DE102007056358A1

DE102007056358A1 - Umformwerkzeug sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Umformwerkzeugs

Info

Publication number: DE102007056358A1
Application number: DE200710056358
Authority: DE
Inventors: Norbert Donath; Stephan Knoche; Andreas Erhardt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeugs ist vorgesehen, ein Blechteil zunächst zur Ausbildung einer Werkzeugform durch inkrementelle Umformung umzuformen und nachfolgend zu versteifen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Umformwerkzeugs.
Für die Herstellung von dreidimensional umgeformten Blechbauteilen (insbesondere aus metallischen Werkstoffen, jedoch auch aus Kunststoffen) sind verschiedene Verfahren bekannt.
Für die Serienherstellung von Blechbauteilen, insbesondere in großen und mittleren Stückzahlen hat sich das Tiefziehen etabliert. Dieses ist nach DIN 8584 als Zugdruckumformen eines Blechzuschnitts in einen einseitig offenen Hohlkörper oder eines vorgezogenen Hohlkörpers in einen solchen mit geringerem Querschnitt ohne gewollte Veränderung der Blechdicke definiert und lässt sich grob in drei Verfahrensarten unterteilen. Das am häufigsten angewendete Verfahren ist das Tiefziehen mit starren Umformwerkzeugen. Hierzu wird mittels einer Presse die zur Umformung benötigte Pressenkraft von einem Stempel in den Umformbereich des Blechzuschnitts eingeleitet. Mittels des Stempels wird der Umformbereich des Blechzuschnitts durch den Ziehring, der auch Matrize genannt wird, gedrückt. Ein Niederhalter soll hierbei die Bildung von Falten am Ziehteil verhindern.
Die Herstellung solcher Umformwerkzeuge für Tiefziehprozesse ist mit hohen Kosten verbunden. Dies ist insbesondere darin begründet, dass die Um formwerkzeuge zum einen sehr große Kräfte übertragen und daher sehr massiv ausgebildet sein müssen und zum anderen – da sie die Geometrie des zu fertigenden Bauteils abbilden – sehr genau gefertigt werden müssen. In der Regel kommen hierbei spanende Fertigungsverfahren zum Einsatz, wobei diese aufgrund der erforderlichen geringen Toleranzen und der häufig komplexen dreidimensionalen Freiformflächen mit erheblichen Kosten verbunden sind. Aus diesem Grund lohnt sich die Anschaffung derartiger Umformwerkzeuge und folglich eine Anwendung des Tiefziehens mit solchen Umformwerkzeugen erst ab einer großen Stückzahl der zu fertigenden Bauteile.
Ein anderes aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Herstellung von ungeformten Blechbauteilen ist die inkrementelle Umformung. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der DE 103 17 880 B3 , der DE 10 2005 006 526 A1 und der DE 102 31 430 A1 offenbart. Hierbei wird die Umformkraft abschnittsweise auf den Umformbereich aufgebracht, um stufenweise die gewünschte Form des herzustellenden Blechbauteils zu erhalten. Das Aufbringen der Umformkraft kann hierbei statisch („drückend") oder dynamisch erfolgen („hämmernd"). Optional kann vorgesehen sein, das Blechbauteil auf der Gegenseite (zu der Seite der Krafteinleitung) mittels eines Gegenhalters abzustützen. Dadurch können gegenüber einem Verfahren ohne Gegenhalter die Toleranzen verbessert und insbesondere deutlich engere Radien umgeformt werden.
Durch die inkrementelle Art der Umformung ist es im Prinzip möglich, mit einer einzelnen Vorrichtung eine große Anzahl verschiedener Geometrien für die zu fertigenden Blechbauteile zu erzeugen, ohne das hierzu wesentliche Änderungen an der Vorrichtung erforderlich wären. Als wesentlicher Nachteil stellt sich hierbei jedoch der Zeitaufwand dar, der für die abschnittsweise Umformung des Blechbauteils erforderlich ist. Dieser ist für eine Großserienfertigung inakzeptabel, so dass die inkrementelle Umformung derzeit lediglich zur Herstellung von Blechbauteilen in der Einzelteil- und Prototypenferti gung angewendet wird. Weiterhin entsprechen die durch inkrementelle Umformung hergestellten Bauteile häufig nicht den an sie gestellten Qualitätsanforderungen, insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Toleranzen sowie der erreichbaren Oberflächenqualität.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Umformwerkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Umformwerkzeugs anzugeben, das mit geringen Kosten verbunden ist. Insbesondere soll hierdurch die wirtschaftliche Herstellung von tiefgezogenen Blechbauteilen auch in geringeren Stückzahlen ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich das oben beschriebene inkrementelle Umformen zwar zur flexiblen Herstellung von ungeformten Blechbauteilen in kleinen Stückzahlen eignet, durch den enormen Zeitaufwand, der mit der inkrementellen Umformung verbunden ist, jedoch für eine wirtschaftliche Serienfertigung von Blechbauteilen in großen Stückzahlen nicht geeignet ist. Dies ist weiterhin lediglich durch ein Tiefziehen mit entsprechenden Umformwerkzeugen wirtschaftlich möglich. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, ein solches Umformwerkzeug für beispielsweise eine Tiefziehpresse herzustellen, indem zunächst ein Blechteil durch inkrementelle Umformung so umgeformt ist, dass es die Werkzeugform des Umformwerkzeugs abbildet und dieses in einem nachfolgenden Verfahrensschritt versteift wird.
Ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug umfasst folglich ein Blechteil, das die Werkzeugform des Umformwerkzeugs abbildet, und entsprechende Mittel zur Versteifung dieses Blechteils.
Unter Blech ist ein flächiges Bauteil zu verstehen, das in einer Bauteilrichtung (Stärke) erheblich geringer dimensioniert ist als in den zwei weiteren Bauteilrichtungen (Länge und Breite). Ein Blechbauteil ist ein aus zumindest einem Blech gebildetes Bauteil, wobei das Blech auch dreidimensional umgeformt sein kann. Der Begriff ,Blech' ist erfindungsgemäß nicht nur auf metallische Bleche beschränkt, sondern umfasst beliebige geeignete, d. h. insbesondere plastisch umformbare Werkstoffe.
Das erfindungsgemäß hergestellte, versteifte Blechteil kann in einer Tiefziehpresse oder einer anderen Umformvorrichtung als Umformwerkzeug verwendet werden. Da die Kosten zur Herstellung eines Umformwerkzeugs gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erheblich unter denjenigen liegen können, die mit einer Herstellung eines Umformwerkzeugs auf konventionelle Art und Weise verbunden sind, kann ein Tiefziehen mit einem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug bereits bei geringeren Stückzahlen wirtschaftlich durchgeführt werden.
Vorzugsweise kann das Blechteil zur Versteifung hinterfüttert werden. Darunter ist das möglichst großflächige Auftragen einer Verstärkungsschicht auf die Rückseite, d. h. auf die Seite des umgeformten Blechteils, die bei einem Einsatz als Umformwerkzeug nicht mit dem dann umzuformenden Blechteil in Kontakt kommt, zu verstehen.
Besonders bevorzugt kann das Blechteil zur Versteifung mit einem geeigneten Werkstoff ausgegossen werden. Hierbei kann es sich – je nach Anwendung – insbesondere um ein Metall, Kunststoff oder auch um Zement handeln.
Für den Fall, dass das Blechteil ausgegossen wird, können vorzugsweise an dessen Innenseite, dass heißt derjenigen Seite, die mit dem Gießwerkstoff in Kontakt kommt, ein oder mehrere Ankerelemente vorgesehen sein, die den Zusammenhalt zwischen dem Blechteil und der Gießschicht verbessern sol len. Grundsätzlich kommen hierfür alle geeigneten Ankerelemente in Betracht; diese können form-, kraft- und/oder stoffschlüssig (z. B. Haftvermittler) wirken. Beispielsweise können Bolzenelemente auf der Innenseite des Blechteils fixiert (z. B. angeschweißt) werden, die von dem Gießwerkstoff umgossen und dadurch form- und/oder kraftschlüssig mit diesem verbunden werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, das Blechteil auf andere Art und Weise zu versteifen. Beispielsweise kann hierfür eine Versteifung mittels eingebrachter Rippen in Betracht kommen. Diese Art der Versteifung weist gegenüber der Hinterfütterung jedoch den Nachteil auf, dass in den Bereichen, in denen die Verstärkungsrippen nicht angreifen, eine lokal geringere Steifigkeit des Blechteils erzielt wird.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Blechteil zumindest einseitig (vorzugsweise auf derjenigen Seite, die in einem Umformvorgang mit dem umzuformenden Werkstoff in Kontakt kommt) und zumindest oberflächig gehärtet werden. Auf diese Weise können unter anderem Fertigungsungenauigkeiten bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs im späteren Betrieb, die auf einer zu geringen Steifigkeit des Blechteils beruhen, vermieden werden. Zur Härtung beziehungsweise Festigkeitssteigerung kann das Blechteil beispielsweise vergütet und/oder beschichtet werden. Zur Vergütung können insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Vergütung von metallischen Werkstoffen zum Einsatz kommen.
Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, das durch inkrementelle Umformung umgeformte Blechteil, das die Werkzeugform des späteren Umformwerkzeugs abbildet, als Form zu verwenden, um das Umformwerkzeug daraufhin durch Ausgießen auszubilden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen – jeweils in schematischer Darstellung – die 1 und 2 die zwei wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs.
In 1 ist die Umformung eines Blechteils 1 aus Stahlblech mittels inkrementeller Umformung dargestellt. Hierbei ist das Blechteil 1 randseitig fest in einer Haltevorrichtung 2 eingespannt. Mittels eines ersten Bearbeitungsroboters 3, an dessen Roboterarm ein spitz zulaufendes, endseitig jedoch abgerundetes Bearbeitungswerkzeug 4 angeordnet ist, wird das Blechteil 1 abschnittsweise statisch, d. h. drückend umgeformt. Um hierbei eine unkontrollierte Deformation des Blechteils 1 zu vermeiden, kann auf der dem Bearbeitungswerkzeug 4 gegenüberliegenden Seite des Blechteils 1 ein Gegenhalterelement (nicht dargestellt) vorgesehen, das beispielsweise an einem zweiten Bearbeitungsroboter (nicht dargestellt) angeordnet sein kann. Die Bewegungen der zwei Bearbeitungsroboter können in diesem Fall in einer Weise synchronisiert sein, dass die Kontaktflächen des Bearbeitungswerkzeugs 4 und des Gegenhalterelements kontinuierlich an jeweils der gleichen Stelle des Blechteils 1 auf gegenüber liegenden Seiten angreifen.
Computergesteuert wird der Bearbeitungsroboter 3 so verfahren, dass das Blechteil 1 bis zu einem Erreichen der gestrichelt angedeuteten, abschließenden Form umgeformt wird.
In der 2 ist das fertig umgeformt Blechteil 1 aus 1 im Schnitt dargestellt. Damit dieses erfindungsgemäß als Umformwerkzeug in einem Tiefziehprozess eingesetzt werden kann, ist vorgesehen, dieses durch Ausgießen mit einem geeigneten Füllwerkstoff (hier: Zement 7) rückseitig, d. h. auf der Seite, die im späteren Tiefziehprozess nicht mit dem umzuformenden Blechteil in Verbindung kommen wird, zu verstärken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10317880 B3 [0005]
- DE 102005006526 A1 [0005]
- DE 10231430 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 8584 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blechteil (1) zunächst zur Ausbildung einer Werkzeugform durch inkrementelle Umformung umgeformt und nachfolgend versteift wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (1) zur Versteifung hinterfüttert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (1) ausgegossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Blechteil vor dem Ausgießen mindestens ein Ankerelement befestigt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil zumindest einseitig und zumindest oberflächig gehärtet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil vergütet und/oder beschichtet wird.
Umformwerkzeug mit einem die Werkzeugform ausbildenden Blechteil (1) und Mitteln zur Versteifung des Blechteils.
Umformwerkzeug gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (1) zur Versteifung hinterfüttert ist.
Umformwerkzeug gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (1) zur Versteifung ausgegossen ist.
Umformwerkzeug gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil zumindest ein Ankerelement aufweist, das umgossen wird.
Umformwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil vergütet und/oder beschichtet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blechteil (1) zunächst zur Ausbildung einer Werkzeugform durch inkrementelle Umformung umgeformt und nachfolgend zur Ausbildung des Umformwerkzeugs ausgegossen wird.