nicht nur die Umformung
des Bauteils in seine gewünschte Form,
son-dern die Kaschierung wird im selben Arbeitsgang auch mit dem
Trägermaterial
fest und vollflächig
verbunden. Die Verbindung kann dabei mit Hilfe von Klebstoff erfolgen,
es ist aber auch möglich, das
Trägermaterial
vor oder während
der Umformung soweit zu erwärmen,
daß es
an seiner Oberfläche
er weicht und die Kaschierung hierdurch vollflächig mit dem Trägermaterial
verschweißt.
Das Trägermaterial kann
sowohl an seiner Ober- als auch an seiner Unterseite mit einer Kaschierung
versehen werden, wobei die an der Unterseite angebrachte Schicht
auch aus einem ganz anderen Material als die Kaschierung an der
Oberseite bestehen kann. Man erhält dann
eine mehrlagige Sandwichstruktur aus verschiedenen Werkstoffen mit
unterschiedlichen Produkteigenschaften, deren Weiterverarbeitung
im allgemeinen hohe Anforderungen stellt.
-
Es
hat sich in der Vergangenheit insbesondere als schwierig erwiesen,
derartige, sandwichartige Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen
an ihren Rändern
sauber zu beschneiden. Jedenfalls bei Bauteilen, deren Schnittkanten
auch nach dem Einbau des Bauteils an dem hierfür vorgesehenen Einbauort sichtbar
bleiben, war es regelmäßig erforderlich,
das in dem Umformwerkzeug hergestellte Bauteil diesem zu entnehmen
und in einer separaten Schneidpresse entlang des gewünschten
Randverlaufs zu beschneiden, wenn unsaubere, beispielsweise ausgefranste Schnittkanten
vermieden werden sollten. Es war somit erforderlich, das Bauteil
in dem Umformwerkzeug zunächst
mit Übermaß herzustellen
und dann in einem weiteren Arbeitsschritt auf einer zweiten Maschine
den korrekten Randverlauf durch Abtrennen des über den Rand überstehenden
Teils des Bauteils herzustellen. Ein sauberes Abtrennen des über den gewünschten
Randverlauf vorstehenden Teils des Bauteils während bzw. zum Ende des Umformvorgangs
hin in demselben Umformwerkzeug war in der Vergangenheit bei Verbundwerkstoffen
der oben erläuterten
Art nicht möglich.
Dies liegt u.a. daran, daß es
durch eine Erwärmung
der Werkzeugteil während der
Herstellung der Bauteile zu Wärmedehnungen
an den Werkzeugteilen kommt, die die Anordnung eines Schneidwerkzeugs
an den Teilen des Umformwerkzeugs nicht erlauben.
-
Zum
Umformen von Kunststoffhalbzeugen und Abtrennen des Randbereichs
des hergestellten Bauteils im selben Werkzeug ist vorgeschlagen
worden, das Werkzeug entlang des gewünschten Randverlaufs an einem
oder beiden ihrer Werkzeugteile mit einer Abquetschkante (Pinchkante)
zu versehen, die beim Zusammenfahren der beiden Werkzeugteile gegen
das jeweils andere Werkzeugteil bzw. die dort angeordnete Abquetschkante
gedrückt
wird, wobei das dazwischen liegende Material so stark zusammengepreßt wird,
daß sich
der überstehende
Rand vom Bauteil löst.
In der Vergangenheit konnte ein sauberer Rand am Bauteil aber nur
bei solchen Teilen erzielt werden, die aus lediglich einem plastisch verformbaren
Material bestehen; Verbundbauteile aus kaschierten Werkstoffen ließen sich
so an ihrem Rand nicht sauber abtrennen, was auf die so stark unterschiedlichen
Materialeigenschaften des Trägermaterials
und der Kaschierung sowie auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß die Abquetschkante
bei der Bearbeitung solcher Verbundwerkstoffe sehr großen Belastungen
ausgesetzt ist und es beim Abquetschen von aus Lagen unterschiedlichen
Materials bestehenden Verbundwerkstoffen leicht zu einer Beschädigung der
Abquetschkante bzw. deren vorzeitigen Verschleiß gekommen ist.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Werkzeug der eingangs genannten Art zu
schaffen, mit dem ein sauberes Abtrennen des überstehenden Randbereichs eines
Bauteils in einem Arbeitsschritt während des Umformvorgangs auch
bei Verbundwerkstoffen mit über
die Dicke des Bauteils unterschiedlichen Materialeigenschaften möglich ist.
-
Diese
Aufgabe wird mit der Erfindung durch mindestens ein am Oberwerkzeugteil
und/oder am Unterwerkzeugteil entlang des Rands des Bauelements
angeordnetes Abtrennelement gelöst,
das eine zum jeweils anderen Werkzeugteil hin weisende Abquetschkante
aufweist, die zwischen einer inneren, zur Kavität hin weisenden Begrenzungsfläche und
einer äußeren Begrenzungsflä che ausgebildet ist,
wobei die äußere Begrenzungsfläche ausgehend von
der Abquetschkante eine vom Bauteil weg gerichtete, konvexe Krümmung aufweist,
mit der sie in einen breiteren Fuß des Abtrennelements an dessen Basis übergeht.
-
Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Abtrennelements gewährleistet
eine enorme Stabilität,
indem die sehr hohen Kräfte,
die infolge der großen
Preßdrücke und
des nahezu linienförmigen
Kontakts der Abquetschkante auf diese wirken, von dem Abtrennelement
mit seiner konvexen äußeren Begrenzungsfläche sich
bereits in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Abquetschkante über einen
verhältnismäßig großen Querschnitt
des Abtrennelements verteilen und die Spannungen im Abtrennelement
somit geringer werden. Durch die konvexe Krümmung der äußeren Begrenzungsfläche stößt diese
unter einem vergleichsweise großen
Winkel unter Bildung der Abquetschkante mit der inneren Begrenzungsfläche zusammen,
wobei dieser Winkel im Extremfall 90° betragen kann. Andererseits
ist die Neigung der äußeren Begrenzungsfläche im Bereich
der Abquetschkante relativ zu dem Bereich des anderen Werkzeugteils
sehr gering, an das sich die Abquetschkante anlegt, d.h. die äußere Begrenzungsfläche verläuft im Bereich
nahe der Abquetschkante zumindest nahezu parallel zu der Kontaktfläche für die Abquetschkante
am jeweils anderen Werkzeugteil. Man erreicht hierdurch eine bemerkenswerte Stabilität des Abtrennelements
insbesondere auch im Bereich von dessen Abquetschkante, die somit auch
bei großen,
auf sie wirkenden Kräften
nicht vorzeitig verschleißt.
-
Vorzugsweise
sind sowohl das Oberwerkzeugteil als auch das Unterwerkzeugteil
mit einem Abtrennelement versehen, die in der geschlossenen Lage
des Umformwerkzeugs gegeneinander pressen. Dabei ist es möglich, daß die Abquetschkanten der
beiden Abtrennelemente so miteinander fluchten, daß sie im
geschlossenen Zustand des Umformwerkzeugs kantengenau aneinanderliegen;
es ist jedoch auch möglich,
daß die
Abquetschkante des einen Abtrennelements nahe der Abquetschkante
des anderen Abtrennelements gegen dessen äußere Begrenzungsfläche preßt, wenn
die beiden Werkzeugteile gegeneinander gefahren werden.
-
Die
Abtrennelemente beider Werkzeugteile können etwa dieselbe Höhe haben,
so daß die
Trennlinie, die sich beim Abquetschen des überstehenden Rands am fertigen
Bauteil ausbildet, sich dementsprechend etwa in halbe Dicke des
Bauteils befindet.
-
Zweckmäßig weist
die Krümmung
einen Radius auf, der der Höhe
des Abtrennelements () etwa entspricht. Das Abtrennelement hat somit
an seiner Außenseite
einen etwa viertelkreisförmigen
Querschnitt und es hat sich gezeigt, daß hierdurch eine sehr hohe
Stabilität
erreicht wird. Wenn die Tangente an die äußere Begrenzungsfläche im Bereich
der Abquetschkante im wesentlichen parallel zur Oberseite bzw. zur
Unterseite der zwischen Oberwerkzeugteil und Unterwerkzeugteil sich
ausbildenden Kavität
verläuft,
erreicht man einen bestmöglichen
Schutz der Abquetschkante vor Beschädigungen wie z.B. Ausbrüche o.dgl.
durch zu hohe Kräfte
bei Umformvorgang. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Tangente an
die äußere Begrenzungsfläche im Bereich
des Fußes
des Abtrennelements im wesentlichen senkrecht zur Oberseite bzw.
Unterseite der Werkzeugteile verläuft.
-
Als
Krümmungsradius
der äußeren Begrenzungsfläche hat
sich ein Wert zwischen 1,5 und 4 mm als vorteilhaft herausgestellt.
Für ein
Bauteil, dessen Trägermaterial
aus faserverstärktem
Polypropylen besteht, das während
des Umformvorgangs an seiner einen Seite mit einem Gewebe aus Kunststoffäden, an
seiner anderen Seite mit einem Kunststoffvlies kaschiert wurde,
haben Versuche einen Krümmungsradius
zwischen 2 und 3 mm als bestens geeignet ergeben.
-
In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird angestrebt, daß die Abquetschkante
eine Kontaktfläche
mit dem jeweils an deren Werkzeugteil bzw. dem daran angeordneten
Abtrennelement bildet, die schmaler ist als 0,5 mm, d.h. es wird
versucht, zwischen der Abquetschkante und dem jeweils anderen Werkzeugteil
dem Idealfall einer reinen Linienberührung möglichst nahe zu kommen.
-
Die
innere Begrenzungsfläche
des Abtrennelements kann unter einem Winkel von 5–25° zur Normalen
der Kontaktfläche
geneigt sein und/oder eine konvexe Krümmung zur Oberseite bzw. Unterseite
der Kavität
zwischen Oberwerkzeugteil und Unterwerkzeugteil hin aufweisen. Hierdurch
erhält
der Fuß des
Abtrennelements eine noch größere Breite und
Stabilität.
Die konvexe Krümmung
sorgt für
einen im wesentlichen kontinuierlichen Übergang der inneren Begrenzungsfläche in die
Ober- bzw. Unterseite der Kavität,
was zum einen für
eine schön
abgerundete Kante am fertigen Bauteil sorgt, zum anderen den Vorteil
hat, daß Spannungsspitzen
infolge von Kerbwirkung in diesem bereich des Abtrennelements vermieden
werden.
-
Es
ist möglich.
daß das
Abtrennelement lösbar
am jeweiligen Werkzeugteil befestigt ist. Ein Austausch des Abtrennelements
ist dann leicht möglich, beispielsweise,
wenn es zu Beschädigungen
an der Abquetschkante gekommen ist, bevor das gesamte Werkzeug wegen Überschreitung
von Verschleißgrenzen
ausgetauscht werden muß.
Um den großen Belastungen
Rechnung zu tragen, denen das Abtrennelement ausgesetzt ist, ist
es im allgemeinen zweckmäßig, daß das Abtrennelement
bzw. die von diesem gebildete Abquetschkante eine größere Härte aufweist
als das restliche Ober- bzw. Unterwerkzeugteil. So ist es beispielsweise
möglich,
daß das Abtrennelement
bzw. die Abquetschkante eine Härte von
50 bis 60 HRC aufweist, während
die Härte
der übrigen
Teile des Werkzeugs in der Größenordnung von
25 bis 35 HRC liegen kann.
-
Von
Vorteil ist es auch, wenn das Umformwerkzeug so ausgestaltet ist,
daß sich
im geschlossenen Zustand von Oberwerkzeugteil und Unterwerkzeugteil
an der Außenseite
des Abtrennelements ein Aufnahmespalt ausbildet, dessen Dicke größer ist
als die Dicke des in der Kavität
geformten Bauelements. Der von dem Abtrennelement abgequetschte
Rand des Bauteils kann als Abfall aus dem vergleichsweise dicken
Aufnahmespalt leicht herausfallen bzw. entnommen werden, selbst
wenn die beiden Formhälften
noch geschlossen sind.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und der Zeichnung, worin eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert wird. Es zeigt:
-
1 ein
erfindungsgemäßes Umformwerkzeug
im auseinandergefahrenen Zustand seiner beiden Werkzeugteile in
einer vereinfachten, perspektivischen Darstellung;
-
2 den
Gegenstand der 1 im geschlossenen Zustand der
beiden Werkzeugteile in einem Schnitt längs der Linie II-II in 1;
-
3 eine
Einzelheit III des Werkzeugs nach 2 in vergrößerter Darstellung;
und
-
4 einen
Schnitt durch die beiden Werkzeugteile des Umformwerkzeugs in einem
anderen Randbereich der sich ausbildenden Kavität unter Darstellung des hergestellten
Bauteils, in einer weiter vergrößerten Schnittdarstellung.
-
1 zeigt
ein Umformwerkzeug für
die Herstellung einer Hutablage für Personenkraftwagen, das in
seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnet ist. Die Hutablage 11,
von der ein Ausschnitt in 4 dargestellt
ist, besteht dabei aus einem Trägermaterial 12 aus
thermoplastischem Kunststoff, beispielsweise aus faserverstärktem Polypropylen,
das an seiner Unterseite mit einer Dekorschicht aus einem Gewebe 13 und
an seiner Oberseite mit einem Kunststoffvlies 14 kaschiert
wird, während
es gleichzeitig in dem Umformwerkzeug in die gewünschte dreidimensionale Form
gebracht wird. Um die Verformung des Trägermaterials 12 in
der Form zu bewirken, kann dieses vor dem Einlegen in die Form auf
die hierfür
erforderliche Temperatur erwärmt
werden; es ist aber auch möglich,
die Form selbst beheizbar auszugestalten die die für die Umformung
erforderliche Wärme
auf diese Weise zuzuführen.
Beide Arbeitsweisen sind an sich bekannt und sollen hier nicht vertieft
werden.
-
Man
erkennt, daß das
Umformwerkzeug 10 im wesentlichen aus einem Oberwerkzeugteil 15 und einem
Unterwerkzeugteil 16 besteht, die relativ zueinander zwischen
einer geöffneten
Lage (1) und einer geschlossenen Lage (2 bis 4)
beweglich sind und die in der geschlossenen Lage zwischen sich eine
Kavität 17 bilden,
die der gewünschten
Gestaltung der herzustellenden Hutablage 11 entspricht.
Im allgemeinen befindet sich dabei das Unterwerkzeugteil auf einem
festen Werkzeugtisch, während
das Oberwerkzeugteil mit Hilfe von (nicht dargestellten) Hydraulikzylindern
auf- und abbewegt werden kann und von den Zylindern in der geschlossenen
Lage des Werkzeugs der erforderliche Anpreß- bzw. Umformdruck auf den
aus den drei Lagen 12, 13 und 14 bestehenden
Bauteilrohling auszuüben,
der zuvor in der geöffneten
Lage des Werkzeugs 10 auf des Unterwerkzeugteil 16 so
aufgelegt wurde, daß es
mit einem umlaufenden Randstreifen die Grenze der sich ausbildenden
Kavität 17 überdeckt.
-
Wie
sich am besten aus den 3 und 4 ergibt,
wird diese Grenze erfindungsgemäß durch
ein am Unterwerkzeugteil 16 angeordnetes, erstes Abtrennelement 18 und
ein mit diesem fluchtendes, zweites Abtrennelement 19 am
Oberwerkzeugteil 15 gebildet, die entlang des Rands 20 des Bauelements,
also der Hutablage 11 verlaufen. Beide Abtrennelemente 18, 19 weisen
je eine Abquetschkante 21a bzw. 21b auf, die zum
jeweils anderen Werkzeugteil bzw. dem daran angeordneten Abtrennelement
hin weisen und die zwischen einer inneren, zur Kavität hin weisenden
Begrenzungsfläche 22a bzw. 22b und
einer äußeren Begrenzungsfläche 23a bzw. 23b ausgebildet
sind. Erfindungsgemäß ist dabei
die äußere Begrenzungsfläche 23 der
beiden Abtrennelemente 18, 19 ausgehend von der
jeweiligen Abquetschkante 21a, 21b nach außen, also
vom Bauteil weg, konvex gekrümmt
und geht mit dieser Krümmung
in den breiteren Fuß 24 bzw. 25 des
jeweiligen Abtrennelements 18 bzw. 19 an dessen
Basis über.
-
Man
erkennt, daß die
beiden Abtrennelemente 18, 19 etwa dieselbe Höhe h haben.
Bei dem Schließvorgang
des Werkzeugs, bei dem das Oberwerkzeugteil gegen das Unterwerkzeugteil
abgesenkt wird, stoßen
die beiden Abquetschkanten 21a, 21b der Abtrennelemente 18,19 etwa
in der Mitte der Dicke der Kavität
bzw. des darin liegenden Bauteilrohlings für die Hutablage aneinander.
Hierbei wird der nach außen über die
beiden Abtrennelemente in einen zwischen den beiden Werkzeugteilen
ausgebildeten Aufnahmespalt 26 vorragende Randstreifen 25 von
dem Bauteilrohling wie von einer Zange abgetrennt. Trotz der dabei
wirkenden, enormen Kräfte kommt
es während
dieses Abtrenn- oder Abquetschvorgangs nicht zu einer Beschädigung der
Abquetschkanten, was im wesentlichen auf die besondere, konvex gekrümmte Gestaltung
der äußeren Begrenzungsflächen 23 zurückzuführen ist,
die einen möglichst
großen
Querschnitt des Abtrennelements bis unmittelbar an die Abquetschkanten 21 heran
sicherstellt. Die Abquetschkanten werden also nicht durch zwei in
einem verhältnismäßig spitzen
Winkel zueinander verlaufende Begrenzungsflächen gebildet, sondern die
Begrenzungsflächen
stehen praktisch in einem rechten Winkel zueinander, d.h. die Tangente t an die äußere Begrenzungsfläche 23 verläuft an der
Abquetschkante 21 im wesentlichen parallel zur Oberseite 26 bzw.
Unterseite 27 der Kavität 17,
die sich zwischen den beiden Werkzeugteilen ausbildet, während die
innere Begrenzungsfläche des
jeweiligen Abtrennwerkzeugs an der Abquetschkante etwa senkrecht
hierzu ausgerichtet oder sogar so geneigt ist, beispielsweise unter
einem Winkel von 5 bis 25° zur
Normalen der Kontaktfläche
zwischen den beiden Abtrennelementen, daß sich zwischen ihr und der äußeren Begrenzungsfläche an der
Abquetschkante ein stumpfer Winkel > 90° ausbildet.
Im Bereich des Fußes
jedes Abtrennelements verläuft die
Tangente T an die äußere Begrenzungsfläche im wesentlichen
senkrecht zur Ober- bzw.
Unterseite der Werkzeugteile, womit die konvex gekrümmte, äußere Begrenzungsfläche im Schnitt
zwischen Abquetschkante und Fuß jeweils
etwa einen Viertelkreis beschreibt.
-
Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Krümmungsradius
der äußeren Begrenzungsflächen der
beiden Abtrennelemente jeweils ca. 2,5 mm und die Gesamtdicke des
fertigen Bauteils liegt bei etwa 5 mm. Hier ist also der Krümmungsradius
der äußeren Begrenzungsflächen halb so
groß wie
die Dicke des an Ober- und Unterseite kaschierten Bauteils. Der
optimale Krümmungsradius
hängt aber
nicht nur von der Dicke des mit dem Werkzeug gefertigten Bauteils
ab, sondern kann gleichsam durch die Art und die Einzeldicke der
verarbeiteten Materialien und ihrer Verbindung (Verkleben, Verschweißen) beeinflußt sein.
Auch kann es einen Einfluß haben,
ob das Trägermaterial
lediglich auf einer seiner beiden Flächen kaschiert werden soll oder
ob Ober- und Unterseite eine Beschichtung erhalten sollen. Die bestmögliche Form
für das
Abtrennelement wird zweckmäßig vor
Fertigung des für die
Serienproduktion bestimmten Umformwerkzeugs durch Versuche ermittelt.
In jedem Fall sollte die Abtrennelemente 18, 19 zumindest
im Bereich ihrer Ab quetschkanten 21 gehärtet sein; eine Härtung der
gesamten Werkzeugteile hingegen ist nicht erforderlich und unter
Umständen
sogar unerwünscht.
Für das beschriebene
Ausführungsbeispiel
zur Herstellung der Hutablage wurden die Abtrennelemente auf ca. 55
HRC gehärtet,
während
die restlichen Bereiche der Werkzeugteile mit ihrer Grundhärte von
ca. 20 bis 25 HRC insoweit unbehandelt blieben.
-
Mit
der Erfindung ist es möglich,
auch schwer zu bearbeitende Verbundwerkstoffe, die zur Herstellung
der erwünschten
Bauteile zwischen die beiden Werkzeugteile des Umformwerkzeugs eingelegt
bzw. während
des Umformvorgangs im Werkzeug erzeugt werden, im selben Arbeitsgang
bzw. im selben Werkzeug auch an ihren Rändern zu beschneiden oder abzuquetschen
und an dem fertigen Bauteil einen sehr sauberen Rand zu erzeugen,
der nicht nachbearbeitet werden muß. Das Bauteil bedarf somit
keines weiteren Bearbeitungsschritts in einer nachfolgenden Maschine,
womit die Herstellungskosten für das
Teil erheblich gesenkt werden können.
Diese Einsparung ist auf die besondere Ausgestaltung der Abtrennelemente
bzw. ihrer äußeren Begrenzungsflächen zurückzuführen, die
ein zuverlässiges
Abquetschen des über
die Kavität überstehenden Randbereichs
des Bauteils unter den hohen, auf die Abquetschkanten wirkenden
Kräften
gestattet, ohne daß die
Abquetschkanten vorzeitig verschleißen.
-
Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt, sondern
es sind verschiedene Änderungen
und Ergänzungen
denkbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise
ist es möglich,
nur an einem der beiden Werkzeugteile ein vorstehendes Abtrennelement
mit daran ausgebildeter Pinchkante nach der Erfindung vorzusehen,
dessen Höhe
dann im wesentlichen der Dicke des herzustellenden Bauteils entspricht
und das beim Schließen
des Werkzeugs gegen ein Kontaktfläche am jeweils anderen Bauteil
sich anlegt, die ohne Stufe in deren entsprechender, dem einzelnen
Abtrennele ment zugewandten Fläche
ausgebildet ist. Das bzw. die Abtrennelement(e) muß/müssen sich
auch nicht umlaufend um den ganzen Rand des Bauteils angeordnet
sein, sondern es ist möglich,
es/sie lediglich dort vorzusehen, wo es auch ein sauberes Abtrennen
des überstehenden
Randbereichs vom Bauteil ankommt.