DE102007008653A1 - Workpiece i.e. sheet-metal board, cutting method, involves subjecting deformation zone of local pre-heating unit limited on section or contour line with optical or electromagnetic radiation, before deformation of workpiece - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Umformverfahren, insbesondere ein Scherschneidverfahren mittels einer Stanz-, Nibbel-, Präge-Werkzeugmäschine, wobei ein Umformwerkzeug, vorzugsweise ein Loch- oder Schneidstempel auf ein Werkstück, insbesondere eine Blechtafel aufgesetzt und das Werkstück im Bereich einer Umformzone, vorzugsweise entlang einer Schnitt- oder Konturlinie durch ein- oder mehrhobige Trenn- oder Stanzschnitte oder Prägung umgeformt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Umformverfahrens.The The invention relates to a forming process, in particular a shear cutting process by means of a punching, nibbling, embossing tooling, wherein a forming tool, preferably a punch or punch on a workpiece, in particular a metal sheet placed and the workpiece in the area a forming zone, preferably along a cutting or contour line formed by single or multi-pronged cutting or punching cuts or embossing becomes. The invention also relates to a device for carrying out the Forming process.
Umformverfahren wie Scherschneidverfahren mittels einer Stanz-, Nibbel-, Präge-Werkzeugmaschine sind bekannt. Die damit erzielbaren Umformgrade sind durch bestimmte Werkstoffeigenschaften wie z. B. Fließgrenze Rp 0,2 und Bruchdehnung A80 begrenzt.Forming as shear cutting by means of a punching, nibbling, embossing machine tool are known. The achievable degrees of deformation are determined by certain Material properties such. B. yield point Rp 0.2 and elongation at break A80 limited.
Es ist auch bekannt, dass die Bruchdehnung A80 Temperaturabhängig ist. Je kleiner die Bruchdehnung, desto spröder ist der Werkstoff. Bei steigenden Temperaturen nimmt die Bruchdehnung zu, wobei bei jedem Werkstoff ein eigenständiger Bruchdehnungs- Verlauf zu erwarten ist.It It is also known that the elongation at break A80 is temperature dependent. The smaller the elongation at break, the more brittle the material is. at increasing temperatures increases the elongation at break, with each Material an independent Elongation at break is to be expected.
Dieser Effekt kann genutzt werden, um Werkstoffe, die bei Raumtemperatur wegen mangelnder Bruchdehnung nicht umgeformt werden können, soweit zu erhitzen, dass sie anschließend plastisch und dauerhaft bleibend verformt werden können. Dabei darf jedoch keine Gefügeumwandlung oder eine Zustandsänderung im Werkstoff erfolgen. Ähnliche Verhältnisse gelten bei der Fließgrenze Rp 0,2.This Effect can be used to make materials at room temperature can not be reshaped due to lack of elongation at break, so far to heat that up afterwards can be plastically and permanently deformed permanently. there However, no structural transformation or a change of state take place in the material. Similar conditions apply at the yield point Rp 0.2.
In der Praxis wurden bisher die umzuformenden Werkstoffe, beispielsweise Stahlbleche für die Automobilindustrie in Öfen auf eine geeignete Temperatur erhitzt und dann den vorzugsweise beheizten Umformwerkzeugen zugeführt. Dieses Verfahren ist sehr zeitaufwendig, da neben der Aufheizzeit für die gesamten Materialien auch noch Transportzeiten hinzugerechnet werden müssen. Außerdem kann die erforderliche Umformtemperatur nicht exakt eingestellt werden, da sich zwischen dem Aufheizen und dem Umformen gewisse Abkühleffekte einstellen. Zudem ist der Energieeinsatz zur Erwärmung des kompletten Werkstücks und oft sogar des Werkzeugs sehr groß. Gerade beim Erwärmen des Werkzeugs führt die eingesetzte Wärme zu unerwünschten Längenänderungen, so dass die Einhaltung von Toleranzen und die Fertigung komplizierter Bauformen oft schwierig ist. Auch lassen einige Materialien der Werkzeuge die Erwärmung auf das benötigte Temperaturniveau nicht zu.In practice have been the reshaped materials, for example Steel sheets for the automotive industry in ovens heated to a suitable temperature and then preferably fed to heated forming tools. This process is very time consuming, in addition to the heating time for the whole Materials also transport times must be added. In addition, can the required forming temperature can not be set exactly because there are certain cooling effects between the heating up and the forming to adjust. In addition, the energy used to heat the entire workpiece and often even the tool very large. Especially when heating the Tool leads the used heat too unwanted Changes in length, making compliance with tolerances and manufacturing more complicated Designs is often difficult. Also, let some materials of the tools the warming on the needed Temperature level not too.
Seit einigen Jahren besteht der Trend zur Flexibilisierung der Fertigungsverfahren in zeit- und mengenoptimierte Losgrößen. Es wird angestrebt, wirtschaftlich in kleineren Losgrößen zu arbeiten, so dass der Energieeinsatz in der oben beschriebenen Art und Weise und der damit verbundene Aufwand für die gesamte Werkstückplatine nicht mehr zeitgemäß ist.since A few years ago there is a trend towards a more flexible production process in time- and volume-optimized lot sizes. It is sought, economically to work in smaller batches, allowing the energy input in the manner described above and the associated expense for the entire workpiece board is out of date.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Nachteile der bekannten Vorwärmung vor der Umformung zu vermeiden und eine flexible Fertigung mit unterschiedlichen Losgrößen bei optimalen Vorwärmtemperaturen zu ermöglichen. Optimale Vorwärmung ist dann gegeben, wenn die für die nachfolgende Umformung benötigte Temperatur so eingestellt wird, dass die Bearbeitungskraft in der zur Verfügung stehenden Umformeinrichtung beherrschbar ist und eine Schnittkantenlänge einstellbar ist, die eine wirtschaftliche Fertigung ermöglicht.task The present invention overcomes the disadvantages of known preheating To avoid the deformation and a flexible production with different Lot sizes at optimal preheating temperatures to enable. Optimal preheating is given when the for needed the subsequent forming Temperature is adjusted so that the processing power in the to disposal standing forming device is manageable and a cut edge length adjustable is that enables an economical production.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Umformverfahren insbesondere ein Scherschneidverfahren mittels einer Stanz-, Nibbel-, Präge-Werkzeugmaschine vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass vor der Umformung die Umformzone einer lokal begrenzten Vorwärmung, insbesondere einer auf die Schnitt- oder Konturlinie oder auf die Verformungsfläche begrenzten Vorwärmung durch optische oder elektromagnetische Bestrahlung unterzogen wird, wobei die Dauer der Bestrahlung im Bereich von 0,5–10 Sekunden und die Oberflächentemperatur des Werkstücks zwischen 100 und 600°C vorzugsweise unterhalb von 400°C und besonders bevorzugt unterhalb von 250°C liegt.to solution This object is achieved according to the invention a forming process in particular a shear cutting method by means of a punching, nibbling, embossing machine tool proposed, which is characterized in that before forming the Forming a locally limited preheating, in particular one on the cut or Contour line or limited to the deformation surface preheating subjected to optical or electromagnetic radiation, wherein the duration of irradiation in the range of 0.5-10 seconds and the surface temperature of the workpiece between 100 and 600 ° C preferably below 400 ° C and more preferably below 250 ° C.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass insbesondere bei einer Bestrahlung in Form einer Laserbestrahlung die Temperatur der Umformzone während der Vorwärmung relativ niedrig gehalten werden kann und dennoch eine wesentliche Verbesserung im Bruchdehnungsverhalten erfolgt, so dass der Umformschritt mit sehr geringem Kraftaufwand durchgeführt werden kann.Surprisingly has been shown to be particularly in the case of irradiation in the form a laser irradiation the temperature of the forming zone during the preheating can be kept relatively low and yet an essential Improvement in the elongation at break occurs, so that the forming step can be performed with very little effort.
Hierdurch werden die Werkzeuge geschont und die Schnitt- oder Stanzbewegungen sehr exakt ausgeführt, so dass -trotz größerer Schnittkantenlänge eine sehr hohe Maßhaltigkeit der Produkte erreicht werden kann.hereby The tools are spared and the cutting or punching movements executed very precisely, so that - despite the larger cut edge length one very high dimensional accuracy of the products can be achieved.
Ein weiterer überraschender Vorteil besteht darin, dass die bisher auf relativ hohe Vorwärmtemperaturen erhitzten Werkstücke häufig Maßungenauigkeiten durch eine temperaturabhängige Längenänderung aufwiesen, die jetzt nicht mehr festgestellt wurde. Somit führt das neue Verfahren zu energie-, zeit- und qualitätsoptimierter Fertigung, wobei auch die hierfür eingesetzten Vorrichtungen einen relativ niedrigen Investitionsbedarf aufweisen.One more surprising The advantage is that the previously on relatively high preheating temperatures heated workpieces often dimensional inaccuracies by a temperature-dependent change in length showed that was no longer detected. Thus, that leads new processes for energy, time and quality-optimized production, where also the one for this used devices a relatively low investment needs exhibit.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.in the The following is the invention with reference to several embodiments explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
Die
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Werkzeugmaschine
gemäß
Ebenfalls
am Ständer
(
An
dem in
Konkret
sieht die Bearbeitung wie folgt aus:
An einer Werkzeugmaschine
wird ein Werkstück
aufgelegt und für
die Bearbeitung das passende Werkzeug gerüstet. Mit einem Laser wird
vor der Bearbeitung die Stelle aufgeheizt, wobei zum ändern der
Eigenschaften des Lasers aus dem Schneid-Modus in den Heiz-Modus
gegebenenfalls der Strahlengang des Lasers entsprechend verändert wird.Specifically, the processing looks like this:
On a machine tool, a workpiece is placed and equipped for machining the right tool. With a laser, the point is heated prior to processing, to change the properties of the laser from the cutting mode in the heating mode, if necessary, the beam path of the laser is changed accordingly.
Zum
Aufheizen richtet sich der Laser auf die Bearbeitungsfläche aus,
wobei durch Steuerung des Roboterarmes verschiedene flächige oder
punktförmige
bzw. linienförmige
Bestrahlung des Werkstückes
möglich
sind:
Bei einer flächigen
Bestrahlung, die größer ist
als der Laserstrahldurchmesser, kann der Laser durch hin und hergehende
Bewegung ein Flächenmuster
erzeugen, das durch die Bestrahlungsenergie eine entsprechend erhöhte Temperatur
aufweist. Es ist natürlich
auch umgekehrt möglich,
die Blechtafeln unterhalb eines feststehenden Lasers zu verfahren.
Auf jeden Fall muss die aufzuheizende Fläche von den Laserstrahlen entsprechend überstrichen
werden. Dies kann auch mittels einer dynamisch bewegten Optik oder
einem entsprechend bewegten Strahlprojektor erreicht werden.For heating, the laser is directed to the working surface, wherein by controlling the robot arm different surface or punctiform or linear irradiation of the workpiece are possible:
In a planar irradiation, which is greater than the laser beam diameter, the laser can produce by reciprocating motion a surface pattern having a correspondingly elevated temperature by the irradiation energy. Of course, conversely, it is also possible to move the metal sheets below a stationary laser. In any case, the surface to be heated must be covered by the laser beams accordingly. This can also be achieved by means of a dynamically moving optics or a correspondingly moving beam projector.
Bei einer punktförmigen oder linienförmigen Aufheizung sind die Bewegungen des Lasers Punkt- oder linienförmig, wobei in allen Fällen die Leistung des Lasers hinsichtlich Energieeintrag und Bestrahlungsdauer an die erforderlichen Umformtemperaturen angepasst werden.at a punctiform or linear heating are the movements of the laser point or linear, with in all cases the power of the laser with regard to energy input and irradiation time adapted to the required forming temperatures.
Anschließend wird bei ausgeschaltetem Laser die beheizte Stelle unter den Bearbeitungskopf gefahren, so dass die Umformung durch Stanz- oder Nippelwerkzeuge erfolgen kann. Beispielsweise kann nach einer Aufheizung von 1–4 Sekunden mit konstanter Laserleistung die Blechtafel unter den Bearbeitungskopf gefahren werden. Die Verweildauer während des Verfahrens beträgt üblicher Weise 0,5–4 Sekunden, um eine Vergleichmäßigung des Temperaturprofils über eine Wärmeleitung auf der Oberfläche des Werkstücks zu erreichen.Subsequently, will when the laser is switched off, the heated area is moved under the machining head, so that the forming done by punching or nipple tools can. For example, after heating for 1-4 seconds with constant laser power, the metal sheet under the machining head be driven. The residence time during the procedure is more usual Way 0.5-4 Seconds to equalize the temperature profile over a heat conduction on the surface of the workpiece to reach.
Die
in
Zu
Zu
Bei
speziellen Lochformen, deren komplexe Konturformen von der Bauteilfunktion
vorgegeben ist (
Allen Beispielen ist gemeinsam, dass die Werkstoffeigenschaften in einer Werkzeugmaschine nur in den Bearbeitungsbereich der Werkstückplatine durch gezielte lokale Erwärmung für einen bestimmten Bearbeitungsvorgang eingestellt werden. Im Beispiel wurde eine kombinierte Stanz-Nibbel-Prägelaserwerkzeugmaschine verwendet, deren Laserkopf zum Aufheizen der Bearbeitungsfläche einstellbar ist. Im Anschluss wird die Bearbeitungsfläche dem Stanz-Nibbel-Präge-Kopf zugeführt und die Umformung des zulässigen Verformungsbereiches durchgeführt.all Examples are common that the material properties in one Machine tool only in the processing area of the workpiece board through targeted local warming for one certain machining process can be set. In the example was a combined punch-nibble preblaser machine tool used, the laser head for heating the working surface adjustable is. Subsequently, the processing surface of the punching nibbling embossing head supplied and the transformation of the permissible Deformation performed.
Eine berührungslose Oberflächentemperaturmessung ist vorteilhaft, aber keine Voraussetzung, um den erfindungsgemäßen Prozess zu kontrollieren. Eine Beschichtung mit einem insbesondere die Laserwellenlänge absorbierenden Oberflächenprofil ist sinnvoll, damit die Aufheizdauer verkürzt werden kann. Das Oberflächenprofil kann als Oberflächenrauigkeit oder als Reflexionswert beschrieben werden, wobei auch laserwellen-absorbierende Beschichtungen möglich sind.A contactless Surface temperature measurement is advantageous, but not a prerequisite to the process of the invention to control. A coating with a particular laser wavelength absorbing Surface profile is useful, so that the heating time can be shortened. The surface profile can be considered surface roughness or as a reflectance value, laser-wave absorbing as well Coatings possible are.
Im folgenden wird der Programmablauf bei einem numerisch gesteuerten Fertigungsverfahren erläutert:
- 1. Rüsten einer Stanz-Nibbel-Prägelaserwerkzeugmaschine mit Werkstück, Werkzeugen und CNC-Fertigungsprogramm
- 2. Starten des Fertigungsprogramms
- 3. Positionieren des Laserkopfs über der zu erwärmenden Bearbeitungsstelle a) Optional: Temperaturmessung der Bearbeitungsfläche
- 4. Erwärmen der Bearbeitungsstelle innerhalb einer bestimmten Aufheizdauer mit mindestens einem der folgenden Verfahren: a) Bewegen des Laserkopfes über die zu erwärmende Fläche b) Kontrolliertes Einstellen und Verändern der Laserleistung währen des Aufheizens c) Aufweiten des Laserstrahls mit mindestens einem der folgenden Verfahren i. Vergrößern des Abstandes Laserkopf ↔ Werkstück (Ausnutzen des divergenten Strahlenverlaufs) ii. Entfernen der strahlenfokussierenden Elemente im Strahlengang des Lasers (wie parabolische Spiegel oder Sammellinsen) iii. Verwenden eines den Strahlengang aufweitenden Mittels (wie Streulinse oder Spiegel)
- 5. Verfahren des Werkstücks mit der Bearbeitungsstelle unter dem Stanz-Nibbelkopf
- 6. Optional: Verweilen, um eine Vergleichmäßigung des Temperaturprofils an der Bearbeitungsstelle zu erreichen, durch Wärmeleitung in dem Werkstück
- 7. Optional: Messen der Temperatur an der Bearbeitungsstelle um das weitere Vorgehen zu entscheiden a) Temperatur kleiner Bearbeitungstemperaturfenster Rückschritt zu 4, mit Änderung der Aufheizdauer und oder einem der anderen Parameter von 4 i. Optional: Information an SPS-Benutzer, um diese zu Parameterveränderungen zu veranlassen b) Temperatur größer als Bearbeitungstemperaturfenster: Verweilen, bis Temperatur im Bearbeitungstemperaturfenster i. Optional: Information an SPS-Benutzer, um diese zu Paramterveränderungen zu veranlassen c) Temperatur innerhalb Bearbeitungstemperaturfenster
- 8. Herstellen der Umformung, mit dem dafür zuvor gerüstetem Werkzeug an der Bearbeitungsstelle
- 9. Durchführen des nächsten Bearbeitungsschrittes des Fertigungsprogramms, dabei ggf. Wiederholen der Schritte 3–8
- 1. Prepare a stamping nibbling preblaser machine tool with workpiece, tools and CNC manufacturing program
- 2. Start the production program
- 3. Positioning the laser head above the workstation to be heated a) Optional: Temperature measurement of the processing surface
- 4. Heating the processing station within a certain heating time by means of at least one of the following methods: a) moving the laser head over the surface to be heated b) controlling and adjusting the laser power during heating c) expanding the laser beam by at least one of the following methods i. Enlarging the distance Laser head ↔ workpiece (exploiting the divergent beam path) ii. Removing the radiation-focusing elements in the beam path of the laser (such as parabolic mirrors or converging lenses) iii. Using a beam-expanding agent (such as diffusing lens or mirror)
- 5. Procedure of the workpiece with the processing point under the punching Nibbelkopf
- 6. Optional: Linger to achieve a homogenization of the temperature profile at the processing point, by heat conduction in the workpiece
- 7. Optional: Measuring the temperature at the processing point to decide how to proceed a) Temperature lower processing temperature window Back to 4, with change of the heating time and or one of the other parameters of 4 i. Optional: Information to PLC users to cause them to change parameters b) Temperature greater than processing temperature window: Linger until temperature in processing temperature window i. Optional: Information to PLC users to cause parameter changes c) Temperature within processing temperature window
- 8. Make the forming, with the previously prepared tool at the processing site
- 9. Carry out the next processing step of the production program, possibly repeating steps 3-8
10. Ende des Fertigungsprogramms10. End of the production program
Die Erwärmungszeit ist abhängig von der Art (Werkstoffvorbehandlung) und der Geometrie (Dicke) des Werkstücks, dem Laser (Leistung, Wellenlänge, Strahldurchmesser beim Aufheizen) und der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks (Absorption der jeweiligen Laserwellenlänge, Reflexion bzw. Beschichtung).The heating time depends on of the type (material pretreatment) and the geometry (thickness) of the Workpiece the laser (power, wavelength, beam diameter during heating) and the surface condition of the workpiece (Absorption of the respective laser wavelength, reflection or coating).
Nachfolgend
werden einige Parameter für ein
erfindungsgemäß durchgeführtes Umformverfahren
angegeben:
Bei einem Edelstahl-Feinblech 1.4404, Dicke 0,3
mm wird mit einem 3,2 KW CO2-Laser
bei einem Abstand von 1 m bei einer Aufheizzeit von 4 s eine Temperaturerhöhung von
ca. 230 K für
einen Bearbeitungsbereich von D = 40 mm erreicht. Beim Aufheizen
beschreibt der Laser eine Kreisbahn auf dem Bearbeitungsbereich.
Die Stanz-Nippel-Präge-Bearbeitung erfolgte
in einem Zeitraum von 1 s–4
s nach dem Ende des Aufheizens.In the following, some parameters are given for a forming process carried out according to the invention:
With a stainless steel sheet 1.4404, thickness 0.3 mm, a 3.2 KW CO2 laser at a distance of 1 m with a heating time of 4 s achieves a temperature increase of approx. 230 K for a working range of D = 40 mm , During heating, the laser describes a circular path on the processing area. The punch-nipple embossing treatment was carried out in a period of 1 second to 4 seconds after the end of heating.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Umformverfahrens weist ein Umformwerkzeug mit einer Strahlenquelle auf, deren Strahlenaustrittsöffnung auf einen Bereich des Werkstücks gerichtet ist, der in Vorschubrichtung gesehen seitlich vor der Umformzone positioniert ist. Außerdem kann seitlich vor der bestrahlten Fläche eine Einrichtung zum Beschichten oder Aufrauen der Werkstoffoberfläche angeordnet sein, beispielsweise eine Zerstäubungs- oder Verdampfungseinrichtung oder auch eine mechanische Aufrauung.The inventive device for Implementation of the forming process comprises a forming tool with a radiation source whose beam exit opening is directed onto a region of the workpiece which, viewed in the feed direction, is positioned laterally in front of the forming zone. In addition, a device for coating or roughening the material surface may be arranged laterally in front of the irradiated surface, for example an atomization or evaporation device or else a mechanical roughening.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strahlenquelle eine Fokussiereinrichtung aufweist, die innerhalb der Umformzone schwenk- oder drehbar ist, so dass der Strahlengang genau auf die aufzuheizende Fläche ausgerichtet werden kann. Als strahlfokussierende Elemente haben sich Parabolspiegel oder Sammellinsen bewährt, als streuende Elemente können Streulinsen oder Spiegel angeordnet werden. Vorteilhafter Weise ist die Strahlenquelle mit einer Intensitätssteuerung zur kurzzeitigen Erhöhung des Temperaturprofils ausgestattet. Dieses ermöglicht sogar innerhalb des Umformbereiches einen abgestuften Temperaturverlauf, der genau den Unformbedingungen angepasst ist.Especially It is advantageous if the radiation source is a focusing device has, which is pivotable or rotatable within the forming zone, so that the beam path aligned exactly on the surface to be heated can be. The beam-focusing elements are parabolic mirrors or collecting lenses proven, as scattering elements can Scattering lenses or mirrors are arranged. Advantageously is the radiation source with an intensity control for short-term increase equipped the temperature profile. This allows even within the Umformbereiches a graduated temperature profile, the exact Unform conditions is adjusted.
Die
in
Zur
Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Maßnahme ist
ein Temperaturprofil unterhalb der ausgestanzten Fläche nach
Einen
weiteren Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens soll anhand
der
Erfindungsgemäß wurde
nun ausschließlich der
Umformbereich II gemäß
Der
Temperaturverlauf mit Temperaturspitzen im Bereich II ist in
Die zuvor beschriebene Aufwärmung nutzt den absorbierten Teil der Bestrahlungsenergie. Der verbleibende Teil wird reflektiert oder dringt bei transparenten Materialien durch diese hindurch. Hierdurch ist eine Steuerung des Vorwärmens möglich, indem die Reflektionswerte auf der Oberfläche eines umzuformenden Teils beeinflusst werden, beispielsweise durch Aufbringung von reflektierenden Beschichtungen.The previously described warm-up uses the absorbed part of the irradiation energy. The remaining one Part is reflected or penetrates transparent materials through them. As a result, a control of the preheating is possible by the Reflection values on the surface a part to be formed, for example by Application of reflective coatings.
Zur kontrollierten Führung der Bestrahlungsenergie können weiterhin Strahlenfallen verwendet werden, um die nicht absorbierte Energie kontrolliert zu erfassen und abzuführen. Dies dient in erster Linie dem Schutz der Umgebung vor zu großem Wärmeeintrag.to controlled leadership the radiation energy can Continue to use radiation traps to absorb the unabsorbed Energy controlled to capture and dissipate. This serves first Line the protection of the environment from too much heat input.
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Cited By (7)
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