DE102006002146B4

DE102006002146B4 - Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils durch inkrementelle Umformung eines Metallblechs und Verfahren zur Herstellung einer Skelettpatrize

Info

Publication number: DE102006002146B4
Application number: DE200610002146
Authority: DE
Inventors: Christian 71131 Draser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2026-01-18
Also published as: DE102006002146A1

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils (11) durch inkrementelle Umformung eines Metallblechs (1) mit einem Blechhalter (2) zur randseitigen Einspannung des Metallblechs (1), mit einem CNC-geführten Umformdorn (3) zur lokalen Umformung des Metallblechs (1) und mit einer auf der dem Umformdorn (3) gegenüberliegenden Seite des Metallblechs (1) angeordneten Patrize (5) zur Abstützung des Metallblechs (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Patrize (5) als Skelettpatrize (6) mit mehreren beabstandet zueinander angeordneten flächenhaften Blechschablonen (7a–7c, 8a–8e) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils durch inkrementelle Umformung eines Metallblechs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Skelettpatrize zur Verwendung in dieser Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Die inkrementelle Blechumformung (IBU) ist ein Verfahren zur Herstellung von Blechbauteilen, welches sich durch eine geringe Werkzeugbindung und damit eine hohe Flexibilität auszeichnet. Die grundlegenden Eigenschaften und vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind beispielsweise in der US 6 216 508 B1 beschrieben. Ausgangspunkt bildet eine Blechplatine, die randseitig in einen Fixierrahmen eingespannt wird. Zur Ausformung der dreidimensionalen Bauteilkontur wird ein CNC-gesteuerter Umformdorn entlang vordefinierter Bahnen – insbesondere einer Folge von Höhenlinien – gegenüber der im stationären Fixierrahmen eingespannten Blechplatine entlangbewegt; dabei erfolgt eine lokale Umformung der Blechplatine. Alternativ kann der Fixierrahmen schrittweise in Vertikalrichtung angehoben werden, während der Umformdorn Bahnen in der X-Y-Ebene abfährt.
Dass Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Prototyp- und Kleinserienteilen. Zur Ausformung komplexer Bauteilgeometrien ist es dabei vorteilhaft, auf der dem Umformdorn gegenüberliegenden Seite der Platine einen Gegenhalter vorzusehen, der den vom Umformdorn bearbeiteten Bereich von der Gegenseite aus unterstützt. Die DE 102 31 430 B4 zeigt eine solche Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils durch inkrementelle Umformung eines Metallblechs. Diese Vorrichtung umfasst einen Blechhalter zur randseitigen Einspannung des Blechs, einen CNC-geführten Umformdorn zur lokalen Umformung des Blechs sowie einen Matrize zur Abstützung des Blechs während des Umformvorgangs. Wie in der Veröffentlichung „Inkrementelle Blechumformung als wirtschaftliche Alternative zur Herstellung von Prototypen und Kleinserien” von G. Hirt, S. Junk, J. Ames und I. Chouvalova (19. Aachener Stahlkolloquium 2004, Vortrag 6.3) bekannt, kann der Gegenhalter als Teilpatrize oder als Vollpatrize ausgeführt sein. Die Teilpatrize hat den Vorteil hoher Bauteilvariabilität und geringer Kosten, unterstützt die umzuformende Blechplatine aber nur lokal (im Regelfall am höchsten Punkt des Bauteils) und eignet sich daher nur bedingt zur Ausformung von komplexen Bauteilgeometrien mit konvex-konkaven Übergängen. Demgegenüber unterstützt die Vollpatrize die gesamte Bauteilkontur und ermöglicht daher die qualitativ hochwertige Herstellung komplexer Bauteile; allerdings muss bei Änderungen der Bauteilgeometrie die gesamte Vollpatrize neu erstellt werden, was aufwendig und kostenintensiv ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils durch inkrementelle Umformung eines Metallblechs bereitzustellen, die einerseits eine gute Unterstützung des Bauteils – insbesondere kompliziert auszuformender Bauteilbereiche – während des Umformprozesses gewährleistet, und die andererseits eine schnelle und preiswerte Modifikation der Patrize ermöglicht. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zur Herstellung einer Skelettpatrize für diese Vorrichtung vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Danach wird als Patrize eine Skelettpatrize eingesetzt, die mehrere beabstandet zueinander angeordnete flächenhafte Blechschablonen umfasst. Die Patrize kann als Vollpatrize ausgebildet sein (d. h. das gesamte Bauteil unterstützen) oder als Teilpatrize diejenigen Bauteilbereiche unterstützen, die während der Konturausformung besonders hohen Anforderungen unterliegen. In Bauteilbereichen, die während des Umformens einer großen lokalen Unterstützung bedürfen, kann eine höhere Dichte an Blechschablonen vorgesehen werden als in vergleichsweise einfach ausformbaren Bereichen.
Da die Skelettpatrize aus mehreren flächenhaften Blechschablonen zusammengesetzt ist, ist die Anpassung dieser Patrize bei Bauteiländerungen schnell und leicht ausführbar:
Die in den Änderungsbereichen befindlichen Blechschablonen werden aus der Patrize entnommen und durch andere Blechschablonen ersetzt, welche der neuen Bauteilgeometrie angepasst sind. Die Herstellung der neuen Blechschablonen ist sehr einfach, unaufwendig und preiswert: Insbesondere kann die Außenkontur der Schablonen direkt aus dem CAD-Modell des gewünschten Bauteils berechnet werden, indem das CAD-Modell in Ebenen geschnitten wird; die auf diese Weise berechnete Kontur kann dann direkt an eine Laserbearbeitungsstation mit einem CNC-geführten Laserschneidkopf übermittelt werden, welche die zugehörige Schablone aus einer Blechtafel ausschneidet.
Besondere Vorteile bietet die Erfindung bei der Herstellung von Bauteilen, deren Rücksprungverhalten nur näherungsweise bekannt ist: In einem solchen Fall ist es nämlich notwendig, die Platine während der Umformung um den Wert der Rückfederung vorzubiegen. Dies hat zur Folge, dass die Patrize im Regelfall mehrfach überarbeitet werden muss, bevor die richtige Patrizengeometrie gefunden wird. Eine Skelettpatrize aus Blechschablonen ermöglicht hier eine schnelle und preiswerte Methode, um die Patrizengeometrie anzupassen bzw. zu optimieren: Die Schablonen der Skelettpatrize entsprechen (frei positionierbaren) Schnitten, die durch das Bauteil gelegt und anschließend aus einer Blechtafel ausgeschnitten wurden. Wenn – nach der Herstellung und Vermessung eines Probebauteils – eine partielle Änderung um ein in der Messung ermitteltes Maß vorgenommen werden muss, kann diese Änderung im CAD-Modell oder direkt mit Hilfe des Laserprogramms mit geringem Aufwand durchgeführt werden. Mit Hilfe der angepassten Schnitte können erneut Blechschablonen ausgeschnitten werden, die dann in die Skelettpatrize eingefügt werden.
Im Vergleich zum herkömmlichen Fräsen der Patrize gestattet das erfindungsgemäße Verfahren eine wesentlich schnellere und preiswertere Anpassung der Patrizengeometrie bei Bauteiländerungen.
Vorzugsweise sind die Blechschablonen näherungsweise parallel zueinander und näherungsweise senkrecht zur Ebene des Blechhalters ausgerichtet, so dass die Konturen der Blechschablonen aus parallel zueinander verlaufenden Schnitten durch das CAD-Modell des zu fertigenden Teils gewonnen werden können. Weiterhin ist es vorteilhaft, zwei Schablonensätze vorzusehen, die jeweils aus mehreren parallel zueinander angeordneten Blechschablonen bestehen, und die Blechschablonen des einen Schablonensatzes näherungsweise senkrecht zu den Blechschablonen des anderen Schablonensatzes anzuordnen. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Stabilität der Skelettpatrize erreicht werden. Zusätzlich können Versteifungsstäbe vorgesehen werden, die die Blechschablonen der Schablonensätze untereinander stabilisieren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur inkrementellen Umformung eines Metallblechs mit einer Skelettpatrize;
2a, 2b zwei Blechschablonen der Skelettpatrize;
3 eine perspektivische Ansicht der Skelettpatrize aus der 1 mit einem damit gefertigten Bauteil.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur inkrementellen Umformung eines Metallblechs 1. Das Metallblech 1 ist randseitig in einen Blechhalter 2 eingespannt. Die Formgebung des Metallblechs 1 erfolgt mit Hilfe eines CNC-gesteuerten Umformdorns 3, dessen Spitze 4 in das Metallblech 1 eingedrückt wird, während gleichzeitig der Umformdorn 3 gegenüber dem Metallblech 1 verschoben wird. Zur Unterstützung des Umformprozesses ist auf der dem Umformdorn 3 gegenüberliegenden Seite des Metallblechs 1 eine Patrize 5 angeordnet. Der Umformdorn 3 und Blechhalter 2 mit dem darin eingespannten Metallblech 1 werden gemeinsam in inkrementellen Schritten in Z-Richtung gegenüber der (stationären) Patrize 5 abgesenkt (oder die Patrize 5 gegenüber dem Umformdorn 3 und dem Blechhalter 2 angehoben). In jedem Schritt wird mit dem Umformdorn 3 eine im voraus berechnete Bahn in der X-Y-Ebene abgefahren, die der dieser Z-Position entsprechenden Außenkontur des zu erzeugenden Bauteils 11 entspricht; dabei wird die Kontur in das Metallblech 1 eingeprägt. Durch diese schrittweise Aufeinanderfolge von Konturen wird sukzessive das gesamte Bauteil 11 aus dem Metallblech 1 ausgeformt. Das Verfahren ist beispielsweise in der US 6 216 508 B1 beschrieben.
Erfindungsgemäß ist die Patrize 5 als Skelettpatrize 6 ausgebildet. Diese Skelettpatrize 6 umfasst mehrere Blechschablonen 7a–7c und 8a–8e, die senkrecht zur Ebene des im Blechhalter 2 eingespannten Metallblechs 1 ausgerichtet sind. Die Blechschablonen 7a–7c, 8a–8e sind in einer solchen Weise zwei Schablonensätzen 7, 8 zugeordnet, dass jeder der beiden Schablonensätze 7 bzw. 8 mehrere ebene Blechschablonen 7a–7c bzw. 8a–8e umfasst, die parallel zueinander ausgerichtet sind. 2a und 2b zeigen Aufsichten zweier dieser Blechschablonen 7b, 8b. Die einzelnen Blechschablonen 7a–7c bzw. 8a–8e können in einem regelmäßigen Abstand 12 zueinander angeordnet sein; besonders vorteilhaft wird der Abstand 12 zwischen den Blechschablonen 7a–7c bzw. 8a–8e jedoch in einer solchen Weise gewählt, dass in denjenigen Bereichen, deren Ausformung ein höheres Maß an Unterstützung erfordert – beispielsweise in Bereichen hoher Krümmung des auszuformenden Bauteils 11 – der Abstand 12 kleiner gewählt wird als in „glatten” Bereichen.
Die dem Blechhalter 2 zugewandten Randkonturen 9a–9c und 10a–10e der Blechschablonen 7a–7c und 8a–8e weisen eine Form auf, die der lokalen Kontur des auszuformenden Bauteils 11 (siehe 3) angepasst ist. Insbesondere können die Randkonturen 9a–9c, 10a–10e der Blechschablonen 7a–7c, 8a–8e in einer solchen Weise gestaltet sein, dass sie Schnitten durch das CAD-Modell des auszuformenden Bauteils 11 in X-Z-Ebene bzw. in Y-Z-Ebene entsprechen. Zur Herstellung der Blechschablonen 7a–7c, 8a–8e werden zunächst geeignete Schnitte im CAD-Modell des Bauteils 11 berechnet; diese werden dann an ein Laserschneidsystem übertragen, mit dessen Hilfe die Blechschablonen 7a–7c und 8a–8e aus Blechtafeln ausgeschnitten werden. Ganz allgemein können die Blechschablonen 7a–7c und 8a–8e aber auch in anderer Weise gefertigt werden.
Soll das Bauteil 11 aus einem Metallblech 1 mit starkem Rücksprung gefertigt werden, so muss dieser Rücksprung bei der Gestaltung der Randkonturen 9a–9c, 10a–10e mitberücksichtigt werden. So kann es beispielsweise notwendig sein, dass in Bauteilbereichen mit großer Krümmung die Randkontur 9a–9c, 10a–10e mit einem Krümmungsradius versehen wird, der kleiner ist als der lokale Krümmungsradius des gewünschten Bauteils 11, so dass das Metallblech 1 beim Ausformen in diesem Bereich zunächst in einer solchen Weise „überdehnt” wird, dass es beim weiteren Ausformen in die gewünschte Bauteilform zurückspringt. Stellt sich heraus, dass das Rücksprungverhalten des Metallblechs 1 nicht richtig eingeschätzt wurde, so können die entsprechenden Blechschablonen 7a–7c und 8a–8e aus der Skelettpatrize 6 ausgelöst und durch andere, modifizierte ersetzt werden, die ebenso mit Hilfe des Lasers ausgeschnitten wurden.
Die Blechschablonen 7a–7c bzw. 8a–8e sind vorteilhafterweise in der in 1 gezeigten Gitterstruktur angeordnet, so dass die Blechschablonen 7a–7c des Schablonensatzes 7 senkrecht zu den Blechschablonen 8a–8e des Schablonensatzes 8 ausgerichtet sind. Um die einzelnen Blechschablonen 7a–7c und 8a–8e zu der Skelettpatrize 6 zusammenfügen zu können, sind die Blechschablonen 7a–7c und 8a–8e mit Schlitzen 13, 14 zur Aufnahme der senkrecht hierzu verlaufenden Blechschablonen 7a–7c und 8a–8e des anderen Schablonensatzes 7, 8 versehen (siehe 2a und 2b). Diese Schlitze 13, 14 können zusammen mit dem Ausschneiden der Blechschablonen 7a–7c und 8a–8e aus den Blechtafeln – also in demselben Arbeitsschritt – in die Blechschablonen 7a–7c und 8a–8e eingeschnitten werden. Die fertig zusammengesteckte Skelettpatrize 6 wird mit Hilfe von Befestigungsmitteln (z. B. Flachkopfschrauben) auf einem (in den Figuren nicht gezeigten) Maschinentisch fixiert. Zur zusätzlichen Stabilisierung der Skelettpatrize 6 sind (in den Figuren nicht gezeigte) Versteifungsstäbe vorgesehen, die durch eingestanzte Ausnehmungen 15 in den Blechschablonen 7a–7c und 8a–8e geführt werden.
Die Erfindung eignet sich zur Herstellung von Prototyp- und Kleinserienbauteilen aus Metallblech, insbesondere aus hoch- und höchstfestem Stahlblech.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils (11) durch inkrementelle Umformung eines Metallblechs (1) mit einem Blechhalter (2) zur randseitigen Einspannung des Metallblechs (1), mit einem CNC-geführten Umformdorn (3) zur lokalen Umformung des Metallblechs (1) und mit einer auf der dem Umformdorn (3) gegenüberliegenden Seite des Metallblechs (1) angeordneten Patrize (5) zur Abstützung des Metallblechs (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Patrize (5) als Skelettpatrize (6) mit mehreren beabstandet zueinander angeordneten flächenhaften Blechschablonen (7a–7c, 8a–8e) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Blechschablonen (7a–7c, 8a–8e) näherungsweise senkrecht zur Ebene des Blechhalters (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Blechschablonen (7a–7c, 8a–8e) näherungsweise eben und näherungsweise parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Skelettpatrize (6) zwei Schablonensätze (7, 8) umfasst, die jeweils aus mindestens zwei Blechschablonen (7a–7c, 8a–8e) bestehen, wobei die Blechschablonen (7a–7c, 8a–8e) der zwei Schablonensätze (7, 8) näherungsweise parallel zueinander angeordnet sind und wobei die Blechschablonen (7a–7c) des Schablonensatzes (7) näherungsweise senkrecht zu den Blechschablonen (8a–8e) des Schablonensatzes (8) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechschablonen (7a–7c, 8a–8e) mit Ausnehmungen (15) zur Aufnahme von Versteifungsstäben versehen sind.
Verfahren zur Herstellung einer Skelettpatrize (6) mit mehreren beabstandet zueinander angeordneten flächenhaften Blechschablonen (7a–7c, 8a–8e) zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechschablonen (7a–7c, 8a–8e) mit Hilfe eines CNC-geführten Lasers aus einer ebenen Blechtafel zugeschnitten werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkonturen der Blechschablonen (7a–7c, 8a–8e) aus einem CAD-Modell des zu fertigenden Bauteils (11) generiert werden.