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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formgebung eines Werkstückes aus
einem tiefziehfähigen
Material, insbesondere Blech, mit einer Matrize und einer relativ
zu der Matrize beweglichen Stempel, wobei die Verformungskraft mittels
eines von dem Stempel druckbeaufschlagbaren, ein fließfähiges Schüttgut aufweisendes
Druckübertragungsmedium
auf das Werkstück übertragbar
ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein der Vorrichtung durchführbares
Verfahren.
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Das
Tiefziehen mit starren Werkzeugen hat sich insbesondere im Automobilbau
als ein bedeutsames Fertigungsverfahren zur Herstellung von Karosseriebauteilen
etabliert. Als nachteilig erweist sich dabei insbesondere bei komplizierte
Werkstückgeometrien,
dass diese nur in mehreren Arbeitsstufen herzustellen sind.
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In
diesem Zusammenhang zählt
auch bereits der Einsatz von flüssigen
Wirkmedien als Druckübertragungsmedium
durch ein als Hydroforming bekanntes Verfahrens zum Stand der Technik.
Dadurch lassen sich in einem Arbeitsgang komplizierte Werkstückgeometrien
fertigen, die bei herkömmlichen Verfahren
nur in mehreren Arbeitsstufen herzustellen sind.
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Den
Vorteilen wie reduzierte Werkzeugeinrichtzeiten und Rüstzeiten
stehen aber längere
Prozesszeiten gegenüber,
da der Druck im Wirkmedium stufenweise auf- und wieder abgebaut
werden muss. Die Erzeugung und Beherrschung der hohen Drücke erfordert
außerdem
häufig
spezielle Anlagensysteme.
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Die
genannten Nachteile lassen sich vermeiden, wenn die flüssigen Wirkmedien
durch formlos feste Stoffe wie beispielsweise metallisches oder
keramisches Schüttgut
ersetzt werden, welche die erforderlichen Umformkräfte über eine
elastische Membran auf das Blech übertragen.
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Durch
die
DE 101 51 013
A1 ist auch bereits eine Vorrichtung zur Formgebung eines
Bleches bekannt, mit einer Matrize in Gestalt einer die gewünschte Form
enthaltenden Aufnahme für
das Blech und mit einem ebenen Stempel, wobei zwischen dem Stempel
und dem Blech eine Druckverteilungsschicht aus fließfähigem Schüttgut, wie
Stahlkugeln, Sand oder einem ferromagnetischem Material vorgesehen
ist.
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Als
nachteilig erweist sich bei dieser Vorrichtung, dass die Kraftverteilung
in Abhängigkeit
der Geometrie des Werkstückes
erheblich variiert, insbesondere einen unstetigen Verlauf hat, und
daher unerwünschte
Kraftspitzen nicht auszuschließen
sind. Weiterhin kann es aufgrund der unterschiedlichen Kraftverteilung
zu einer Beschädigung
der Membran kommen.
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Weiterhin
ist durch die
DE 296
01 019 U1 eine Vorrichtung zum Verformen von Hohlprofil-Werkstücken bekannt,
bei der nach dem Schließen einer
Pressform ein aus Feststoffteilen bestehendes Umformmaterial, beispielsweise
Sand, in die Pressform eingebracht und das Werkstück verformt
wird, indem ein Dorn nach unten in das Umformmaterial gepresst wird.
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Die
DE 689 10 794 T2 bezieht
sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Tiefziehen von Blattmaterialien
mit einem deformierbaren, insbesondere elastischen Stempel unter
dem Tauchkolben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Formgebung eines Werkstückes
aus einem tiefziehfähigen
Material derart auszugestalten, dass eine im Wesentlichen konstante
Kraftverteilungen über
die Querschnittsfläche
des Materials erreicht wird. Dabei soll insbesondere auf ein Fluid
als Druckübertragungsmedium
verzichtet werden.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche
2 bis 11 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also
eine Vorrichtung vorgesehen, bei der das Druckübertragungsmedium eine Vielzahl
einzelner elastischer und/oder zumindest abschnittsweise verformbarer Elemente
enthält. Hierdurch
wird in einfacher Weise ein Ausgleich der zu übertragenden Verformungskraft über die
gesamte Stempelfläche
und damit eine im Wesentlichen einheitliche Druckverteilung erreicht,
ohne dass zugleich die nach dem Stand der Technik bei Fluiden als
Druckübertragungsmedium
erforderliche Abdichtung erforderlich ist. Aufgrund der im Verlauf
des Verformungsprozesses in vorbestimmter Weise eintretenden Volumenänderung
wird dabei insbesondere ein Verklemmen des inkompressiblen Schüttgutes untereinander
oder gegenüber
der Matrize vermieden und dabei insbesondere die relative Beweglichkeit
benachbarter Partikel bzw. Elemente des Schüttgutes während der Relativbewegung der
Matrize gegenüber
dem Stempel sichergestellt. Mittels des volumenveränderlichen
Elementes wird daher die Fließfähigkeit
des Schüttgutes
und des Materials des Werkstückes
während
des Tiefziehprozesses sichergestellt. Die Anzahl der erforderlichen
Arbeitsstufen zur Herstellung komplizierter Werkstückgeometrien kann
dadurch wesentlich verringert werden.
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Dabei
erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn jedes Element einen
verformbaren Hohlkörper
aufweist, wie beispielsweise einen Ball, eine Kugel oder einen Ballon,
dessen Innenraum mit einem kompressiblen Medium gefüllt ist.
Dabei können selbstverständlich auch
verschiedene Elemente mit abweichenden Verformungseigenschaften
eingesetzt werden, um so die gewünschte
Volumenänderung
des Druckübertragungsmediums
sicherzustellen.
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Die
Elemente könnten
gleichverteilt mit dem Schüttgut
in der Kammer eingebracht werden. Eine andere besonders Erfolg versprechende
Abwandlung wird dadurch erreicht, dass mehrere Elemente schichtweise
angeordnet sind, wobei das Schüttgut zwischen
einzelnen Schichten der Elemente eingeschlossen ist. Die hierzu
insbesondere quer zur der Relativbewegungsrichtung beim Tiefziehprozess
angeordneten Schichten ermöglichen
dabei eine optimale Beweglichkeit, wobei eine der sich hierzu beispielsweise über die
gesamte Querschnittsfläche
erstreckende Schichten gegen das Werkstück anlegbar ist.
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Das
Schüttgut
könnte
eine vorbestimmte Formgebung oder auch Orientierung aufweisen. Besonders
zweckmäßig ist
es hingegen, wenn das Schüttgut
formlos ist und zudem beispielsweise auch unterschiedliche Korngrößen aufweist.
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Demgegenüber hat
es sich auch als Erfolg versprechend erwiesen, wenn das Schüttgut eine
definierte Form, beispielsweise Kugelform, aufweist, um so die gleichmäßige Kraftverteilung über die Querschnittsfläche der
Kammer sicherzustellen.
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Besonders
vorteilhaft ist es auch, wenn jedes Element zumindest abschnittsweise
als ein Elastomer ausgeführt
ist und insbesondere aus Kunststoff oder Kautschuk besteht, deren
Verformungseigenschaften einerseits durch die Materialauswahl, andererseits
durch die Formgebung gezielt beeinflusst werden kann.
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Dabei
ist es besonders sinnvoll, wenn der Anteil der Elemente zwischen
5 Volumen-% und 30 Volumen-% des Gesamtvolumens des Druckübertragungsmediums
entspricht, um so einerseits die ausreichende Fließfähigkeit
des Schüttgutes
sicherzustellen, andererseits eine definierte Kraftübertragung,
insbesondere eine weggesteuerte Prozessführung des Tiefziehvorganges,
zu ermöglichen.
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Dabei
ist es auch von besonderem Vorteil, wenn ein einzelnes Element ein
gegenüber
einem Einzelelement des Schüttguts
größeres Volumen aufweist,
so dass der Betrag der Kraftübertragung durch
die Verformung der Elemente im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt.
Die Elemente werden dabei derart verformt, dass diese in den von
dem Schüttgut ausgesparten
Zwischenräumen
eingeschlossen werden.
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Eine
andere besonders praxisgerechte Ausgestaltung der Vorrichtung wird
dann erreicht, wenn das Werkstück
oberhalb des Druckübertragungsmediums
angeordnet ist. Das Schüttgut
gelangt dadurch nach dem auseinander fahren der Matrize und des Stempels
unter dem Einfluss der Schwerkraft selbsttätig in die Ausgangsposition
im Inneren der Kammer, so dass ein unerwünschtes Austreten oder Anhaften von
Schüttgutpartikeln
an dem Material vermieden wird.
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Dabei
ist es auch besonders praxisgerecht, wenn das Druckübertragungsmedium
gegenüber dem
Werkstück
mittels einer Membran getrennt ist, so dass ein unmittelbarer Kontakt
des Druckübertragungsmediums
und des Materials ausgeschlossen ist. Hierdurch ergeben sich wesentliche
Vorteile hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit
des Materials und im Hinblick auf die einfache Reinigung der Membran.
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Die
zweitgenannte Aufgabe, ein Verfahren zur Formgebung eines Werkstückes aus
einem tiefziehfähigen
Material, insbesondere Blech, bei dem ein Stempel relativ zu einer
Matrize bewegt wird und dadurch eine Verformungskraft mittels eines
von dem Stempel druckbeaufschlagbaren, ein fließfähiges Schüttgut aufweisende Druckübertragungsmedium auf
das Werkstück übertragbaren
wird, zu schaffen, wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Verfahren
mehrstufig durchgeführt
wird, wobei jede Arbeitsstufe einen vorbestimmten Umformgrad sowie eine
Verringerung der Verformungskraft, insbesondere Rückführung des
Druckübertragungsmedium
in eine drucklose Position umfasst. Hierdurch wird die Fließfähigkeit
des Druckübertragungsmediums
sichergestellt, welches hierzu in jeder Arbeitsstufe drucklos in
seine Ausgangsposition zurück
fließt
und anschließend
erneut mit der Verformungskraft beaufschlagt wird.
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Eine
andere ebenfalls besonders vorteilhafte Ausführungsform wird dadurch erreicht,
dass ausschließlich
die Matrize bewegt wird, so dass der Stempel ortsfest positioniert
werden kann. Das Material wird dabei zwischen der Matrize und einem
das Druckübertragungsmedium
einschließenden,
die Kammer begrenzenden Mantel eingespannt, so dass die Relativbewegung
zwischen der Matrize und dem Stempel einerseits der Übertragung
der Verformungskraft, andererseits der Fixierung des Materials während des
Tiefziehprozesses dient, wobei in einfacher Weise ein Nachfließen des
Materials sichergestellt ist.
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Hierzu
können
neben kompressiblen Elementen auch Verfahren realisiert werden,
bei denen ein das Druckübertragungsmedium
aufnehmendes Kammervolumen mittels eines in die Kammer einfahrbaren
Kolbens verändert
wird und dadurch die Fließfähigkeit
des Schüttgutes
auch bei hohen Krafteinwirkungen sichergestellt wird.
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Die
Erfindung lässt
verschiedene Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
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1 eine
Seitenansicht einer Vorrichtung in einer Ausgangsposition;
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2 die
Abfolge der Arbeitsstufen beim Tiefziehprozess mittels der in 1 gezeigten
Vorrichtung.
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1 zeigt
in einer Seitenansicht eine Vorrichtung 1 zur Formgebung
eines Werkstückes 2 aus einem
tiefziehfähigen
Material, insbesondere Blech. Die Vorrichtung 1 hat eine
Matrize 3 und einen relativ zu der Matrize 3 beweglichen
Stempel 4, wobei eine Verformungskraft mittels eines von
dem Stempel 4 druckbeaufschlagbaren Druckübertragungsmediums 5 auf
das Werkstück 2 übertragbar
ist. Das Druckübertragungsmedium 5 besteht
hierzu einerseits aus einem fließfähigen Schüttgut 6, andererseits
aus einer Vielzahl einzelner elastischer Elemente 7. Zur Aufnahme
des Druckübertragungsmediums 5 dient eine
Kammer 8, welche von dem Stempel 4, einem Mantel 9,
sowie einer gegen das Werkstück 2 anlegbaren
flexiblen Membran 10 begrenzt ist. Gegenüber dem
ortsfesten Stempel 4 ist die Matrize 3 gemeinsam
mit oder unabhängig
von dem Mantel 9 nach unten verfahrbar, wie dies in der 2 näher dargestellt ist,
wobei Pinolen 11 der beweglichen Führung des Mantels 9 dienen.
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Ergänzend zeigt 2 den
Ablauf der Arbeitsstufen beim Tiefziehprozess mittels der in 1 gezeigten
Vorrichtung 1. Ausgehend von der in 2a dargestellten,
mit der 1 übereinstimmenden
Ausgangsposition erfolgt zunächst
in einem ersten Umformschritt das Absenken der Matrize 3 gemeinsam
mit dem Mantel 9, wodurch einerseits eine Fixierkraft des
Werkstückes
zwischen der Matrize 3 und dem Mantel 9 sichergestellt
und eine auf das Werkstück 2 wirkende
Verformungskraft erzeugt wird. Sobald der in 2b gezeigte
erste Umformgrad erreicht ist, wird die Matrize 3 gemeinsam
mit dem Mantel 9 in die in 2c dargestellte
Ausgangsposition nach oben verfahren, wobei das Druckübertragungsmedium 5 zurückfließt und sich
dabei nivelliert. Durch das in 2d gezeigte
erneute Absenken der Matrize 3 und des Mantels 9 wird
der zweite Umformgrad erreicht, dem sich ein weiterer Entspannungsprozess
entsprechend der 2e anschließt. Dem sich anschließenden,
abschließenden
Umformschritt in 2f folgt eine Verfahrbewegung
der Matrize 3 und des Mantels 9 zunächst in
die Ausgangsposition und anschließend in eine Entnahmeposition der
Matrize 3 zur weiteren Bearbeitung des Werkstückes 2.