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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zugdruckumformen
eines Werkstücks
mit Hilfe eines Druckübertragungsmediums.
Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Zugdruckumformen
eines Werkstücks,
bei dem das Druckübertragungsmedium
zumindest teilweise ein Material aufweist, das sich in einem magnetischen Feld
ausrichtet sowie das Anlegen eines Magnetfeldes vor oder während Zugdruckumformens.
Des Weiteren richtet sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung
zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Diese Vorrichtung weist dabei eine Einrichtung zur Ausbildung eines
magnetischen Feldes auf, wobei dieses Magnetfeld vor und/oder während des
Zugdruckumformens ausgebildet ist.
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Technisches Gebiet
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Das
Zugdruckumformen von Werkstücken mit
starren Werkzeugen ist ein übliches
Verfahren insbesondere im Automobilbau zur Herstellung von Karosseriebauteilen.
Allerdings zeigen sich gerade im Bereich, bei dem nur kleine Stückzahlen
hergestellt werden, z. B. bei der Herstellung von Prototypen oder
in Bereichen, bei denen komplizierte Werkstückgeometrien erforderlich sind,
Schwierigkeiten bei der Verwendung von starren Werkzeugen auf. So müssen bei
komplizierten Werkstückgeometrien mehrere
Arbeitsstufen durchlaufen werden, um die gewünschte Form durch das Zugdruckumformen, das
Tiefziehen, zu erreichen.
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Heutzutage
werden in Werkzeugen verschiedene Verfahren zum Zugdruckumformen
angewendet. So finden derzeit Vorrichtungen mit einem harten Stempel
ohne Wirkmedium, Pressen, die über Druckflüssigkeit
in ein Kissen oder Beutel pressen und damit den Druck aufbauen oder
aber Pressen, die ein frei verformbares Wirkmedium zwischen Stempel
und Blechteil verwenden, einen Einsatz in den verschiedenen Verfahren.
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Zur Überwindung
dieser Probleme insbesondere bei der Herstellung komplizierter Werkstückgeometrien
wurden verschiedene Vorschläge
gemacht. So wurde der Einsatz von flüssigen Wirkmedien als Druckübertragungsmedium
durch ein als Hydroforming bekanntes Verfahren im Stand der Technik
beschrieben. Durch diese flüssigen
Wirkmedien lassen sich in einem Arbeitsgang komplizierte Werkstückgeometrien
fertigen, die bei herkömmlichen
Verfahren nur in mehreren Arbeitsstufen herzustellen sind.
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In
der
DE 197 53 258
A1 werden entsprechende Verfahren zum Innenhochdruckumformen genannt.
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Den
Vorteilen, die Herstellung der komplizierten Werkstückgeometrien
in einem Arbeitsschritt zu ermöglichen,
stehen aber eine Vielzahl von Nachteilen gegenüber. So sind längere Prozesszeiten
notwendig, da der Druck im Wirkmedium stufenweise auf- und wieder
abgebaut werden muss. Außerdem sind
spezielle Anlagensysteme notwendig.
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Zur
Lösung
dieses Problems wurde bereits in der
DE 101 51 013 A1 vorgeschlagen, die flüssigen Wirkmedien
durch formlose feste Stoffe, wie z. B. metallisches oder keramisches
Schüttgut
zu ersetzen, um die entsprechenden Verformungskräfte über eine elastische Membran
auf das Blech zu übertragen.
Dabei wird zwischen dem Stempel und dem Blech eine Druckverteilungsschicht
aus einem fließfähigen Schüttgut, wie
beispielsweise Stahlkugeln, Sand oder ferromagnetisches Material,
verwendet. Um Beschädigungen
des Blechs durch das Schüttgut vorzubeugen,
ist zwischen dem Schüttgut
und dem Blech eine flexible Membran vorgesehen.
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In
diesem Dokument wird weiterhin der Einsatz von ferromagnetischem
Schüttgut
als formlos festes Wirkmedium in Verbindung mit einem elektromagnetischen
Feld, hervorgerufen z. B. durch eine Spule im Stempel, genannt.
Das Feld wird dazu genutzt, um mehrere oder alle Teile des Schüttguts aus der
Aufnahme zu entfernen, nachdem das Werkstück umgeformt wurde.
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Aus
der
DE 10 2005
036 377 A1 ist ein Verfahren bekannt, das zum Zugdruckumformen
von Werkstücken
geeignet ist. Dabei weist das Druckübertragungsmedium neben den
z. B. durch Stahlkugeln ausgebildetem Schüttgut weitere Elemente auf, die
eine konstantere Kraftverteilung erlauben sollen. Zum Beispiel sind
solche Elemente verformbare Hohlkörper, die mit einem kompressiblen
Medium gefüllt
sind.
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Nachteilig
bei diesen im Stand der Technik beschriebenen Verfahren ist nach
wie vor die lange Prozesszeit, die nicht konstante Kraftverteilung
beim Zugdruckumformen und Begrenzungen in den Ziehtiefen. Insbesondere
tritt nach wie vor eine vorzeitige Blockierung des im Druckübertragungsmedium
vorhandenen Schüttgutes
auf, was zu unnötig
hohen Reibungsverlusten führt
und zu nicht befriedrigenden Ergebnissen insbesondere in kritischen
Bereichen des Werkstücks
mit komplexen Werkstückgeometrien.
Die Krafteinleitung während
des Umformprozesses erfolgt ungleichmäßig. Es treten Verspannungen innerhalb
des Druckübertragungsmediums
auf, so dass nur noch ein Teil der Druckkraft für den eigentlichen Umformvorgang
zur Verfügung
steht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zugdruckumformen
eines Werkstücks
bereitzustellen, bei dem die oben genannten Nachteile überwunden
werden und die eine Verbesserung des Tiefziehprozesses gerade in
kritischen Bereichen erlaubt.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Vorrichtung,
wie in den Ansprüchen
definiert, durchgeführt
werden.
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Die
in den Unteransprüchen
genannten Ausführungsformen
betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zum Zugdruckumformen eines Werkstücks bereitgestellt, bei dem
eine positive Form relativ zu einer negativen Form bewegt wird und
eine der Formen ein fließfähiges Material
aufweisendes Druckübertragungsmedium
hat. Dieses fließfähige Material
aufweisende Druckübertragungsmedium
bildet bei Druckbeaufschlagung auf das Werkstück die Gegenform zu der anderen
Form aus. D. h. bei Vorhandensein des Druckübertragungsmediums in der negativen
Form bildet sich in dieser negativen Form die Gegenform zu der positiven
Form aus. Bei Vorhandensein des Druckübertragungsmediums in der positiven
Form bildet sich in dieser die Gegenform zu der negativen Form aus.
Bei Druckbeaufschlagung übt
das Druckübertragungsmedium
eine Verformungskraft auf das Werkstück aus. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet
sich dadurch aus, dass in zumindest eine der Formen eine Magnetfeld
ausbildende Einrichtung vorhanden ist und das fließfähige Material
aufweisende Druckübertragungsmedium
zumindest teilweise ein Material ist, das sich bei vorhandenem Magnetfeld
an dem durch die Einrichtung erzeugten magnetischen Feld ausrichtet.
Dieses Magnetfeld ist zumindest teilweise vor oder während des
Zugdruckumformens vorhanden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt dadurch eine Optimierung der Wirkmedienverteilung beim Zugdruckumformen
insbesondere unter Verwendung von formlos festen Wirkmedien.
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Der
Einsatz der magnetischen Komponenten im Druckübertragungsmedium erlaubt bei
vorhandenem magnetischem Feld, hervorgerufen durch einen Dauermagneten
oder einen Elektromagneten, eine Vorverteilung bzw. Vorplatzierung
von Material des Druckübertragungsmediums.
Dadurch wird der Tiefziehprozess weiter unterstützt. Insbesondere erlaubt diese
Vorverteilung bzw. Vorplatzierung der Materialien eine verbesserte
Kraftübertragung.
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Durch
den Einsatz von Magnetfeldern ist es möglich, vor dem eigentlichen
Zugdruckumformungsprozess ein Ausrichten des Wirkmediums an die
Kontur des auszuformenden Werkstücks
zu ermöglichen.
Durch diese Vorverteilung ist die Krafteinleitung in das auszuformende
Werkstück
verbessert. Dies betrifft insbesondere die kritischen Bereiche von solchen
Werkstücken,
insbesondere bei komplexen Werkstückgeometrien, wie Radien, Hinterschnitt
und ähnliches.
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Bei
Vorliegen eines permanenten Magnetfeldes ist es möglich, das
Druckübertragungsmedium
in eine definierte Anfangsform zu bringen. Dies ist insbesondere
dann sinnvoll, wenn das Druckübertragungsmedium
in der Negativform als Gegenform vorliegt.
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Durch
das Vorausrichten in eine definierte Anfangsform ist es möglich, allein
durch die Werkzeugbewegung ausgelöste Bewegungen der fließfähigen Materialien
im Druckübertragungsmedium
vorzeitige Blockaden bzw. unnötig
hohe Reibungsverluste zu verhindern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
als Druckübertragungsmedium
ein formlos festes Medium, fließfähiges Schüttgut, eine
magnetisch beeinflussbare Flüssigkeit,
Suspension oder Dispersion, z. B. Sol, Sol-Gel, eingesetzt. Insbesondere
handelt es sich bei dem fließfähigen Material
als Druckübertragungsmedium
um ein zumindest teilweise kugelförmiges, bevorzugt metallisches
Material.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist das Druckübertragungsmedium
sowohl magnetische als auch nicht-magnetische Materialien auf. Dadurch können bestimmte
Bereiche des Druckübertragungsmediums
sehr gezielt angesprochen werden, und es kann verhindert werden,
dass sich diese Bereiche bewegen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird in dem vorliegenden Verfahren als Einrichtung zur Ausbildung
eines Magnetfeldes ein Elektromagnet, wie eine Spule, oder ein Permanentmagnet
verwendet. Dieser kann sich in der positiven und/oder negativen Form
befinden. Dabei liegt mindestens ein Magnet vor, es können aber
auch mehrere Magneten in einer Form vorliegen, insbesondere dann,
wenn definierte Anfangsformen aus dem Druckübertragungsmedium vorgeformt
werden sollen. Die Einrichtung zur Ausbildung eines Magnetfelds
ist dabei bevorzugt in einer vorgegebenen Position angeordnet.
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Weiterhin
ist es möglich,
dass die Magnetkraft nicht nur zur Vororientierung des Wirkmediums dient,
sondern auch zur Unterstützung
des eigentlichen Tiefziehprozesses. Dabei können die erzeugten Magnetfelder
für eine
komplette Versteifung des Wirkmediums sorgen. Möglich ist auch eine örtlich begrenzte
Versteifung des Wirkmediums.
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In
einer Ausführungsform
ist dabei die Einrichtung zur Ausbildung des Magnetfelds so ausgebildet,
dass dieses Magnetfeld nur zeitlich begrenzt vorliegt und nur zeitlich
begrenzt auf das fließfähige Material
aufweisende Druckübertragungsmedium einwirkt.
Dieser Zeitraum kann sowohl vor als auch während des Umformungsprozesses
liegen.
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Bei
dem durch Zug umzuformenden Werkstück handelt es sich bevorzugt
um einen Metallwerkstoff, insbesondere ein Blech. Es können aber
auch andere Werkstücke,
wie nicht-magnetische Metallwerkstoffe, aber auch Kunststoffe eingesetzt
werden. Bei Verwendung von Kunststoffen kann ein Vorwärmen der
Werkzeuge oder des Werkstücks
notwendig sein, um eine entsprechende Verarbeitungstemperatur für den Kunststoff
zu erreichen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist dabei die folgenden Vorteile auf:
Gerade bei komplexeren
Werkstückgeometrien
verkürzt
sich der zum Druck-/Kraftaufbau
im Wirkmedium erforderliche Stößel-/Stempelweg.
Des Weiteren setzt der Kraftanstieg gegenüber der nicht unterstützten Wirkung
verzögert
ein, damit können
Reibungsverluste, also Kraftbeiträge, die für die Umformung nicht genutzt
werden können,
reduziert werden. Üblicherweise
wird eine Druckverteilungsschicht, die z. B. als Membran ausgebildet
ist, zwischen dem Werkstück
und dem Druckübertragungsmedium
angeordnet, um ein nicht gewolltes Zerkratzen oder eine ungleichmäßige Kraftverteilung
auf dem Werkstück
zu verringern. Diese Druckverteilungsschicht wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
weniger belastet und ist damit länger
nutzbar.
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Schließlich sind
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
größere Ziehtiefen
realisierbar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann dabei sowohl im Prototypenbau als auch in Kleinserienbau Anwendung
finden. Aber auch die Umsetzung in der Serienanwendung ist möglich.
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Das
Verfahren kann damit sowohl in blechverarbeitenden als auch in der
kunststoffverarbeitenden Industrie eingesetzt werden.
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In
einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Diese Vorrichtung zum Zugdruckumformen eines Werkstücks umfasst
in einer Ausführungsform
eine positive und eine negative Form, die relativ zueinander bewegbar
sind, wobei in einer dieser Formen ein fließfähiges Material aufweisendes
Druckübertragungsmedium
vorhanden ist, bevorzugt ein formlos festes Medium, ein fließfähiges Schüttgut, eine
magnetisch beeinflussbare Flüssigkeit,
Suspension oder Dispersion, z. B. Sol, Sol-Gel oder Gel. Dieses ist zumindest teilweise durch
ein Magnetfeld ausrichtbar. Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch
aus, dass es in zumindest eine der Formen eine ein magnetisches
Feld auszubildende Einrichtung aufweist, wobei diese Einrichtung
ein Magnetfeld während
des Umformens ausbildet.
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Bevorzugt
handelt es sich bei der ein magnetisches Feld ausbildenden Einrichtung
um einen Permanentmagneten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung dabei Stahlkugeln als fließfähiges Material
aufweisendes Druckübertragungsmedium.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Druckverteilungsschicht,
die zwischen dem Werkstück
und dem Druckübertragungsmedium
anordbar ist. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung mindestens
zwei Einrichtungen zur Ausbildung von Magnetfeldern, insbesondere
sind diese Einrichtungen zur Ausbildung von Magnetfeldern sowohl
in der positiven als auch in der negativen Form vorhanden.
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Bei
bestimmten Anwendungsgebieten ist es vorteilhaft, Einrichtungen
zum Erwärmen
von Werkzeugkomponenten und/oder des Werkstücks bereitzustellen. Eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst daher solche Einrichtungen zum Erwärmen der Werkzeugkomponenten und/oder
des Werkstücks.
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Ein
wesentlicher Vorteil bei der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist die einfache Integration der notwendigen Einrichtung in vorhandene
Umformungsmaschinen. So können
einfach Elektroeinrichtungen zum Erzeugen von elektromagnetischen
Feldern in entsprechende Apparaturen integriert werden.
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Die
Erfindung lässt
zahlreiche Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Diese
zeigen in 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung
zum Zugdruckumformen eines Werkstücks bei Beginn der Formgebung,
bei der das Druckübertragungsmedium
in der positiven Form vorliegt;
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2 eine
Seitenansicht einer Vorrichtung zum Zugdruckumformen eines Werkstücks bei
Beginn der Formgebung, wobei das Druckübertragungsmedium in vorgeformter
Ausbildung in der negativen Form vorliegt.
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer Vorrichtung 1 zum Zugdruckumformen
eine Werkstücks 2 bei
Beginn des Umformens. Die Vorrichtung 1 weist eine negative
Form 7 und eine positive Form 6 auf. Die positive
Form 6 hat ein fließfähiges Material
aufweisendes Druckübertragungsmedium 5.
Zwischen dem Druckübertragungsmedium 5 und
dem Werkstück 2 ist
eine Druckverteilungsschicht 3 in Form einer Membran angeordnet.
Des Weiteren befinden sich Magneten 4 sowohl in der negativen
als auch in der positiven Form.
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Die 2 zeigt
eine Seitenansicht einer Vorrichtung 1 zum Zugdruckumformen
eines Werkstücks 2 bei
Beginn des Umformens. Das Druckübertragungsmedium
mit fließfähigem Material 5 befindet sich
hier in der negativen Form 7. In das Druckübertragungsmedium
sind Magneten 4 eingelagert. Weitere Magneten 4 finden
sich in der positiven Form 6, die oberhalb des zu bearbeitenden
Werkstücks 2 angeordnet
ist. Das Druckübertragungsmedium
weist durch ein vorhandenes Magnetfeld eine vorgebildete Anfangsform
auf, die sich der positiven Form annähert. Im Folgenden wird das
erfindungsgemäße Verfahren
anhand der dargestellten Abbildungen beschrieben.
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Bei
einer Druckbeaufschlagung werden die positive Form 6 und
die negative Form 7 relativ zueinander bewegt. Dabei wird
das Werkstück 2 umgeformt.
Das Druckübertragungsmedium überträgt dabei
die Kraft auf das Werkstück,
gegebenenfalls über die
Druckverteilungsschicht 3. Die Druckverteilungsschicht 3, z.
B. ausgebildet als flexible anlegbare Membran, soll eine Beschädigung des
Werkstücks 2 durch
das Druckübertragungsmedium 5 während des Umformvorganges
verhindern.
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Das
Werkstück
wird aufgrund der Relativbewegung einer Verformungskraft ausgesetzt,
infolge welcher das Werkstück 2 in
die negative Form 7 gedrückt wird.
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Um
ein Verdichten des Druckübertragungsmediums
während
der Druckbeaufschlagung zu minimieren, wird vor und/oder während der
Druckbeaufschlagung durch den Magneten 4 das Magnetfeld erzeugt,
so dass sich durch ein Magnetfeld sich ausrichtende Materialien
des Druckübertragungsmediums
am Werkstück
anordnen und/oder eine Ausbildung des Druckübertragungsmediums erfolgt,
die ähnlich
der Form der positiven Form 6 ist.
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Bei
der Relativbewegung der positiven bzw. negativen Form 6, 7 bildet
das Druckübertragungsmedium
eine Gegenform zu der anderen Form aus, zwischen denen das Werkstück angeordnet
ist.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Werkstück
- 3
- Druckverteilungsschicht
- 4
- Magnet
- 5
- Druckübertragungsmedium
- 6
- positive
Form
- 7
- negative
Form