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Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug zur Herstellung eines Tiefzieh-Blechbauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Tiefzieh-Blechbauteils.
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Die Erfindung betrifft insbesondere das technische Gebiet der Herstellung von Tiefzieh-Blechbauteilen, wie sie z. B. in der Fahrzeug- und Luftfahrtindustrie zum Einsatz kommen. In diesen Bereichen bedingen Anforderungen wie geringer Energieverbrauch, Emissionsreduktion, Sicherheits- und Komfortansprüche, dass nach neuen Lösungen gesucht wird, die Bauteile leichter auszubilden.
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Die Leichtbaukonzepte verfolgen den Ansatz der Gewichtsreduktion sowohl im Bereich der Komponenten sowie der tragenden Strukturen. Studien belegen, dass eine Gewichtsreduktion von 10 % die Verbrauchs-Effizienz um ca. 6 % bis 8 % steigert. Neben der Möglichkeit, leichtere Werkstoffe zu verwenden, wird auch die Richtung verfolgt, Bauteile durch Vorsehen von Strukturierungen bei gleicher Stabilität leichter auszuführen, da durch solche Strukturierungen das Bauteil eine Versteifung erfährt.
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Als Strukturierung werden hierbei relativ geringe, örtlich begrenzte Abweichungen des Tiefziehbauteils von einer vorgegebenen Sollform verstanden, die z. B. in Form von Noppen, Sicken oder ähnlichen Vertiefungen ausgeführt sind. Als Strukturierung sei insbesondere eine Gestaltabweichung 2. Ordnung gemäß DIN 4760 verstanden. Das Vorsehen solcher Strukturierungen an Tiefziehbauteilen aus Feinblech ist grundsätzlich bekannt, z. B. bei der Herstellung von Fahrzeugbauteilen zur Bauteilverstärkung und um den jeweiligen Leichtbauanforderungen in der Fahrzeugindustrie gerecht zu werden. Das Vorsehen solcher Strukturierungen hat neben einer Gewichtsreduktion noch den Vorteil einer damit einhergehenden Ressourcenschonung bei gleichzeitiger Erhöhung der passiven Sicherheit. So hat z. B. ein 1 mm dickes Blechbauteil, das nicht strukturiert ist, dieselben Festigkeitseigenschaften wie ein 0,8 mm dickes Blech, das strukturiert ist. Solche Strukturierungen werden auch zu Verstärkungszwecken verwendet, z. B. zur Aussteifung von Beulfeldern oder zur Verstärkung von konstruktiv bedingten schwächeren Bereichen wie Öffnungen. Durch Strukturierungen von Bauteilen kann eine gezielte Beeinflussung des Crash-Verhaltens, wie z. B. das Knick- und Faltungsverhalten, geleistet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Herstellung solcher Tiefzieh-Blechbauteile einfacher und kostengünstiger zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit ein und demselben Umformwerkzeug wenigstens zwei verschiedene Umformverfahren ausgeführt werden können, nämlich ein Tiefziehverfahren sowie ein zweiter Fertigungsschritt, der zur Herstellung des Blechbauteils durchzuführen ist. Vorteilhaft kann der zweite Fertigungsschritt je nach Bedarf aus einer Reihe verschiedener Umformverfahren gewählt werden. Dies hat den Vorteil, dass mit demselben Umformwerkzeug ein größerer Teil der Herstellungsschritte des Tiefzieh-Blechbauteils durchgeführt werden kann als mit bekannten Umformwerkzeugen. Hierbei kann der zweite Fertigungsschritt zugleich beim Tiefziehen oder zeitlich nach dem Tiefziehen erfolgen.
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Das auf diese Weise hergestellte Tiefzieh-Blechbauteil kann beispielsweise ein Karosserieteil für ein Kraftfahrzeug sein. Die Erfindung kann grundsätzlich mit Blechen unterschiedlichster Materialen vorteilhaft realisiert werden, wie z. B. Aluminium oder Edelstahl. Die Erfindung kann insbesondere mit Feinblechen vorteilhaft realisiert werden. Ein Feinblech ist gemäß DIN EN 10048 ein Blech mit einer Stärke von weniger als 3mm.
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Gemäß der Erfindung ist der zweite Fertigungsschritt ein formgebender Fertigungsschritt, d. h. ein Fertigungsschritt, mit dem das Blechbauteil zumindest bereichsweise in eine gewünschte Form gebracht wird. Erfindungsgemäß ist der zweite Fertigungsschritt eine Massivumformung. Unter Massivumformung versteht man die Umformung von Rohteilen, die im Gegensatz zur klassischen zweidimensionalen Blechumformung in allen drei Raumrichtungen erfolgt und in allen drei Raumrichtungen ähnliche Abmessungen aufweist, z.B. gemäß DIN 8582. Der so genannte Umformgrad φ ist bei Massivumformverfahren charakteristischerweise im Vergleich zu zweidimensionalen Blechumformverfahren vergleichsweise groß. Vorteilhaft beträgt der Umformgrad φ des Massivumformverfahrens wenigstens 2.
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Als Verfahren der Massivumformung eignet sich vorteilhaft insbesondere das Fließpressen. Fließpressen ist ein Umformverfahren, bei dem das Umformen des Rohteils innerhalb eines formgebenden Gesenks, bestehend aus Obergesenk und Untergesenk, durch Drücken erfolgt. Beim Fließpressen wird das umzuformende Material mit derart hohem Druck beaufschlagt, dass es in eine gewünschte Form fließt. Die Anwendung des Fließpressens hat den Vorteil, dass zwischen einer Hochdruckzone, in der beim Massivumformen der höchste Druck auf das Tiefziehbauteil ausgeübt wird, und den umgebenden, nicht der Massivumformung unterworfenen Bereichen eine Übergangszone entsteht, der den hochverfestigten Bereich in der Hochdruckzone mit den umgebenden Bereichen mit der ursprünglichen Blechdicke verbindet. Durch die Übergangszone werden vorteilhaft Kerbwirkungen vermieden. Insbesondere die Kombination einer fließgepressten Hochdruckzone, einer Übergangszone und einer Ursprungszone, in der das Tiefziehbauteil in dem Zustand belassen ist, der sich nach dem Tiefziehen eingestellt hat, führt zu einer erheblichen Verbesserung der Bauteileigenschaften.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das erste Pressmittel zur Durchführung des formgebenden Fertigungsschritts ein oder mehrere Strukturierungselemente auf, durch die nach Abschluss des zweiten Fertigungsschritts einer oder mehrere bestimmte Bereiche des Blechbauteils mit einer Strukturierung versehen sind und die übrigen Bereiche im Zustand belassen sind, der sich nach dem Tiefziehen eingestellt hat. Hierdurch kann vorteilhaft das Blechbauteil mit dem Umformwerkzeug, das für das Tiefziehen verwendet wird, auch zugleich mit der eingangs erläuterten Strukturierung versehen werden, z. B. in Form von Noppen oder Sicken. Die Strukturierung hat den Vorteil, dass das Blechbauteil so produziert werden kann, dass es bei vergleichbaren Bauteileigenschaften weniger wiegt. Entsprechend ist es möglich, das Blechbauteil bei gleich bleibendem Gewicht mit einer deutlich besseren Steifigkeit, Festigkeit und Kraftperformance herzustellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird durch das Umformwerkzeug zunächst in konventioneller Weise eine Strukturierung per Streckziehvorgang im Anschluss an den Tiefziehvorgang zur Herstellung des Blechbauteils erzeugt und anschließend durch eine weitergehende Funktion des selben Umformwerkzeugs eine lokale Massivumformung, z. B. durch Fließpressen, zur Strukturierung vorgenommen. Bei konventionellen Herstellprozessen werden Strukturierungen wie z. B. eine Sickung z. B. durch lokales Streckziehen gemäß DIN 8582 erzeugt.
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Durch Herstellen der Strukturierung mittels Massivumformung erfolgt neben der durch die Änderung der Geometrie bedingten Versteifung eine zusätzliche Versteifung in Folge einer Erhöhung des Flächenträgheitsmoments.
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Durch das Erzeugen der Strukturierung durch Massivumformung werden Versetzungsbewegungen in dem Material hervorgerufen, die zu überproportionalen Werkstoffverfestigungen führen, was auch darin begründet ist, dass bei einer Massivumformung im Vergleich zur konventionellen Blechumformung überproportionale Umformgrade φ auftreten.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch Erzeugen der Strukturierung durch ein Massivumformverfahren eine deutliche Verbesserung des Verstärkungseffekts durch die Strukturierung im Vergleich zu herkömmlichen zweidimensionalen Blechumformverfahren erzielt werden kann. Wie Untersuchungen der Erfinder gezeigt haben, kann mit der Erfindung bei Verwendung im Wesentlichen gleich bleibender Fertigungstechnologie eine bis zu zehnprozentige Verbesserung des Verstärkungseffekts der Strukturierung erzielt werden.
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Das Tiefziehbauteil kann neben den durch Massivumformung mit der Strukturierung versehenen Bereichen und den belassenen Bereichen auch konventionell, d.h. ohne Massivumformung, hergestellte strukturierte Bereiche aufweisen, z. B. mit Sicken oder Noppen, die je nach Anwendungsfall vorgesehen werden. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Vielzahl von Bauteilen die Bauteileigenschaften bei Beibehaltung der äußeren Ankonstruktion deutlich verbessert werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht das Feinblech aus einem metastabilem austenitischem Stahlmaterial, insbesondere aus Edelstahl oder einem Restaustenitstahl. Dies hat den Vorteil, dass durch das Einbringen der Strukturierung mittels Massivumformung ein zusätzlicher Verstärkungseffekt des Tiefziehbauteils erzielt werden kann, der daraus resultiert, dass infolge der durch die Massivumformung hervorgerufenen lokalen Verformung des Blechmaterials eine Umwandlung von Austenit in α'-Martensit erfolgt. Die in α'-Martensit umgewandelten Bereiche zeigen eine zusätzlich erhöhte Festigkeit gegenüber Bereichen, in denen keine Umwandlung erfolgt ist. Weitere Vorteile sind neben einer ausgezeichneten Oberflächenqualität die gute Umformbarkeit des Blechmaterials, die hervorragende Crash-Performance aufgrund der hohen Duktilität des Materials sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine damit einhergehende Reduzierung von Wartungs- bzw. Reparaturkosten. Ein geeignetes Stahlblechmaterial ist z. B. ein Edelstahl wie der EN 1.4301.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Strukturierung in Form einer Mehrzahl von Noppen, Sicken oder ähnliche Vertiefungen gebildet. Vorteilhaft ist insbesondere die Ausbildung der Strukturierungen in Form von rotationssymmetrischen Vertiefungen. Diese haben im Vergleich zu länglichen Sicken einen deutlichen Kostenvorteil bei der Herstellung der erforderlichen Werkzeugelemente. Die rotationssymmetrischen Vertiefungen können nämlich wesentlich kostengünstiger durch rotationssymmetrische Drehteile erzeugt werden, während für die Erzeugung länglicher Sicken entsprechende längliche Werkzeugelemente durch einen teureren Fräsvorgang hergestellt werden müssen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist als dritter Fertigungsschritt ein Fügeschritt zur Verbindung des Tiefzieh-Blechbauteils mit einem zweiten Bauteil vorgesehen. Es kann somit das Umformwerkzeug auch für die Durchführung eines Fügeschritts verwendet werden. Als Fügeschritt eignet sich insbesondere die Clinch-Technologie. So kann mittels der Erfindung beispielsweise die Herstellung von Federdomen für Kraftfahrzeuge vereinfacht und kostengünstiger gestaltet werden. Hierbei besteht insbesondere die Notwendigkeit, den als Tiefziehbauteil hergestellten Dom mit einem innen angeordneten Verstärkungsblech zu versehen, das z. B. mittels Clinch-Technologie mit dem Tiefziehbauteil verbunden wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Umformwerkzeug wenigstens ein zweites Pressmittel zur Durchführung wenigstens eines dritten Fertigungsschritts auf. Hierbei ist der dritte Fertigungsschritt ein Fügeschritt der zuvor erläuterten Art. Dies hat den Vorteil, dass das Umformwerkzeug noch multifunktionaler ausgebildet ist und die Durchführung von insgesamt drei Fertigungsschritten bei der Herstellung eines Tiefzieh-Blechbauteils erlaubt, nämlich das eigentliche Tiefziehen, die Massivumformung und den Fügeschritt.
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Gemäß der Erfindung weist der Ziehstempel und die Ziehmatrize das erste Pressmittel in Form von als Stempel wirkenden Erhebungen auf der einen Seite und als Matrize wirkenden Vertiefungen auf der anderen Seite auf. Zwischen den einander zugewandeten Stirnflächen der Erhebungen und der Vertiefungen ist eine Hochdruckzone gebildet. Hierbei kann eine Erhebung insbesondere als Fließpressstempel und eine Vertiefung als Fließpressmatrize ausgebildet sein.
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Gemäß der Erfindung liegt der Abstand zwischen den Erhebungen und den zugeordneten Vertiefungen nach Abschluss des zweiten Fertigungsschritts im Bereich von 30 % bis 70 % der ursprünglichen Stärke des Blech-Rohlings. Untersuchungen haben ergeben, dass in diesem Bereich das beste Verhältnis zwischen Verstärkungseffekt durch die Strukturierung und der mit der Materialstärkenverringerung infolge der Strukturierung einhergehenden Materialschwächung erzielt werden kann. Vorteilhaft wird die verbleibende Materialstärke in den strukturierten Bereichen je nach verwendetem Blechmaterial festgelegt. So wird vorteilhaft bei Material mit geringerer Eigenfestigkeit, wie z. B. Aluminium, die verbleibende Materialstärke eher im Bereich von 70 % gewählt, während bei hochfesten Edelstahlmaterialien auch eine geringere verbleibende Materialstärke zu optimalen Ergebnissen führt.
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Die Realisierung des ersten Pressmittels und/oder des zweiten Pressmittels an dem Umformwerkzeug kann z. B. derart erfolgen, dass das jeweilige Pressmittel einstückig mit dem Ziehstempel bzw. der Ziehmatrize ausgeführt ist, d. h. der Ziehstempel bzw. die Ziehmatrize das jeweilige Pressmittel starr als Monoblock aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das ersten und/oder das zweite Pressmittel wenigstens ein separates wechselbares Werkzeug auf, das in den Ziehstempel und/oder die Ziehmatrize einsetzbar ist. Dies erlaubt eine größere Flexibilität bei der Herstellung des Tiefzieh-Blechbauteils, da die Pressmittel austauschbar sind und in Form von unterschiedlichen Werkzeugeinsätzen je nach Anwendungsfall in dem Umformwerkzeug angeordnet werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Pressmittel als separates wechselbares Werkzeug aus einem spezifisch für den Einsatzzweck ausgewählten Material hergestellt sein kann, das z. B. ein anderes Material ist als der Ziehstempel bzw. die Ziehmatrize. So werden für das Tiefziehen verwendete Ziehstempel und Ziehmatrizen häufig aus einfachen kostengünstigen Metallen hergestellt, z. B. Graubus, während es für das Pressmittel in Folge der dabei auftretenden lokal wesentlich höheren Kräfte erforderlich sein kann, festere Materialen zu verwenden, wie z. B. hoch legierte Werkzeugstiele oder Hartmetall. Zudem ist es einfacher möglich, z. B. Werkzeugbeschichtungen an den Pressmitteln vorzusehen, wie z. B. DLC (Diamond like carbon) oder TiCN für Edelstahl. Zusätzlich kann eine Beschichtung aus MoST für schmierstofffreie Anwendungen vorgesehen werden.
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Vorteilhaft ist insbesondere die Ausbildung der Strukturierung in Form von rotationssymmetrischen Vertiefungen. Diese haben im Vergleich zu länglichen Sicken einen deutlichen Kostenvorteil bei der Herstellung der erforderlichen Werkzeugelemente. Die rotationssymmetrischen Vertiefungen können nämlich wesentlich kostengünstiger durch rotationssymmetrische Drehteile erzeugt werden, während für die Erzeugung länglicher Sicken entsprechende längliche Werkzeugelemente durch den teureren Fräsvorgang hergestellt werden müssen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das separate wechselbare Werkzeug wenigstens in Richtung der Relativbewegung, die beim Tiefziehen zwischen dem Ziehstempel und der Ziehmatrize auftritt, vor und zurück verschiebbar. Die Verschiebung kann insbesondere automatisch durch ein Aktuator erzeugt werden, der an dem Umformwerkzeug oder in der Nähe des Umformwerkzeugs angeordnet ist. Der Aktuator kann z. B. ein Blechhalterstößel, ein Ziehkissen, ein Hydraulikantrieb oder ein Elektroantrieb sein.
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Die benötigte Kraft für den zweiten Fertigungsschritt, insbesondere die Massivumformung, kann auch dynamisch veränderlich aufgebracht werden, z. B. durch zeitlich veränderliche Betätigung des zuvor erwähnten Aktuators. So kann z. B. der Aktuator eine Taumeleinrichtung aufweisen oder mit einer Taumeleinrichtung versehen werden. Durch das Taumeln reduziert sich die aktuell wirksame Umformfläche mit der Folge, dass die zu erstellenden Strukturierungen inkrementell erzeugt werden. Durch die inkrementelle Arbeitsweise reduziert sich die erforderliche aufzubringende Kraft im Prinzip umgekehrt proportional zur Größe der Inkremente. Möglich ist auch eine Überlagerung einer statischen durch den Aktuator vorgegebenen Kraft mit dynamischen Prozesskräften, d. h. Schwingungen. Die Schwindungserzeugung kann z. B. auf wirksame und kostengünstige Weise nach dem Prinzip des Bohrhammers erfolgen. Hierbei werden Schwingungen in Form von Druckschlägen mechanisch erzeugt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Strukturierungswerkzeug wenigstens eine Kühleinrichtung auf, z. B. in Form von Kühlflüssigkeitsdurchgängen, durch die ein Kühlfluid wie z.B. Stickstoff oder Kohlendioxid-Gas geleitet wird, oder in Form von Peltier-Elementen oder Vortex-Tubes.
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Durch die Kühleinrichtung kann das Tiefziehbauteil zumindest in den mit der Strukturierung zu versehenden Bereichen beim Herstellen der Strukturierung gekühlt werden. Hierdurch kann die beim Massivumformprozess entstehende Umformwärme kompensiert werden. So kann beispielsweise das Umformwerkzeug, das für die Massivumformung verwendet wird, mit einer Kühleinrichtung versehen sein. Die Kühlung hat den Vorteil, dass der Umwandlungsprozess von Austenit in Martensit weiter gefördert wird. Es wurde nämlich festgestellt, dass bei zu großem Wärmeeinfluss, etwa ab 80° C, die Martensitbildung verschlechtert wird. Vorteilhaft erfolgt daher bei dem Verfahren zur Herstellung des Tiefziehbauteils eine Kühlung zumindest in den mit der Strukturierung versehenen Bereichen beim Herstellen der Strukturierung. Die Kühlung kann beispielsweise auf Raumtemperatur durchgeführt werden. Weitere Verbesserungen können erreicht werden, wenn die Kühlung auf minus 5° C oder darunter erfolgt. Noch weitere Verbesserungen können beispielsweise bei einer Kühlung auf minus 20° C oder darunter erzielt werden. Hierdurch kann die Martensitbildung weiter gefördert werden, was wiederum den Verstärkungseffekt durch die Strukturierung verbessert.
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Gemäß der Erfindung weist der Ziehstempel und/oder die Ziehmatrize im Bereich des ersten Pressmittels wenigstens eine Reservoirzone auf, in welche das bei der Massivumformung von dem ersten Pressmittel beaufschlagte Material des Blechbauteils pressbar ist. Mittels der Reservoirzone können vorteilhaft die oben genannten Übergangszonen hergestellt werden. Zusätzlich kann durch entsprechende Formgebung der Reservoirzone eine gewünschte Formgebung der Strukturierung erzielt werden, z. B. eine mehr oder weniger starke Wölbung einer Noppe oder Sicke.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die einander zugewandten Stirnflächen der Erhebungen und/oder der zugeordneten Vertiefungen in dem Strukturierungswerkzeug im Bereich der Hochdruckzone wenigstens eine Schräge auf. Durch die Schräge kann eine Art Keil an den Stirnflächen gebildet werden, was den Vorteil hat, dass die erforderlichen Kräfte beim Einsatz des Strukturierungswerkzeugs in dem Massivumformschritt verringert werden können. Insbesondere können die Kräfte damit in Größenordnungen abgesenkt werden, die mit üblichen in der Industrie verfügbaren Maschinen erzeugt werden können, so dass das Strukturierungswerkzeug besonders serienfertigungsfreundlich ausgebildet ist.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Tiefzieh-Blechbauteils mit einem Umformwerkzeug der zuvor beschriebenen Art weist folgende Schritte auf:
- a) Tiefziehen eines Blech-Rohlings in einer Tiefziehmaschine mittels des Umformwerkzeugs,
- b) Durchführen wenigstens eines eine Massivumformung umfassenden zweiten Fertigungsschritts an dem hierdurch entstandenen Tiefziehbauteil in der Tiefziehmaschine mittels desselben Umformwerkzeugs.
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Hierdurch kann ein Tiefzieh-Blechbauteil mit den eingangs genannten Vorteilen auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden.
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Ein weiterer Vorteil ist zudem, dass in dem Fall, dass mehrere Strukturierungen, z. B. in Form von Sicken, erzeugt werden sollen, die hierfür erforderliche Gesamtpresskraft reduziert werden kann, wenn die genannten beweglichen Werkzeugelemente zur Strukturierungserzeugung verwendet werden. Vorteilhaft können die einzelnen Strukturierungselemente bei geschlossenem Umformwerkzeug nacheinander eingebracht werden, indem verschiedene Aktuatoren für mehrere Werkzeuge vorgesehen sind, die nacheinander betätigt werden. Auf diese Weise werden die einzelnen Strukturierungselemente nacheinander erzeugt, so dass die maximal erforderliche Presskraft geringer ausfällt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 - den grundsätzlichen Ablauf beim Herstellen eines Tiefzieh-Blechbauteils und
- 2 - beispielhafte Ausführungsform von Strukturierungen eines Tiefzieh-Blechbauteils und
- 3 und 4 - Detailansichten möglicher Strukturierungen und
- 5 - eine zweidimensionale Blechumformung gemäß dem Stand der Technik und
- 6 - die Herstellung einer Strukturierung mittels Massivumforung und
- 7 - die Herstellung einer Strukturierung mittels eines Monoblock-Werkzeugs und
- 8 - die Herstellung einer Strukturierung mittels eines wechselbaren Werkzeugeinsatzes und
- 9 - die Herstellung einer Strukturierung mittels eines beweglichen Werkzeugeinsatzes und
- 10 - die Herstellung einer Clinch-Verbindung.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt den an sich bekannten Vorgang bei der Herstellung eines Tiefzieh-Blechbauteils 1 aus Feinblech. Ein aus Feinblech bestehender Rohling 2, z. B. in Form eines ebenen plattenförmigen Blechs, wird in ein Umformwerkzeug eingelegt. -Das Umformwerkzeug weist eine Ziehmatrize 4 und einen darüber angeordneten Ziehstempel 3 auf. Der Ziehstempel 3 ist umgeben von einem Niederhalter 5. Der Blechrohling 2 wird zunächst auf die Ziehmatrize 4 aufgelegt und mit dem Niederhalter 5 fixiert. Sodann wird der Ziehstempel 3 mit einer Kraft Fo gegen den Blechrohling 2 gedrückt. Der Ziehstempel 3 zieht das Material des Blechrohlings 2 in die Ziehmatrize 4, die dabei eine Gegenkraft FU ausübt, hinein. Hierdurch entsteht das in 1 unten abgebildete Tiefzieh-Blechbauteil 1 mit einem Tiefzieh-Bereich 7, der die gewünschte Sollform angenommen hat.
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Die 2 zeigt zwei Beispiele für mit einer Strukturierung 6 versehene Tiefzieh-Blechbauteile 1. Im links dargestellten Beispiel weist das Tiefzieh-Blechbauteil 1 ein einzelnes Strukturierungselement 6 auf. Im rechts dargestellten Bauteil weist das Tiefzieh-Blechbauteil 1 zwei Gruppen von Mehrfach-Strukturierungselementen 6 auf, z. B. in Form einer Mehrzahl von Noppen, Sicken oder anderen ähnlichen Vertiefungen.
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Die 3 und 4 zeigen zwei grundsätzliche Prinzipien für die Ausbildung der Strukturierung. Gemäß 3 weist die Strukturierung 6 eine zur Unterseite des Tiefzieh-Blechbauteils 1 hin ausgebuchtete Vertiefung 30 auf, wie im mittleren Bereich zwischen den 3 und 4 vergrößert dargestellt ist. Gemäß 4 weist die Strukturierung 6 eine nach oben hin ausgebuchtete Vertiefung 31 auf, wie ebenfalls in der Mitte vergrößert dargestellt ist. Die Strukturierung 6 kann auch aus einer Kombination der dargestellten Vertiefungen 30, 31 bestehen.
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Bei der 3 ist vorgesehen, dass die nach unten hin ausgebuchtete Vertiefung 30 durch ein Strukturierungswerkzeug erzeugt wird, das ein Oberwerkzeug 35 und ein Unterwerkzeug 36 aufweist. Das Oberwerkzeug weist dabei die für die Ausbildung der Vertiefung 30 erforderliche Erhebung auf. Das Unterwerkzeug 36 weist die erforderliche Vertiefung 30 auf, die hinsichtlich Ihrer Form an die zugeordnete Erhebung angepasst ist.
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Bei der 4 ist vorgesehen, dass das anhand der 1 beschriebene Umformwerkzeug, das für den Tiefziehvorgang verwendet wird, zugleich auch das erforderliche erste Pressmittel 56, 57 aufweist, mit dem die Strukturierung 6 hergestellt wird. Hierbei ist die für die Ausbildung der Vertiefung 31 erforderliche Erhebung, die einen Teil des ersten Pressmittels 56, 57 darstellt, integral in der Ziehmatrize 4 vorgesehen. Die erforderliche Vertiefung, die einen weiteren Teil des ersten Pressmittels 56, 57 darstellt, ist integral in dem Ziehstempel 3 vorgesehen.
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Die 5 zeigt die Herstellung einer Strukturierung gemäß dem Stand der Technik. Hierbei werden Vertiefungen z. B. durch Streckziehen erzeugt. Charakteristisch für die Umformtechniken nach dem Stand der Technik ist, dass eine zweidimensionale Umformung erfolgt, d. h. die Blechdicke bleibt im Wesentlichen erhalten. Es liegen somit nur geringe Umformgrade vor. In der 5 ist das Tiefzieh-Blechbauteil 1 ausschnittsweise dargestellt, und zwar zwischen einem Oberwerkzeug 40 und einem Unterwerkzeug 41 eines Streckziehwerkzeugs. Wie erkennbar ist, weist das Tiefzieh-Blechbauteil 1 im Bereich einer Vertiefung 42 die gleiche Blechdicke A auf wie in den benachbarten, nicht durch Streckziehen verformten Bereichen des Tiefzieh-Blechbauteils 1.
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Die 6 zeigt dagegen die Herstellung der Strukturierung mittels Fließpressen. Das wie in 5 ausschnittsweise dargestellte Tiefzieh-Blechbauteil 1 befindet sich zwischen einem Oberwerkzeug 50 und einem Unterwerkzeug 51 eines Strukturierungswerkzeugs, das als Fließpresswerkzeug ausgebildet ist. Die 6 zeigt dabei den Endzustand nach Durchführen des Fließpressens, in dem als Strukturierung eine Vertiefung 52 erzeugt wurde. Im dargestellten Beispiel weist das Oberwerkzeug eine als Stempel wirkende Erhebung 56 auf. Das Unterwerkzeug 51 weist eine als Matrize wirkende Vertiefung 57 auf. Zwischen der Erhebung 56 und der Vertiefung 57 wird zwischen den einander gegenüber liegenden Stirnflächen der Erhebung 56 und der Vertiefung 57 eine Hochdruckzone 54 gebildet, in der das Material des Tiefzieh-Blechbauteils beim Fließpressen mit dem beim Fließpressvorgang auftretenden maximalen Druck beaufschlagt wird. Durch diese Druckbeaufschlagung in der Hochdruckzone 54 fließt das Material aus der Hochdruckzone 54 in benachbarte Zonen, die als Reservoirzonen 53 ausgebildet sind. Die Reservoirzonen 53 sind derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen dem Oberwerkzeug 50 und dem Unterwerkzeug 51 zumindest stellenweise größer ist als die ursprüngliche Blechdicke A, so dass das Material aus der Hochdruckzone 54 ausreichend Raum hat, diese zu verlassen und in die Reservoirzonen 53 zu fließen. Wie erkennbar ist, weist das Tiefzieh-Blechbauteil 1 nach dem Fließpressvorgang in der Hochdruckzone 54 eine Materialdicke B auf, die geringer ist als die ursprüngliche Dicke des Feinblechs A. In der Reservoirzone 53 weist das Tiefzieh-Blechbauteil 1 eine Materialstärke C auf, die größer ist als die ursprüngliche Dicke A des Feinblechs.
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Die beim Fließpressvorgang aufzubringenden Kräfte liegen z.B. bei 75 kN pro Hochdruckzone oder darüber.
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In der 6 ist zusätzlich ein oval umrandeter Bereich der Hochdruckzone 54 in Form einer Ausschnittsvergrößerung 55 vergrößert dargestellt. Anhand der Ausschnittsvergrößerung 55 wird eine vorteilhafte Weiterbildung des Strukturierungswerkzeugs dargestellt, bei dem die Erhebung 56 mit einer schrägen Stirnfläche versehen ist. Die Stirnfläche der Erhebung 56 weist eine Schräge 58 mit einem Winkel α auf. Zusätzlich ist die Vertiefung 57 im Bereich der Hochdruckzone 54 mit einer schrägen Stirnfläche versehen. Diese Schräge 58 weist einen Winkel β auf. Hierdurch werden konusförmige Stirnflächen der Erhebung 56 bzw. der Vertiefung 57 gebildet. Die Winkel α, β weisen vorteilhaft den gleichen Wert auf, z. B. 7 Grad.
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Die 7 zeigt die Herstellung der Strukturierung 6 in der anhand der 4 bereits beschriebenen Art, jedoch in vergrößerter Darstellung. Hierbei ist das erste Pressmittel mit der Erhebung und der Vertiefung integral, d. h. nach der Art eines Monoblocks, mit der Ziehmatrize 4 und dem Ziehstempel 3 ausgebildet.
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Die 8 zeigt eine Ausführungsform, bei der in dem Ziehstempel 3 und in der Ziehmatrize 4 jeweils separate Werkzeugeinsätze 80, 81 angeordnet sind, die wechselbar ausgebildet sein können. Über die Werkzeugeinsätze 80, 81 wird die Strukturierung 6 erzeugt. Hierbei weist der in dem Ziehstempel 3 angeordnete Werkzeugeinsatz 80 die Vertiefung 57 auf. Der in der Ziehmatrize 4 angeordnete Werkzeugeinsatz 81 weist die Vertiefung 57 auf.
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Die 9 zeigt eine Ausführungsform mit einem beweglichen Werkzeugeinsatz 90 in der Ziehmatrize 4. In dem Ziehstempel 3 ist der bereits zuvor erläuterte wechselbare Werkzeugeinsatz 80 angeordnet. Der bewegliche Werkzeugeinsatz 90 ist in Längsrichtung vor und zurück verschiebbar. Für die Verschiebung des Werkzeugeinsatzes 90 ist ein Aktuator 91 vorgesehen, der mit dem Werkzeugeinsatz 90 verbunden ist. Alternativ kann der bewegliche Werkzeugeinsatz 90 auch in dem Ziehstempel 3 angeordnet werden. Der Werkzeugeinsatz 80 wird dann in der Ziehmatrize 4 angeordnet.
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Die 10 zeigt die Durchführung eines Fügeschritts mit dem Umformwerkzeug, das auch für den Tiefziehvorgang verwendet wird. Erkennbar ist wiederum ein Ausschnitt des Ziehstempels 3, in dem in diesem Fall ein Werkzeugeinsatz 102 angeordnet ist. In der ebenfalls ausschnittsweise dargestellten Ziehmatrize 4 ist ein Werkzeugeinsatz 101 angeordnet. Der Werkzeugeinsatz 101 kann, analog zu den Ausführungsformen der 8 oder 9, beweglich oder unbeweglich ausgestaltet sein. Zwischen dem Werkzeugeinsatz 101 und dem Werkzeugeinsatz 102 befindet sich das ausschnittsweise dargestellte Tiefzieh-Blechbauteil 1 sowie ein zweites Bauteil 100, das mit dem Tiefzieh-Blechbauteil 1 durch Clinchen verbunden werden soll. Das zweite Bauteil 100 weist hierfür einen Fortsatz 103 auf, der sich durch eine entsprechende Öffnung des Tiefzieh-Blechbauteils 1 hindurch erstreckt. Der Fortsatz 103 wird bei dem Fügeschritt, d. h. beim Verclinchen, durch eine entsprechende Vertiefung 104 in dem Werkzeugeinsatz 102 pilzartig verformt, so dass die erwünschte Klinschverbindung zwischen dem Tiefzieh-Blechbauteil 1 und dem zweiten Bauteil 100 entsteht.
