DE102004059445B3

DE102004059445B3 - Verfahren und Vorrichtung zur pneumomechanischen Außenhochdruckumformung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102004059445B3
Application number: DE102004059445A
Authority: DE
Inventors: Konrad Schnupp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-12-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur pneumomechanischen Außenhochdruckumformung eines Werkstücks 1, bei welchem das Werkstück 1 mittels zumindest eines Stößels 2 gegen ein Unterwerkzeug 3 umgeformt wird, wobei zwischen dem Werkstück 1 und dem Unterwerkzeug 3 in einer Werkzeugkammer 4 ein regelbarer pneumatischer Gegendruck aufgebaut wird, wobei nach Aufbau eines pneumatischen Anfangsdrucks durch Druckluft beim weiteren Verfahren des Stößels 2 die Druckluft aus der Werkzeugkammer 4 nacheinander einer von mehreren Luftspeichereinheiten 5 bis 8 zugeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur pneumomechanischen Außenhochdruckumformung eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des jeweiligen unabhängigen Anspruchs. Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung, mit Hilfe derer ein Werkstück mittels eines Stößels in einem Unterwerkzeug umgeformt wird, wobei in einer Werkzeugkammer des Unterwerkzeugs ein pneumatischer Gegendruck aufgebaut wird.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 196 24 036 A1 vorbekannt. Als weiterer Stand der Technik werden die DE 42 32 913 A1 und die DE 197 34 277 A1 genannt.

Der Stand der Technik kennt weiterhin Außenhochdruckumform-Verfahren, bei welchen als Druckmedium Wasser verwendet wird. Hierbei kann es sich, abhängig von den jeweiligen Umformbedingungen, jedoch als nachteilig erweisen, dass große Wassermengen in sehr kurzen Zeiten zugeführt bzw. abgeleitet werden müssen, um kurze Taktzeiten realisieren zu können. Hierbei werden jedoch große Volumina überführt, so dass sich vielfältige Probleme hinsichtlich auftretender Schwingungen, hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeiten, hinsichtlich Druckstößen oder Ähnlichem ergeben.

Beim pneumomechanischen Umformen können sich, in Abhängigkeit von den jeweiligen Umformbedingungen und den Werkstückgeometrien, Nachteile hinsichtlich der Zuführung und der Ableitung der Druckluft ergeben.

Die DE 41 03 081 C2 zeigt ein Verfahren zum hydrostatischen Umformen von Hohlkörpern. Dabei wird mittels eines Innenhochdruckumformverfahrens ein Hohlkörper gegen ein Gesenk verformt. Das Gesenk zum Einlegen bzw. Entnehmen des Hohlkörpers kann geöffnet bzw. geschlossen werden. Die Verformung erfolgt durch Innenhochdruck, welcher durch einen Fülldruckerzeuger zugeführt wird. Nach dem Umformvorgang kann ein Teil der Druckflüssigkeit in den Fülldruckerzeuger zurückgeleitet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Realisierbarkeit bei kurzen Taktzeiten gute Umformergebnisse erzielen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche gelöst, die jeweiligen Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit vorgesehen, dass nach dem Aufbau eines pneumatischen Anfangsdrucks (Vorspanndruck) bei einem weiteren Verfahren oder Bewegen des Stößels oder des Oberwerkzeugs die Druckluft aus der Werkzeugkammer nicht an die Umgebung abgegeben wird, sondern nacheinander einer von mehreren Luftspeichereinheiten zugeführt wird. Somit wird die aus der Werkzeugkammer verdrängte Luft in einzelnen Speichern abgelegt. Dies hat den Vorteil, dass die Speicher hinsichtlich ihres Volumens relativ klein sein können. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die einzelnen Druckspeichereinheiten jeweils bei einem relativ kleinen Druckgefälle aktiviert und befüllt werden können, so dass sich nur kleine Verluste ergeben und so dass die Temperaturprobleme durch die verdichtete Druckluft gering sind.

Erfindungsgemäß ist es somit möglich, einzelne Luftspeichereinheiten mit der Werkzeugkammer zu verbinden bzw. von dieser mittels geeigneter Absperrelemente zu trennen. Die Druckspeichereinheiten können somit zugeschaltet oder weggeschaltet werden. Hierdurch eröffnet sich die Möglichkeit, den pneumatischen Druck in der Werkzeugkammer in optimaler Weise den jeweiligen Umformbedingungen, insbesondere hinsichtlich der Werkstückgröße und der Werkstückgeometrie anzupassen.

Die Luftspeichereinheiten können erfindungsgemäß entweder alle jeweils gleich ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, diese unterschiedlich auszubilden, so dass sich eine kaskadenartige Druckführung ergeben kann.

Erfindungsgemäß kann somit ein relativ großes Luftvolumen bei optimal eingestelltem Druck aus der Werkzeugkammer abgeführt und zwischengespeichert werden. Dabei ergibt sich erfindungsgemäß auch die Möglichkeit, Druckluft nachfolgend aus zumindest einer Luftspeichereinheit rückzuführen, beispielsweise, wenn sich während des Umformvorganges, abgängig von der Werkzeugbewegung, die Notwendigkeit ergibt, wiederum eine Druckerhöhung in der Werkzeugkammer zu realisieren. So ist es beispielsweise möglich, einen Kalibrierdruck zuzuführen, wobei die zwischengespeicherte Druckluft genutzt werden kann. Hierdurch kann sich die Taktzeit verkürzen. Auch der Energieverbrauch der gesamten Vorrichtung kann somit minimiert werden.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Verwendung mehrerer Luftspeichereinheiten ist es möglich, die Druckanstiegskurve bei Bewegung des Stößels oder eines Werkzeuges zu optimieren. Durch sequentielle Zuschaltung einzelner Luftspeichereinheiten kann die Druckanstiegskurve geglättet werden. Es ist auch möglich, diese in einzelnen Teilbereichen gezielt auszubilden. Hierdurch ergibt sich ein hohes Maß an Genauigkeit, vor allem im unteren Druckbereich des pneumomechanischen Umformvorgangs.

Zusätzlich zu der bereits erwähnten Taktzeitverkürzung ergibt sich der Vorteil, dass keine Mediumskontamination auftritt, da Druckluft aus den Luftspeichereinheiten zugeführt bzw. in diese eingebracht wird.

Erfindungsgemäß kann in günstiger Weise vorgesehen sein, dass die einzelnen Luftspeichereinheiten während des Umformvorgangs sequentiell geöffnet bzw. geschlossen werden (zugeschaltet bzw. abgeschaltet). Es ist jedoch auch möglich, diese oder einige der Luftspeichereinheiten mit der Werkzeugkammer in ständiger Verbindung zu halten.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Druck-Weg-Kurve des Umformvorgangs, und

3 eine weitere Druck-Weg-Kurve des Umformvorgangs.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Stößel oder ein Oberwerkzeug 2 sowie ein Unterwerkzeug 3 (Luftkasten). Das Unterwerkzeug 3 bildet eine Werkzeugkammer 4, an welche ein Werkstück (Platine) geschlossen wird. Das Werkstück 1 wird mittels eines Niederhalters 13 (Blechhalter) gespannt, um so die Werkzeugkammer 4 abzudichten.
Wie sich aus dem Pneumatik-Schaltbild der 1 ergibt, ist die Werkzeugkammer 4 mit einer Leitung verbunden, durch welche unter Zwischenschaltung zumindest eines Absperrelements 14 (2/2-Wege-Ventils) Druckluft von einem Niederdruckkompressor 15 zugeführt werden kann. Nach dem Einlegen des Werkstücks (Platine 1) wird der Blechhalter (Niederhalter 13) geschlossen. Durch den Niederdruckkompressor 15 wird somit ein Anfangsdruck (Vorwölbdruck, Vorspanndruck) aufgebracht. Nachfolgend erfolgt eine Bewegung des Stößels 2 (Oberwerkzeug), um das Werkstück 1 zu verformen. Während der Bewegung des Stößels 2 wird Druckluft aus der Werkzeugkammer 4 verdrängt. Nach Schließen des Absperrelements 14 und Abtrennen des Niederdruckkompressors 15 wird somit mit dem Beginn des Umformvorganges durch den Stößel 2 Druckluft in eine der Luftspeichereinheiten 5 bis 8 rückgeführt. Diese sind durch Betätigung eines der Absperrelemente 9 bis 12 jeweils wahlweise entweder kaskadenartig, sequentiell oder gleichzeitig mit der Druckluftleitung verbunden.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Luftspeichereinheiten 5 bis 8 jeweils einen Stickstofftank 17 bzw. eine Stickstofffeder 17, welche als Gegendruck wirken.
Als Sicherheitselement sind in dem System jeweils mehrere Berstscheiben 18 (Überdruckelemente) vorgesehen. Die einzelnen Luftspeichereinheiten 5 bis 8 weisen jeweils eine Kolben-Zylinder-Einheit auf, durch welche jeweils eine Druckluftkammer 19 gebildet wird. Der Druck in der Druckluftkammer 19 ist somit durch die Kolbenbewegung und den Druck in dem Stickstofftank 17 baulich vorgegeben und entsprechend einstellbar. Es versteht sich, dass die Luftspeichereinheiten auch eine Ölkammer umfassen können.
Die einzelnen Luftspeichereinheiten 5 bis 8 können erfindungsgemäß entweder nicht-aktiv ausgebildet sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese zusätzlich mit einem Hochdruckkompressor 16 verbindbar, welcher über Absperrelemente 20 zugeschaltet werden kann. Hierdurch ist es möglich, die Luftspeichereinheiten 5 bis 8 aktiv auszubilden und vorzuspannen, um gegebenenfalls Druckluft aus den Luftspeichereinheiten 5 bis 8 in die Werkzeugkammer 4 zurückzuführen.
Die Speicherkapazität der Luftspeichereinheiten 5 bis 8 wird somit entweder über den Stickstofftank 17 (Feder) oder durch mechanische Hubbegrenzungen, welche beidseitig des jeweiligen Kolbens 21 vorgesehen sein können, festgelegt.
Erfindungsgemäß sind vier Luftspeichereinheiten 5 bis 8 vorgesehen, welche auch als Kreis 1, Kreis 2, Kreis 3 und Kreis 4 bezeichnet sind. Bei sequentieller Arbeitsweise ist es somit möglich, den jeweils nächsten Kreis zuzuschalten, sobald der Umformdruck in der Werkzeugkammer 4 einen vorgegebenen Vorspanndruck übersteigt.
Die gesamte Vorrichtung kann beispielsweise mittels einer Regelung 22 gesteuert werden.
Eine Dekomprimierung kann beispielsweise mittels eines Absperrelements 23 (2/2-Wege-Ventil) erfolgen, durch welches der Druck in die Umgebung abgelassen werden kann.
Erfindungsgemäß ergeben sich somit sehr kurze Taktzeiten. Der Niederdruckkompressor 15 kann beispielsweise den Anfangsdruck in der Werkzeugkammer, welcher drei bis vier bar betragen kann, in ein bis zwei Sekunden aufbauen.
Zur Kalibrierung oder zur Glättung der Druck-Weg-Kurven kann beispielsweise zusätzlich eine Kolben-Zylinder-Einheit (Druckübersetzer 24) vorgesehen sein, welche eine Luftkammer 25 und eine Ölkammer 26 umfasst. Die Kolben-Zylinder-Einheit 24 kann aktiv wirkend ausgebildet sein.
Aus den 2 und 3 ergeben sich Beispiele für Druck-Weg-Kurven. Mit P ist der Innendruck in der Werkzeugkammer 4 angegeben, während der Weg S die Bewegung des Stößels 2 wiedergibt. In 2 ist ersichtlich, dass insgesamt zwei Übergangsbereiche der Kurve vorgesehen sind, an welchen durch Übergang von einer Luftspeichereinheit in die nächste (Übergang von Kreis 1 beispielsweise zu Kreis 2) eine andere Druckcharakteristik auftritt.
Die 3 zeigt die Überlagerung oder Addition mehrerer Druck-Weq-Kurven durch Zuschalten der einzelnen Luftspeichereinheiten, wobei die obere Kurve R die Resultierende darstellt. Die einzelnen Verlaufskurve addieren sich somit.
Erfindungsgemäß können somit unterschiedlichste, den jeweiligen Gegebenheiten angepasste Druckverläufe realisiert werden.

1: Werkstück (Platine)
2: Stößel (Oberwerkzeug)
3: Unterwerkzeug (Luftkasten)
4: Werkzeugkammer
5, 6, 7, 8: Luftspeichereinheit
9, 10, 11, 12: Absperrelement
13: Niederhalter
14: Absperrelement
15: Niederdruckkompressor
16: Hochdruckkompressor
17: Stickstofftank
18: Berstscheibe
19: Druckluftkammer
20: Absperrelement
21: Kolben
22: Regelung
23: Absperrelement
24: Kolben-Zylinder-Einheit (Druckübersetzer)
25: Luftkammer
26: Öl kammer
27: Absperrelement

Claims

Verfahren zur pneumomechanischen Außenhochdruckumformung eines Werkstücks (1), bei welchem das Werkstück (1) mittels zumindest eines Stößels (2) gegen ein Unterwerkzeug (3) umgeformt wird, wobei zwischen dem Werkstück (1) und dem Unterwerkzeug (3) in einer Werkzeugkammer (4) ein regelbarer pneumatischer Gegendruck aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufbau eines pneumatischen Anfangsdrucks durch Druckluft beim weiteren Verfahren des Stößels (2) die Druckluft aus der Werkzeugkammer (4) nacheinander einer von mehreren Luftspeichereinheiten (5 bis 8) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft nachfolgend aus zumindest einer Luftspeichereinheit (5 bis 8) rückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Luftspeichereinheiten (5 bis 8) mittels eines Absperrelements (9 bis 12) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Luftspeichereinheiten (5 bis 8) mit der Werkzeugkammer (4) verbunden bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Druckluft in zumindest einer Luftspeichereinheit (5 bis 8) gespeichert und zum Aufbau des Anfangsdrucks des nachfolgenden Umformzyklus in die Werkzeugkammer (4) rückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zuführung der Druckluft in die einzelnen Luftspeichereinheiten (5 bis 8) diese sequentiell geöffnet und/oder geschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zuführung der Druckluft in die einzelnen Luftspeichereinheiten (5 bis 8) diese zeitlich und/oder hinsichtlich des Drucks geöffnet und/oder geschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Luftspeichereinheiten (5 bis 8) zusätzlich mittels einer externen Druckquelle (16) mit Druck beaufschlagt wird.
Vorrichtung zur pneumomechanischen Außenhochdruckumformung eines Werkstücks (1), bei welchem das Werkstück (1) mittels zumindest eines Stößels (2) gegen ein Unterwerkzeug (3) umgeformt wird, wobei zwischen dem Werkstück (1) und dem Unterwerkzeug (3) in einer Werkzeugkammer (4) ein regelbarer pneumatischer Gegendruck aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkammer (4) mit mehreren Luftspeichereinheiten (5 bis 8) verbunden ist, welchen jeweils ein Absperrelement (9 bis 13) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspeichereinheiten (5 bis 8) jeweils gleich ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspeichereinheiten (5 bis 8) jeweils unterschiedlich ausgebildet sind.