DE102006017664A1

DE102006017664A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Form für Ur- und Umformwerkzeuge

Info

Publication number: DE102006017664A1
Application number: DE200610017664
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Albersmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Form für Ur- oder Umformwerkzeuge, insbesondere von Formmatrizen für Blechpressteile, zur Verfügung, bei welchem durch Steuerung einer Bearbeitungsmaschine anhand von elektronischen Datensätzen eine dreidimensionale Form aus einem Materialblock (1) herausgearbeitet wird. In einem nachfolgenden Arbeitsschritt wird die Formoberfläche (2) entsprechend der elektronischen Datensätze mit der Bearbeitungsmaschine gesteuert geglättet. Die Mittel (7) zum Glätten der Formoberfläche werden mit einer Federkraft belastet über die Oberfläche geführt. Hierdurch ist es möglich, eine Formmatrize hoher Oberflächengüte automatisiert herzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 14 zum Herstellen einer Form für Ur- und Umformwerkzeuge.
Derartige Formen werden eingesetzt als Formmatrizen zum Pressen oder Tiefziehen von Blechen im Automobilbau. Bei der Herstellung der Formmatrize wird diese aus einem Materialblock herausgefräst, wobei als Formmaterialien bevorzug Stähle verwendet werden, die eine ausreichende Festigkeit und Duktilität aufweisen, um einige hunderttausende Pressvorgänge ohne Formverlust zu überstehen.
Die DE 93 10 029 U1 beschreibt eine Fräs- oder Laserbearbeitungsmaschine zum herausarbeiten eines Werkstückes aus einem insbesondere plattenförmigen Material. Hierbei wird der Eingriff des Fräsers oder Laserbearbeitungskopfes in Abhängigkeit von Zeichnungsdatensätzen gesteuert. Ein erster Datensatz steuert die allgemeine Form beim herzustellenden Werkstück, wobei weitere Datenspeicher und Datensätze vorgesehen sind, um detailliertere dreidimensionale Strukturen bei der Herstellung des Werkstückes einzubringen. Eine besondere Oberflächengüte oder Oberflächenglätte zu erreichen ist hierbei nicht offenbart.
Die DE 101 47 843 A1 beschreibt ein Verfahren und Fräswerkzeuge zum Herstellen von Gießformen oder von Innenkonturen von Modellen. Hierbei wird in einem ersten Schritt aus einem Materialblock (Formstoffblock) die Innenkontur der Form mit Aufmass durch Grobfräsen oder Schruppfräsen erzeugt. In einem zweiten Arbeitsgang wird die Form durch ein Schlichtfräsen in eine Endkontur nahe Form gebracht. Abschließend wird die Oberfläche des Formstoffes durch eine Schlichte geschlossen und durch Auftragen eines Trennmittels geglättet.
An Formmatrizen für Blechpress- oder Blechtiefziehteile werden hohe Eigenschaften bezüglich ihrer Oberflächenqualität und Oberflächengüte gestellt. Bei der bei Fräsvorgängen erreichbaren Oberflächenqualität verbleiben aber Frässpuren, welche sich ins Blechformteil beim Pressen oder Tiefziehen übertragen. Derartige Blechformteile erfüllen entsprechend nicht die Anforderungen an hochglanzlackierbare Blechbauteile. Deshalb werden die Formmatrizen nach dem Fräsen noch einem oder mehreren Polierschritten unterzogen. Dieses Nachbearbeiten (Abziehen) erfolgt dabei im Formherstellungsprozess manuell. Hierbei wird die gefräste Oberfläche mit so genannten Abziehsteinen (Koruntsteine) in verschiedenen Körnungen per Hand so lange abgeschliffen, bis die Frässpuren nicht mehr zu sehen sind. Diese Aufgabe ist technisch sehr anspruchsvoll, da nicht „zuviel" abgetragen werden darf und somit manuell nach Gefühl ein gleichmäßiger Abtrag erfolgen muss. Dies ist manuell schwierig und es ist festzustellen, dass der lokale Abtrag vom „Bearbeiter" abhängig ist, so dass die beim Fräsen erzielte Maßgenauigkeit der Form nicht erhalten bleibt. Ein manuelles Abziehen einer Form für KFZ-Blechpressteile dauert je nach Formmatrize mehrere Tage bis Wochen.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zur Formherstellung anzugeben, das es erlaubt, eine Form hoher Oberflächenqualität automatisiert herzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, Formmatrizen mit einer Oberfläche hoher Glätte automatisiert herzustellen.
Hierzu wird zunächst die Matrizenform nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit einem Übermaß grob gefräst und dann mit einem Feinfräsen auf Endmaßnähe gebracht. Die Steuerung der zum Fräsen verwendeten CNC-Bearbeitungsmaschine erfolgt mittels des Zeichnungsdatensatzes, also der CAD- oder CAM-Daten des späteren Blechbauteils.
In weiteren Arbeitsschritten werden nach der vorliegenden Erfindung Schleifmittel oder Poliermittel, beispielsweise Schleifköpfe aus Korund oder Diamant in den Bearbeitungskopf eingespannt und die Formoberfläche entlang der von dem Zeichnungsdatensatz vorgegebenen Oberflächengeometrie fein geschliffen. Beim Feinschleifen werden die Frässpuren plan geschliffen, sodass eine Oberfläche hoher Glätte oder Güte entsteht.
In einem weiteren Polierschritt kann die Oberfläche noch verbessert werden. Hierzu werden Polierköpfe aus Beispielsweise Filz, Kork oder Holz entlang die Zeichnungsdatensatzes mit dem Bearbeitungskopf über die Oberfläche geführt, wobei als Glättsuspension Läpppaste, Diamantpolitur oder Petroleum eingesetzt werden können.
Als besonders vorteilhaft bei einer derartigen glättenden Endbearbeitung der Formoberfläche stellt es sich heraus, die Mittel zum Glätten (Schleifsteine, Polierköpfe) mit einer Federkraft belastet über die Oberfläche zu führen. Dies hat den Vorteil, dass einerseits das Glätten mit definierter Krafteinwirkung auf die Oberfläche erfolgen kann und andererseits durch ein Einfedern des Werkzeugs kleine Distanzfehler der Bearbeitungsmaschine zum Formwerkstück ausgeglichen werden.
Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert werden. Im Einzelnen zeigt:
1: das Grobfräsen einer Formmatrize
2: das Glätten der Formmatrize
2a: ein Federelement
3: das Glätten einer Formmatrize mit schräg gestelltem Bearbeitungskopf
4: verschiedene Schleifkopfformen
In 1 ist eine Materialblock (1) abgebildet, der zu einer Formmatrize für Blechpressteile bearbeitet wird. Ein Satz Formmatrizen besteht dabei in der Regel aus einer Positiv- und einer Negativform, zwischen denen das Blech, insbesondere Karosserieblech eines Fahrzeuges, gepresst oder tief gezogen wird. Dabei werden Pressdrücke von mehreren hundert Tonnen aufgewendet. Hierdurch wird die Form der Matrize auf das Blech übertragen, welches seine dreidimensionale Endform erhält. Als Materialblock werden in der Regel Guss- oder Stahlwerkstoffe eingesetzt. Für Kleinserien sind aber auch Kunststoffwerkstoffe oder Keramikwerkstoffe als Matrizenmaterial verwendbar, wie auch ein Materialmix aus diesen.
Die Bearbeitung des Materialblocks zur endgültigen serienfertigen Formmatrize gliedert sich in verschiedene Arbeitsschritte. Zunächst erfolgt wie in 1 entlang der Bearbeitungspfeile dargestellt, ein Grobfräsen des Materialblockes (1), wobei die spätere Geometrie der Formoberfläche (2) mit Aufmass herausgearbeitet wird. Das Grobfräsen kann beispielsweise mit einem Schruppfräser (6) erfolgen, welcher über einen Schaft (5) in eine Spannvorrichtung (4) am Kopf der Bearbeitungsmaschine (3) eingespannt ist. Ziel des Grobfräsens ist die wirtschaftliche und damit schnelle Bearbeitung eines großen Materialvolumens, um die Kontur der Formoberfläche (2) an die gewünschte Geometrie anzunähern. Durch ein sorgfältiges an die Geometrie angepasstes Grobfräsen kann mit großem Vorschub und hohen Schrittgeschwindigkeiten gefräst werden.
An das Grobfräsen schließt sich ein Feinfräsen oder Schlichten an, bei welchem dann die Formmatrize auf eine endnahe Kontur und Oberflächenqualität gebracht wird. Hierzu wird der Grobfräser (6) gegen einen Feinfräser (6) ausgetauscht und an seinem Schaft (5) in der Spannvorrichtung (4) verspannt.
Das Grob- wie auch das Feinfräsen erfolgt gesteuert an Hand der Datensätze für das spätere Blechpressteil. Diese elektronischen CAD oder CAM – Daten werden in die Steuerung einer CNC-Bearbeitungsstation eingegeben. Dabei kann der Kopf (3) der Bearbeitungsstation über 5 Achsen angesteuert werden, nämlich translatorisch entlang der x, y, z-Achse und drehbar entlang der c-Achse und der a-Achse. Als 6. Drehachse kann darüber hinaus noch die Rotationsachse des Fräsers gewertet werden. Auch nach dem Feinfräsen/Schlichten bilden sich geringe Frässpuren in der Formoberfläche (2) ab, welche entfernt werden müssen.
Hierzu wird in einem weiteren Arbeitsschritt nach 2 eine Spannvorrichtung (4) mit einem Federelement (8) in den Bearbeitungskopf (3) eingesetzt. Eine beispielhafte Ausgestaltung eines Federelements ist in 2a dargestellt. Hierbei ist als federndes Element eine mechanische Spannfeder (9) vorgesehen, die bei Verspannung eine Federkraft (10) ausübt, wie es durch die Pfeile in 2a angedeutet ist.
Alternativ kann das Federelement (8) aber auch ein gummielastisches Element, ein hydraulisches oder pneumatisches Federelement sein. Weiterhin ist ein verschieblich gewichtsbelastet angeordnetes Element (8) denkbar, bei welchem die Federkraft (10) durch die Gewichtskraft des Schleifkopfes (7) und/oder Teilen der Spannvorrichtung (8) oder ein zusätzliches Gewicht ausgeübt werden. Bei dem nun nachfolgenden Glätten wird die Oberfläche der Formmatrize (2) glatt geschliffen. Hierbei wird je nach Oberflächenform und CNC-Bearbeitungsmaschine der Schleifstift (7) wie ein Fräser dreiachsig oder fünfachsig über die Oberfläche geführt.
Die CAD oder CAM Programmierung der Bearbeitungsmaschine erfolgt auf der gleichen Datenbasis wie beim Fräsen. Vor Beginn des Schleifens wird die Werkzeuglänge der Schleifaufnahme (4) und des Schleifstiftes (5, 7) vermessen. Sodann wird durch Eingabe eines Abstandes in die Steuerung, welcher kürzer ist als die vermessene Werkzeuglänge, der Schleifstift (7) federbelastet auf die Oberfläche aufgedrückt. Der Abstand wird dabei so eingestellt, dass gegenüber einer Stellung, bei welcher der Schleifkopf (7) die Oberfläche unbelastet berührt, der Kopf um weitere 0,5 mm bis 5 mm, bevorzugt 1 mm bis 1,5 mm in Richtung der Oberfläche abgesenkt wird. Durch diese Veränderung der Längeneintragung wird der Druck während des Schleifens bestimmt, derart, dass ein gleichmäßiger Abtrag (ein gleichmäßiges Glätten) erfolgt.
Da die Längeneintragung und somit der Federdruck durch die Abstandsregelung vorgegeben ist, kann auch während der Bearbeitung eine Variation des Bearbeitungsdruckes/Anpressdruckes erfolgen, indem nämlich über die Steuerung während der Bearbeitung eine gezielte Abstandsveränderung angepasst an vorbestimmte Flächenteile der Formoberfläche (2) erfolgt.
Um mit definiertem Anpressdruck zu arbeiten, wird die Federkraft fortwährend mit Messmitteln gemessen und hiernach der Bearbeitungskopf gesteuert. Vorteilhaft hat es sicher erwiesen, mit einem Anpressdruck von 1–30 N, bevorzugt 5–15 N zu arbeiten. Um einen definierten Abstand des Bearbeitungswerkzeuges vorzugeben, der auch negativ sein kann, wie vorab beschrieben, können Mittel zum Abtasten der Oberfläche, wie ein mechanischer Führfinger oder ein optisches Abstandsmessgerät an der Bearbeitungsmaschine, insbesondere am Bearbeitungskopf (3) vorgesehen sein. Als vorteilhaft insbesondere bei konkaven Oberflächengeometrien hat es sich erwiesen, den Kopf der Bearbeitungsmaschine (3) um einen Anstellwinkel α zur Oberflächensenkrechten zu verkippen. Diese Auslenkung kann als zusätzliche Information in die Steuerung des Glättvorgangs eingegeben werden. In diesem Fall erfolgt dann das Schleifen/Polieren mit einem veränderten Anstellwinkel im Vergleich zum vorherigen Fräsen. Der Anstellwinkel kann entweder als feste Größe eingegeben werden oder wird dynamisch während der Glättbearbeitung entsprechend der zu bearbeitenden Oberflächenkontur gesteuert variiert. Zur Steuerung einer derartigen dynamischen Verstellung wird ein weiterer Datensatz in Abhängigkeit von der Oberflächenkontur berechnet.
3 zeigt eine derartige Verstellung des Anstellwinkels α. Hierdurch wird es möglich, auch ansonsten nicht zugängliche Oberflächenformen zu bearbeiten, wie die in 3 dargestellte Rundnaht (11).
Während der Bearbeitung werden Anstellwinkel von 0 bis 90°, bevorzugt 0 bis 60° relativ zur Senkrechten der Formoberfläche (2) gewählt. Weiterhin kann diese Verkippen dazu benutzt werden, unterschiedliche Mantelflächen eines Schleifkopfes während der Bearbeitung gerichtet einzusetzen. 4 zeigt verschiedene Schleifkopfgeometrien, nämlich torische, kugelige, kegelförmige und zylindrische Schleifköpfe.
Durch Verkippen des Schleifkopfes kann zum Beispiel die Stirnfläche eines kegelförmigen Schleifkopfes zum Schleifen von bestimmten Oberflächenteilen der Formoberfläche und dann die kegelförmigen Flächen Mantelflächen zum Schleifen von anderen Teilen der Formoberfläche eingesetzt werden. Ebenso wäre es denkbar, einen ersten Schleifvorgang der gesamten Formoberfläche mit der Stirnfläche eines Schleifers und einen weiteren Schleifvorgang der gesamten Oberflächen mit der kegelförmigen Mantelfläche auszuführen.
Vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Stirnfläche eines beispielsweise zylindrischen Fräsers mit einer Aussparung (13) zu versehen, da entlang der Drehachse die Rotationsgeschwindigkeit zu null wird und hier kein rotatorisches Schleifen möglich ist. Weitere Geometrien von Schleifkörpern oder Polierkörpern, wie beispielsweise ein oder mehrere Schleifringe (14) zum Bearbeiten bestimmter Oberflächenformen sind denkbar.
Nach dem erfindungsgemäßen Feinschleifen kann es nötig sein, die Formoberfläche (2) noch weiter zu glätten, in dem ein weiterer Polierschritt vorgenommen wird. Hierzu werden die Schleifköpfe gegen Polierköpfe ausgetauscht und mittels der Polierköpfe in ähnlicher Weise wie vorab beschrieben die Formoberfläche (2) bearbeitet. Beim Polieren werden bevorzugt auch Polierpasten oder Glättpasten, wie beispielsweise Diamantsuspension oder Petroleum eingesetzt. Als Polierkopfmaterialien können Holz, Kork oder Kunststoffe wie auch Filze eingesetzt werden.
Das Schleifen wie auch Polieren erfolgt durch rotatorische Bearbeitung mit 5000 bis 20000 U/min, bevorzugt 6000–9000 U/min. Dabei wird der Kopf der Bearbeitungsmaschine mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,4–20 m/min, bevorzugt 1–5 m/min über die Formoberfläche (2) geführt.

1: Materialblock
2: Formoberfläche
3: Kopf der Bearbeitungsmaschine
4: Spannvorrichtung
5: Schaft
6: Fräser
7: Schleifkopf/Polierkopf
8: Federelement
9: Feder
10: Federkraft
11: Rundnut
12: Schleifköpfe/Polierköpfe
13: Aussparung
14: Schleifring

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Form für Ur- oder Umformwerkzeuge, insbesondere von Formmatrizen für Blechpressteile, bei welchem durch Steuerung einer Bearbeitungsmaschine anhand von elektronischen Datensätzen eine dreidimensionale Form aus einen Materialblock (1) herausgearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachfolgenden Arbeitsschritt die Bearbeitungsmaschine die Formoberfläche (2) entsprechend der elektronischen Datensätze gesteuert glättet, wobei das Werkzeug (7) zum Glätten der Formoberfläche mit einer Federkraft belastet über die Oberfläche geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Herausarbeiten mehrstufig erfolgt, insbesondere durch Grobfräsen und Feinfräsen (Schlichten).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Glätten ein Polieren ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Bearbeitungsschritte der Formoberfläche (2) durch rotatorische Bearbeitung mit 5000–20000 U/min, vorzugsweise 6000–9000 U/min erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glätten mittels eines Schleif- und/oder Poliermittels (7) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Schleifmittel Schleifsteine (7) mit zylindrischer oder torischer oder kegelförmiger oder runder Form eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polieren mittels Diamantschleifsuspension erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der glättenden Bearbeitung eine Anstellung der Spannaufnahme (4) des Kopfes der Bearbeitungsmaschine entsprechend der Obenflächenkontur der Formmatrize erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannaufnahme während der Bearbeitung Anstellwinkel α bis 90° bevorzugt bis 60° relativ zur Senkrechten der Formoberfläche einnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektronischer Zeichen- oder Steuerdatensatz ein CAD oder CAM Datensatz des Blechpressteils eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf der Bearbeitungsmaschine (3) mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,4–20 m/min, bevorzugt 1–5 m/min über die Formoberfläche (2) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federkraft (10) von 1–30 N, bevorzugt 5–15 N mittels einer Feder (9) und/oder eines pneumatischen Elementes (8) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Glättvorgang das Werkzeug 0,5 mm–5 mm, vorzugsweise 1 mm–1,5 mm unterhalb der Formoberfläche (2) positioniert wird, so dass durch das Aufliegen des Werkzeugs auf der Formoberfläche eine Federkraft (10) entsteht, die während der Glättbearbeitung auf die Oberfläche einwirkt.
Vorrichtung zum Herstellen einer Form für Ur- und Umformwerkzeuge, insbesondere von Formmatrizen für Blechpressteile, umfassend eine Bearbeitungsmaschine und eine Steuerung der Bearbeitungsmaschine, wobei die Steuerung der Maschine bei der Bearbeitung anhand von elektronischen Datensätzen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsmaschine beim Glätten der Formoberfläche (2) eine Aufnahme (4) umfasst, welche ein Federelement (8) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (4) mindestens eines der folgenden Federelemente (8) – mechanische Spannfeder (9) – gummielastisches Element – pneumatisches Element aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf der Bearbeitungsmaschine über fünf Achsen angesteuert bewegbar ist, wobei dies drei translatorische Achsen (x, y, z), und zwei Drehachsen (C-Achse, A-Achse) sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsmaschine eine CNC-Bearbeitungsstation ist, die eine Steuereinrichtung aufweist, welche CAD oder CAM Zeichnungsdaten verarbeiten kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Messmittel umfasst, die die Federkraft während des Glättens erfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Abtasten der Oberfläche am Bearbeitungskopf angeordnet sind, um den Bearbeitungskopf mit definierten Abstand über die Formoberfläche zu führen.