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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils aus einem Blechmaterial. Die Erfindung betrifft ferner ein Umformwerkzeug welches zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist.
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Unter einem Profilbauteil wird ein aus einem Blechmaterial gebildetes Blechformteil verstanden, welches ein sich längserstreckendes und gegebenenfalls auch sich über der Längserstreckung veränderndes Querschnittsprofil aufweist. Solche Profilbauteile werden z. B. als Strukturteile in Kraftfahrzeugkarosserien verbaut.
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Die Herstellung solcher Profilbauteile erfolgt ausgehend von einem ebenen Blechmaterial z. B. mittels Roll- oder Walzprofilieren, wie z. B. in der
EP 1 527 983 A1 beschrieben. Ebenso besteht die Möglichkeit, solche Profilbauteile mit einem Tiefziehverfahren herzustellen, wie in der
DE 197 18 039 C1 dargelegt. Hierzu ist ein Werkzeugsatz mit mehreren Werkzeugen erforderlich, die verschiedene Umformoperationen und Schneideoperationen durchführen. Die Ausgangsplatine für die Formgebung ist prozessbedingt bezüglich einer ebenen Abwicklung des herzustellenden Profilbauteils überdimensioniert, weshalb nach der Formgebung ein Beschnitt erforderlich ist, wie in der
DE 197 18 039 C1 erwähnt, wobei das abgeschnittene Blechmaterial als Metallschrott anfällt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tiefziehverfahren zur Herstellung eines Profilbauteils dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine möglichst geringe Anzahl von Umformwerkzeugen notwendig ist und dass der Blechmaterialverbrauch wesentlich reduziert wird.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen dieses Verfahrens. Ferner wird gemäß dem nebengeordneten Anspruch ein Umformwerkzeug zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen. Die Lösung der Aufgabe erstreckt sich auch auf ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder Umformwerkzeug hergestelltes Profilbauteil, wobei es sich insbesondere um ein Strukturteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie handelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung eines Profilbauteils aus einem Blechmaterial. Insbesondere handelt es sich um ein eine Längserstreckung aufweisenden Profilbauteil, womit gemeint ist, dass die Bauteillänge in Längsrichtung größer als eine Bauteilbreite quer zu dieser Längsrichtung ist und bevorzugt einem Vielfachen entspricht. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen einer insbesondere ebenen, durch einen Außenrand in ihrer Form definierten Ausgangsplatine aus einem Blechmaterial, insbesondere aus einem Feinblechmaterial eines Stahl- oder Aluminiumwerkstoffs;
- – Einlegen dieser Ausgangsplatine in ein Umformwerkzeug und Schließen dieses Umformwerkzeugs, wobei ein Einspannen bzw. Festklemmen der Ausgangsplatine in wenigstens zwei Abschnitten bzw. Flächenabschnitten erfolgt, die über einen Zwischenabschnitt bzw. Flächenzwischenabschnitt zueinander beabstandeten sind;
- – zumindest teilweises Abkanten des Blechmaterials entlang der eingespannten Abschnitte, auf der jeweils vom Zwischenabschnitt abgewandeten Seite; und
- – Umformen (Streckziehen) des Zwischenabschnitts, wobei ein Nachfließen des Blechmaterials aus den eingespannten Abschnitten im Wesentlichen unterbunden ist.
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Unter einem „Abkanten” wird das Abstellen (bzw. Abwinkeln oder auch Umbiegen) eines Flächenabschnitts des Blechmaterials bezüglich eines anderen Flächenabschnitts entlang einer Biegelinie bzw. Biegekante verstanden.
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Einzelne Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können sich zeitlich überschneiden. Zudem kann das Verfahren im Einzelnen nicht näher erläuterte Zwischenschritte und/oder Teilschritte umfassen. Wenn die Formgebung des Blechmaterials beendet ist, wird das Umformwerkzeug geöffnet und das im Wesentlichen einbaufertige oder verbaufertige Profilbauteil kann entnommen werden. „Im Wesentlichen” bedeutet, dass am hergestellten Profilbauteil nachfolgend keine nennenswerten, die Profilbauteilcharakteristik verändernden Umformoperationen mehr durchgeführt werden. Nachfolgend ist auch keine Schneidoperation mehr vorgesehen (obgleich dies möglich wäre), wodurch gegenüber den heute gängigen Herstellungsverfahren Schneidwerkzeuge eingespart und der Blechmaterialverbrauch deutlich um bis zu 50% gesenkt werden kann, was sich positiv auf die Herstellungskosten auswirkt. Demzufolge handelt es sich um eine abfalllose Formgebung.
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Das Umformen des zwischen den eingespannten Abschnitten befindlichen Zwischenabschnitts, bei dem z. B. eine Freiformfläche ausgebildet wird, erfolgt in einem Streckziehvorgang, wobei ein Nachfließen des Blechmaterials aufgrund der Einspannung der Ausgangsplatine und der Abkantung des Blechmaterials außerhalb dieser Einspannung wirkungsvoll verhindert wird. Im Umformwerkzeug treten daher keine oder nur geringe Relativbewegungen zwischen dem Blechmaterial und den an der Formgebung beteiligten Werkzeugteilen bzw. deren Wirkflächen auf, so dass vorteilhaft auch beschichtete und insbesondere lackierte oder laminierte Blechmaterialien umgeformt werden können.
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Die formgebenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bevorzugt in nur einem Umformwerkzeug ausgeführt. D. h. das Profilbauteil wird in einem Umformwerkzeug (Gesamtformstufe) bevorzugt in einem Hub fertiggeformt. Gegenüber den heute gängigen Herstellungsverfahren können somit Umformwerkzeuge eingespart werden. Wegen der geringeren Investitionskosten ist die Erfindung insbesondere auch zur Ausbringung kleiner Stückzahlen geeignet. Ein Umformwerkzeug welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs. Dieses Umformwerkzeug ist in der Regel in einer Umformpresse eingebaut und umfasst mehrere axial zueinander und separat voneinander bewegbare Werkzeugteile, wie nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren noch näher ausgeführt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die eingespannten bzw. einzuspannenden und über den Zwischenabschnitt zueinander beabstandeten Abschnitte der Ausgangsplatine mit Teilflächen bzw. Profilteilflächen des herzustellenden Profilbauteils korrespondieren bzw. diesen entsprechen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die eingespannten bzw. einzuspannenden und über den Zwischenabschnitt zueinander beabstandeten Abschnitte bezüglich der Draufsicht streifenförmig sind. Die Breite und bevorzugt auch die Länge eines solchen streifenförmigen Abschnitts entsprechen der Breite und der Länge der korrespondierenden Profilteilflächen. Ein streifenförmiger Abschnitt kann jedoch in seiner Breite und/oder in seiner Länge in Teilabschnitte bzw. Teilflächenabschnitte unterteilt sein, die im Umformwerkzeug jeweils separat eingespannt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Abkanten der Ausgangsplatine entlang einer Biegekante direkt angrenzend zu einem eingespannten Abschnitt erfolgt. Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass die Biegekante gerade ist. Eine Biegekante kann ebenso einen gebogen bzw. räumlich gekrümmten und auch mehrfach gekrümmten Verlauf aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die eingespannten bzw. einzuspannenden und über den Zwischenabschnitt zueinander beabstandeten streifenförmige Abschnitte bezüglich der Draufsicht zueinander parallel sind. Ebenso ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Biegekanten entlang zweier über den Zwischenabschnitt zueinander beabstandeter, eingespannter bzw. einzuspannender Abschnitte zueinander parallel sind oder im Falle gekrümmter Biegekanten einen konstanten Abstand zueinander aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Abkantwinkel an einer Biegekante maximal 140°, bevorzugt maximal 120°, besonders bevorzugt 100° und insbesondere in etwa 90° beträgt. Der Abkantwinkel gibt den Winkel zwischen dem abgekanteten Flächenabschnitt des Blechmaterials und der Ebene des benachbarten eingespannten Abschnitts bzw. Flächenabschnitts an. Die Abkantwinkel können für verschiedene abgekantete Flächenabschnitte unterschiedlich sein. Ein Abkantwinkel kann auch einen variablen Verlauf aufweisen.
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Um das Nachfließen des Blechmaterials aus den eingespannten Abschnitten zu unterbinden, kann die Rückhaltung des Blechmaterials über die Wahl der Einspannkraft, des Abkantwinkels und/oder des Biegeradius entlang der Biegekante eingestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist eine doppelte Abkantung vorgesehen, wie nachfolgend in Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert. Hierdurch kann die Rückhaltung des Blechmaterials verbessert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass innerhalb des umgeformten Zwischenabschnitts in einer Gegenumformung wenigstens ein gegengeformter Flächenabschnitt ausgebildet wird. Auf diese Weise lassen sich mittels des für die Formgebung verwendeten Umformwerkzeugs auch so genannte Gegenformelemente ausbilden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zum Ende der Formgebung ein Formpressen erfolgt. Hierbei wird unter Aufbringung hoher Presskräfte zwischen wenigstens zwei Wirkflächen des Umformwerkzeugs eine abschließende Kalibrierung des Profilbauteils auf Maßhaltigkeit durchgeführt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in wenigstens einem Flächenabschnitt das Blechmaterial mit einer Strukturierung versehen wird. Die Strukturierung kann musterartig ausgebildet und z. B. beim Formpressen, wie zuvor beschrieben, erzeugt werden. Eine solche Strukturierung dient vorrangig zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des Profilbauteils.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Zuschnitt der Ausgangsplatine von einer Abwicklung des Profilbauteils in die Ebene abweicht. Bei der Zuschnittsbestimmung sind die Streckziehanteile zu berücksichtigen. Bevorzugt ist ferner vorgesehen, dass in die Ausgangsplatine vor dem Umformen bereits positionsgenaue Löcher und/oder Ausnehmungen eingebracht werden, was idealerweise beim Zuschneiden der Platine erfolgt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Profilbauteil in einer perspektivischen Ansicht und dessen Ausgangplatine in einer Draufsicht; und
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2 in einer Sequenz eine erfindungsgemäße Formgebung des Profilbauteils aus der 1 in mehreren schematischen Ansichten.
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1a zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Profilbauteil 20, welches aus einem Feinblechmaterial gebildet ist. Bei dem gezeigten Profilbauteil 20 handelt es sich z. B. um ein Strukturteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie.
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Das Querschnittsprofil des Profilbauteils 20 weist mehrere Profilteile auf, welche korrespondierende Profilteilflächen A bis G ausbilden. Die Teilflächen A bis G sind entlang von parallelen Biegekanten 22 bis 26 zueinander abgegrenzt. Die Teilflächen A, B und C, sowie E, F und G sind eben und streifförmig ausgebildet. In der Teilfläche G ist ergänzend ein Versteifungsformelement 28 eingebracht. Die zentrale Teilfläche D, die bezüglich der Teilflächen C und E als Zwischenabschnitt bezeichnet werden kann, ist gewölbt ausgebildet.
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Bei der in 1a gezeigten Profilform handelt es sich um eine beispielhafte Profilform. Das Querschnittsprofil ist beispielhaft über der Längserstreckung l konstant ausgebildet. Ebenso ist es möglich, ein über der Längserstreckung l veränderliches Querschnittsprofil vorzusehen. Nicht alle Profilformen lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens realisieren. Bei der konstruktiven Auslegung kann jedoch die Profilform so definiert werden, dass diese mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar ist.
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1b zeigt die Ausgangsplatine 10, aus der das in der 1a gezeigte Profilbauteil 20 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird. Die Ausgangsplatine 10 wird in einem vorgelagerten Schneidprozess aus einer Blechtafel oder einem Blechcoil ausgeschnitten und weist in dem gezeigten Beispiel eine bezüglich der Draufsicht rechteckförmige Außenkontur mit einem Außenrand 11 auf, wobei dieser Außenrand 11 nach der Formgebung gleichfalls den Außenrand des Profilbauteils 20 ausbildet. In der Regel entspricht die Form der Ausgangsplatine 10 nicht einer exakten Abwicklung des Profilbauteils 20 in der Ebene. Die während der Formgebung ausgebildeten Biegekanten 21 bis 26 sind strichliert als Biegelinien dargestellt, ferner sind die zu den Teilflächen A bis G korrespondierenden Abschnitte bzw. Flächenabschnitte der Ausgangsplatine 10 mit A' bis G' angegeben. Die Abschnitte A' bis G' sind streifförmig und zueinander parallel. Ebenso sind die Biegelinien 21 bis 26 parallel.
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Die die Profilteilflächen C und E bildenden Abschnitte C' und E' der Ausgangsplatine 10 werden während der Formgebung im Umformwerkzeug zwischen wenigstens zwei korrespondierenden Werkzeugteilen fest eingespannt. Hiernach werden die entlang der Biegelinien 22 und 25 angrenzenden Abschnitte B' und F' abgekantet und der Zwischenabschnitt D' umgeformt, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Nachfolgend wird anhand der 2 die Herstellung des Profilbauteils 20 in einer Sequenz ausgehend von der bereitgestellten Ausgangsplatine 10 erläutert. Die Formgebung erfolgt in einem Umformwerkzeug welches ein Werkzeugoberteil 110 und ein Werkzeugunterteil 120 aufweist und in einer mehrfachwirkenden Umformpresse (nicht dargestellt) eingebaut ist, die die für die Formgebung benötigte Umformkraft bereitstellt. Die komplette Formgebung erfolgt bevorzugt in einem Pressenhub.
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Nach dem exakten Einlegen der Ausgangsplatine 10 in das geöffnete Umformwerkzeug 100 wird das Umformwerkzeug 100 durch axiale Relativbewegung von Werkzeugoberteil 110 zu Werkzeugunterteil 120 geschlossen, wobei die Ausgangsplatine 10 in den Abschnitten C' und E' zwischen den miteinander korrespondierenden Klemmbacken 111a und 121a, sowie 111b und 121b eingespannt bzw. eingeklemmt wird, wie in 2a gezeigt. In dem gezeigten Beispiel werden die Abschnitt C' und E' auf gleichem Niveau eingespannt bzw. eingeklemmt, wobei dies nicht zwingend erforderlich ist. Das Schließen des Umformwerkzeugs 100 und das Einspannen der Ausgangsplatine 10 kann auch voneinander entkoppelt erfolgen. Die Einspannung bzw. die Festklemmung der Abschnitte C' und E' bleibt idealerweise während der gesamten Formgebung bestehen. Mit 131 ist ein Positionierelement für das exakte Positionieren der Ausgangsplatine 10 im Umformwerkzeug 100 bezeichnet.
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In einem Folgeschritt erfolgt das Abkanten der nach außen über die Klemmbacken 111a und 121a, sowie 111b und 121b überstehenden Flächenabschnitte der Ausgangsplatine mittels korrespondierender Abkantbacken 112a und 122a, sowie 112b und 122b. Hierbei werden idealerweise zunächst die oberen Abkantbacken 112a/112b und nachfolgend die unteren Abkantbacken 122a/122b in die gezeigte Position gebracht, wobei das Blechmaterial doppelt abgekantet wird. Die Abkantwinkel betragen beispielhaft jeweils ca. 90°, wobei auch andere Winkelkombinationen möglich sind, die sich an der gewünschten Rückhaltung (siehe hierzu die obigen Ausführungen) und/oder der Profilbauteilgeometrie orientieren. Eine Abkantung ist je nach Werkzeuggestaltung bzw. Werkzeugaufbau auch in verschiedene Richtungen möglich. Die abgekanteten Flächenabschnitte bilden die Teilflächen A und B, sowie F und G des herzustellenden Profilbauteils 20 aus. Die Abkantbacken 112b und 122b formen gleichfalls das Versteifungsformelement 28 in der Teilfläche G aus.
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In einem Folgeschritt wird nun der zwischen den eingespannten Abschnitten C' und E' befindliche Zwischenabschnitt D' mittels eines zum Oberwerkzeug 110 gehörenden Formstempels 114 umgeformt, wie in 2c gezeigt. Der Zwischenabschnitt D' nimmt im wesentlichen die Kontur der Stempelwirkfläche des Formstempels 114 an, was in einem Streckziehvorgang erfolgt, wobei ein Nachfließen des Blechmaterials aus den Abschnitten C' und E' unterbunden ist, was durch das Einspannen zwischen den Klemmbacken 111a und 121a, sowie 111b und 121b und durch das Abkanten des Blechmaterials (in diesem Fall ein doppeltes Abkanten) auf der jeweils vom Zwischenabschnitt D' abgewandeten Seite der eingespannten Abschnitte C' und E' erreicht wird. Auch die Abkantbacken 112a und 122a, sowie 112b und 122b behalten während des Umformens des Zwischenabschnitts D' idealerweise ihre gezeigte Position bei. Je nach gewünschter Geometrie des Profilbauteils 20 kann der Formstempel auch im Unterwerkzeug 120 angeordnet sein.
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Eine wesentliche Idee der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Rückhaltung des Blechmaterials während der Formgebung innerhalb der Profilbauteilgeometrie erfolgt (bisweilen erfolgt das Rückhalten in außenliegenden Flanschbereichen), wodurch Blechmaterial eingespart, aber auch das Umformwerkzeug insgesamt kleiner und leichter dimensioniert werden kann. Letzteres ermöglicht, dass in einer Presse gegebenenfalls mehrere erfindungsgemäße Umformwerkzeuge einbaubar sind.
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In einem Folgeschritt erfolgt nun die Ausbildung eines gegengeformten Flächenabschnitts bzw. Gegenformelements 30 in der Profilteilfläche D mittels eines zum Unterwerkzeug 110 gehörenden Gegenformstempels 124, wie in 2d gezeigt. Das Gegenformelement 30 ist in der 1a nicht sichtbar. Hieran anschließend kann ein Formpressen erfolgen, wobei die beiden Stempel 114 und 124 mit hoher Kraft gegeneinander gepresst werden.
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Das Umformwerkzeug 100 wird nun durch axiales Wegbewegen des Werkzeugoberteils 110 relativ zum Werkzeugunterteil 120 (oder umgekehrt) geöffnet und das fertig hergestellte Profilbauteil 20 kann entnommen werden.
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Ein Umformwerkzeug 100, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und insbesondere dessen formgebender Schritte geeignet ist, lässt sich je nach Anforderungen mit verschiedenen Werkzeugaufbauten realisieren. Die konkrete Gestaltung eines solchen Umformwerkzeugs liegt im Bereich des fachmännischen Könnens.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ausgangsplatine
- 11
- Außenrand
- 20
- Profilbauteil
- 21–26
- Biegekante(n), Biegelinie(n)
- 28
- Versteifungsformelement
- 30
- gegengeformter Flächenabschnitt, Gegenformelement
- 100
- Umformwerkzeug
- 110
- Oberwerkzeug
- 111a/b
- obere Klemmbacken
- 112a/b
- obere Abkantbacken
- 114
- Formstempel, Ziehstempel
- 120
- Unterwerkzeug
- 121a/b
- unterer Klemmbacken
- 122a/b
- untere Abkantbacken
- 124
- Gegenformstempel
- 131
- Positionierelement
- A ... G
- Profilteilflächen, Teilflächen (Profilbauteil)
- A' ... G'
- Flächenabschnitte, Abschnitte (Ausgangsplatine)
- l
- Profillängserstreckung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1527983 A1 [0003]
- DE 19718039 C1 [0003, 0003]
