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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks, vorzugsweise eines Blechs, wobei insbesondere zur Anwendung im Karosseriebau das Werkstück zur Erzeugung tief durchgestellter Kanten, Flansche oder dgl. zwischen einem Formstempel und einer Matrize über mindestens eine Ziehstufe verformt wird und beim Durchstellen der Kanten/Flansche erhebliche Dehnungen und Stauchungen erfährt.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.
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Grundsätzlich geht es hier um das Verformen von Werkstücken, insbesondere um das Tiefziehen von Blechen.
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Vor allem im Karosseriebau kommen Bauteile zum Einsatz, die Bereiche mit besonders tief durchgestellten Kanten bzw. Flanschen aufweisen. Lediglich beispielhaft sei dazu verwiesen auf Pkw-Heckklappen und die dort vorgesehenen Scheinwerferöffnungen mit tief durchgestellten Flanschen. Es gibt beliebige andere Bauteile, bei denen entsprechend tief durchgestellte Flansche auszubilden sind. Lediglich beispielhaft sei hier auf den Karosseriebau und die dort zu verarbeitenden Bauteile verwiesen.
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Bei der Herstellung von Blechteilen mit tief durchgestellten Flanschen treten besondere Probleme auf. Dazu folgendes:
Beim Durchstellen des jeweiligen Flansches treten große Dehnungen und Stauchungen auf. Daher wird der Flanschbereich bereits in der ersten Umformoperation (OP20) so tief wie möglich ausgeformt. Man spricht hier vom Anziehen des Flansches. Die dabei erzielbare Bordhöhe ist aufgrund von Ausdünnungen und Reißern im Material begrenzt.
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Anschließend erfolgt üblicherweise eine Schneidoperation (OP30), um nämlich den Beschnitt innerhalb der Bordkontur vorzunehmen. Danach wird in einer weiterreichenden Umformoperation (OP40) der Flansch durch Nachformen durchgestellt und dabei fertig geformt. Je nach Krümmung der Flanschkontur wird das Flanschmaterial gedehnt und/oder gestaucht. Je länger der Flansch ausgebildet ist und je kleiner der Durchstellradius ist, desto stärker sind Dehnungen/Stauchungen.
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Eine zu große Dehnung im Flanschbereich überschreitet in OP40 das Restdehnvermögen, das das Material nach dem Anziehen (OP20) des Flansches noch aushalten kann. In diesem Falle kommt es zum Reißen des Flansches oder zumindest zur Ausbildung von Oberflächenfehlern, die sich regelmäßig auf der Sichtfläche des jeweiligen Bauteils abzeichnen.
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Wird das Blech im Flanschbereich zu sehr gestaucht, entsteht ein Ausknicken des Materials in Form von Welligkeiten im Flanschbereich. Zusätzlich verursachen die so induzierten Druckspannungen ein verstärktes Rückfederungsverhalten, wodurch sich eine wesentlich schlechtere Formhaltigkeit des Flansches ergibt.
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Im Lichte der voranstehenden Ausführungen ist es bislang erforderlich gewesen, die Flanschlänge am Bauteil so weit wie möglich zu reduzieren, um nämlich die Herstellbarkeit des Bauteils bzw. des Flansches zu gewährleisten.
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In 1 sind die zuvor genannten Fertigungsschritte am Beispiel eines Blechteils angedeutet, wonach das Blech gemäß OP20 auf maximale Tiefe angezogen und zum Beschneiden ausgelegt wird. Gemäß OP30 wird beschnitten. Gemäß OP40 wird abgekantet bzw. durchgestellt.
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An dieser Stelle sei noch einmal darauf hingewiesen, dass bei der Flanschdurchstellung Dehn- und Stauchbereiche entstehen. Das Blechmaterial wird beim Durchstellen des Flansches gedehnt, wobei bei zu großer Dehnung Reißer entstehen, nämlich durch ungenügendes Restdehnungsvermögen. Folglich müssen Anziehtiefe und entsprechend die Flanschlänge reduziert werden, nämlich so lange, bis das Restdehnvermögen für OP40 ausreicht.
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Bei der Flanschdurchstellung entstehen ebenso Stauchungen, wodurch ein welliger Flansch oder ein Fertigteil mit erhöhtem Rückfederungsverhalten entsteht. Auch hier galt es bislang die Flanschlänge zu reduzieren, um nämlich Spannungen bzw. Welligkeiten zu reduzieren oder gar zu eliminieren.
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Im Lichte der voranstehenden Ausführungen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, sowohl ein Verfahren als auch eine Vorrichtung zum Umformen eines Werkstücks anzugeben, wonach sich insbesondere Bauteile für den Karosseriebau herstellen lassen. In einem erfindungsgemäßen Verfahren und unter Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll es möglich sein, Bereiche mit besonders tief durchgestellten Flanschen mühelos und in einwandfreier Qualität zu fertigen. Es sollen erhebliche Ziehtiefen realisierbar sein.
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Voranstehende Aufgabe ist in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück vorzugsweise durch einen vorlaufenden Matrizeneinsatz über eine zusätzliche Ziehstufe gezogen bzw. gedehnt und vorgespannt wird, wobei durch die zusätzliche Ziehstufe ein Materialvorrat definiert wird und wobei die vollständige Ausprägung durch die Matrize im Bereich des vorgespannten Werkstücks räumlich vor der zusätzlichen Ziehstufe erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 gekennzeichnet, nämlich dadurch, dass die Matrize einen vorlaufenden Matrizeneinsatz umfasst, durch den das Werkstück über eine zusätzliche Ziehstufe ziehbar bzw. dehnbar und vorspannbar ist, wobei durch die zusätzliche Ziehstufe ein Materialvorrat definierbar ist und wobei die vollständige Ausprägung durch die Matrize im Bereich des vorgespannten Werkstücks räumlich vor der zusätzlichen Ziehstufe erfolgt.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass sich die im Stand der Technik auftretenden Probleme durch Vorkehrung einer Art Materialvorrat beheben lassen. Genauer gesagt wird in OP20 eine zusätzliche Ziehstufe erzeugt, und zwar unter Verwendung eines vorlaufenden Matrizeneinsatzes. In raffinierter Weise wird der Abfallbereich des Ziehteils gedehnt bzw. vorgespannt, so dass durch die zusätzliche Ziehstufe ein Materialvorrat definiert wird, der bei vollständiger Ausprägung durch die Matrize beim Ausformen der Teilform durch die Matrize freigegeben wird. Durch diese Maßnahme ist eine deutlich größere Anziehtiefe realisierbar, als dies bislang im Stand der Technik möglich war. Dabei kommt der zusätzlichen Ziehstufe und der so erzeugten Materialbevorratung eine ganz besondere Bedeutung zu.
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Wie bereits zuvor erwähnt, liegt die zusätzliche Ziehstufe in ganz besonders vorteilhafter Weise in einem Abfallbereich des Werkstücks, wobei der diesbezügliche Abfallbereich in der zusätzlichen Ziehstufe verformt bzw. gedehnt wird. Zur Materialfreigabe wird der Matrizeneinsatz verdrängt.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass das bevorratete Material vor oder während der vollständigen Ausprägung freigegeben wird. Eine sukzessive Freigabe während der vollständigen Ausprägung ist denkbar.
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In ganz besonders vorteilhafter Weise lässt sich der Materialvorrat einstellen, nämlich durch Einstellen/Verstellen des Vorlaufs des Matrizeneinsatzes gegenüber der Matrize. Hier können mechanische Mittel zur Anwendung kommen.
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In weiter vorteilhafter Weise erfolgt nach der ersten Umformoperation gemäß OP20 eine Schneidoperation (OP30), der wiederum ein Endformen (OP40) durch Abkanten und Durchstellen folgt. Beliebige weitere Details im Verfahrensablauf sind realisierbar, und zwar unter Nutzung der erfindungsgemäßen Lehre.
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In Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung ist der Matrizeneinsatz von besonderer Bedeutung, durch den das Werkstück über eine zusätzliche Ziehstufe ziehbar bzw. dehnbar und vorspannbar ist. Die Ziehstufe definiert den Materialvorrat, wobei die vollständige Ausprägung durch die Matrize im Bereich des vorgespannten Werkstücks räumlich vor der zusätzlichen Ziehstufe erfolgt.
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In Bezug auf den Matrizeneinsatz ist es von besonderem Vorteil, wenn dieser in der Matrize bewegbar gelagert ist, wobei der Matrizeneinsatz gemeinsam mit der Matrize in Verformungsrichtung bewegbar und gegen seine Schwerkraft und möglicherweise gegen die Kraft eines Druckmittels in die Matrize hinein bewegbar ist, um nämlich das Material der Bevorratung freizugeben.
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In besonders vorteilhafter Weise ist dem Formstempel ein Verdrängerbolzen zugeordnet, der gegen den Matrizeneinsatz und gegebenenfalls gegen die Kraft des Druckmittels des Matrizeneinsatzes wirkt. Das zu verformende Blech wird letztendlich zwischen dem Matrizeneinsatz und dem Verdrängerbolzen geklemmt.
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Daher ist es von Vorteil, wenn der Matrizeneinsatz nicht nur über den Verdrängerbolzen, sondern beispielsweise auch über Blechhalter und/oder über Zwischentreiber in die Matrize zurücktreibbar ist. Weitere diesbezügliche Ausführungen finden sich in der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
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Auch ist die grundsätzliche Einstellbarkeit des Vorlaufs des Matrizeneinsatzes von besonderer Bedeutung, wobei dazu mindestens ein Distanzteil vorgesehen sein kann, welches zwischen einer Schulter der Matrizeneinsatzes und einem Auflager in der Matrize, oder umgekehrt, wirkt.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass sich die voranstehenden Ausführungen auf eine Anordnung beziehen, wonach die Matrize mit einem Matrizeneinsatz ausgestattet ist. Entsprechend weist der Formstempel einen Verdrängerbolzen auf. Die Anordnung kann ebenso umgekehrt ausgelegt sein, nämlich mit einem im Formstempel ausgebildeten Formstempeleinsatz und einem in der Matrize angeordneten Verdrängerbolzen. Auch spielt die konkrete Anordnung und die Bewegungsrichtung der Werkzeugteile keine Rolle, zumal nicht nur vertikale und horizontale Anordnungen, sondern auch Anordnungen in beliebiger Winkelstellung denkbar sind.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Patentansprüchen 1 und 6 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung werden außerdem die einzelnen Verfahrensschritte erörtert. In der Zeichnung zeigen
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1 in einer schematischen Darstellung die drei Fertigungsschritte OP20, OP30 und OP40 bei der Herstellung eines Karosseriebauteils mit tief durchgestelltem Flansch,
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2 in einer schematischen Ansicht, geschnitten, das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 in einer schematischen Ansicht die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem erfindungsgemäßen Werkzeug, wobei dort lediglich die wesentlichen Bauteile gezeigt sind und
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4 bis 10 in schematischen Ansichten den Funktionsablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt die Problematik bei der Herstellung eines nachfolgend stets als Werkstück 1 bezeichneten Karosseriebauteils mit stark ausgeprägtem Flansch 2. Es finden die Bearbeitungsschritte OP20, OP30 und OP40 statt, bis das Werkstück 1 mit ausgeprägtem Flansch 2 hergestellt ist. Zur diesbezüglichen Problematik im Stand der Technik sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
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2 zeigt in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Lösung sowohl in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren als auch in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst neben der Matrize 3 und dem Formstempel 4 einen vorlaufenden Matrizeneinsatz 5, der zur Erzeugung einer zusätzlichen Ziehstufe 6 genutzt wird. Die zusätzliche Ziehstufe 6 dient als Materialvorrat, wobei die Ziehstufe 6 im Abfallbereich 7 erzeugt wird. Beim Ausformen der Teilform durch die Matrize 3 wird der Materialvorrat in der Ziehstufe 6 freigegeben, indem sich der Matrizeneinsatz 5 nach oben bewegt. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme ist eine deutlich größere Anziehtiefe realisierbar, jedenfalls wesentlich größer als in dem aus der Praxis bekannten Stand der Technik.
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Die 3 bis 10 zeigen den Funktionsablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ausführungsbeispiels einer vereinfacht dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Zunächst einmal wird das Werkzeug geschlossen. Entsprechend der auszuformenden Geometrie steht der Matrizeneinsatz 5 um einige Millimeter zur Fertigformtiefe vor. Zum Zeitpunkt, zu dem die Spannungen in der Zarge zu groß werden, wird der Matrizeneinsatz 5 über einen dem Formstempel 4 zugeordneten Verdrängerbolzen 8 ins Werkzeugoberteil bzw. in die Matrize 3 zurückgedrückt. Zusätzlich wirken ein Blechhalter 9 und ein Zwischentreiber 10 auf den Matrizeneinsatz 5. Das beim Zurückschieben bzw. Zurückfahren des Matrizeneinsatzes 5 frei werdende Material wird durch die sich weiter schließende Matrize 3 in die Fertigform verbracht.
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In unteren Totpunkt (UT) ist eine Abschaltung der Unterluftkraft erforderlich, damit keine Deformation des Werkstücks 1 durch den hochfahrenden Blechhalter 9 stattfindet.
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Bei der Aufwärtsbewegung des Werkzeugs, wenn nämlich die Matrize 3 nach oben fährt, drückt der Matrizeneinsatz 5 durch Federkraft und Eigengewicht immer noch auf das Werkstück 1. Um das Werkstück 1 nicht ungewollt zu deformieren, ist zu gewährleisten, dass der Verdrängerbolzen 8 in seiner UT-Position zunächst verbleibt. Sollte dazu das Gewicht des Blechhalters 9 nicht ausreichen, kann es erforderlich sein, zusätzliche Federn 11 vorzusehen, die zwischen der Matrize 3 und dem Blechhalter 9 wirken. Die Federn 11 bzw. entsprechende Druckmittel können der Matrize 3 zugeordnet bzw. dort integriert sein.
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In Bezug auf 3 sei ergänzend angemerkt, dass sich der Verdrängerhub über den Treiberwinkel zwischen dem Zwischentreiber 10 und dem Blechhalter 9 einstellen lässt.
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Der Vollständigkeit halber sei auf die Unterluftbolzen 12 verwiesen, die unmittelbar oder mittelbar auf den Blechhalter 9 wirken.
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4 zeigt Detail „A” gemäß 3, wobei 4 deutlich erkennen lässt, dass der Matrizeneinsatz 5 um einige Millimeter aus der Matrize 3 vorsteht. Das Maß des Vorstehens lässt sich über Distanzteile 13 einstellen, die zwischen dem Matrizeneinsatz 5 und der Matrize 3 wirken.
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4 zeigt den Erstkontakt zwischen dem Matrizeneinsatz und dem Blech beim Abwärtshub. Außerdem zeigt die 4 die Vorkehrung des Verdrängerbolzens 8, der in den Formstempel 4 integriert ist.
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5 zeigt Detail „A” aus 3 beim Abwärtshub. Dabei ist deutlich erkennbar, dass sich das Werkstück 1 über den Matrizeneinsatz 5 und den Formstempel 4 spannt. Ab dem Zeitpunkt, zu dem sich das Werkstück 1 an die Kante 14 der Stempelöffnung 15 anlegt, wird in erfindungsgemäßer Weise die Materialbereitstellung durch Erzeugung der zusätzlichen Ziehstufe 6 erzeugt.
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Durch die weitere Überspannung und die Möglichkeit der Ausspannung des Abfallbereichs 7 lässt sich eine größere Dehnzone und somit eine größere mögliche Abwicklung erreichen.
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6 zeigt Detail „A” in der tiefsten Stellung des Matrizeneinsatzes 5. Der Matrizeneinsatz 5 hat dort seine unterste Stellung eingenommen. Die Materialbereitstellung ist aufgrund der zusätzlichen Ziehstufe 6 erzeugt. Zwischen dem Verdrängerbolzen 8 und dem Matrizeneinsatz 5 besteht kein unmittelbarer Kontakt, zumal zwischen diesen beiden Werkzeugelementen das Werkstück 1 positioniert ist. Ab dem hier gezeigten Zeitpunkt wird der Matrizeneinsatz 5 wieder nach oben zurück gesteuert, um nämlich zur weiteren Verformung des Werkstücks 1 den Materialvorrat im Bereich der zusätzlichen Ziehstufe 6 freizugeben.
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7 zeigt Detail „A” die Materialfreigabe im Bereich der zusätzlichen Ziehstufe 6. Der Blechhalter 9 erfährt einen weiteren Abwärtshub. Über Quertreiber bzw. Zwischentreiber 10 wird der Verdrängerbolzen 8 nach oben getrieben. Dadurch erfolgt die Freigabe des zuvor erzeugten Materialvorrats im Abfallbereich 7 des Blechs 1, der durch das Ausformen des Werkstücks 1 durch die Matrize 3 tatsächlich benötigt wird.
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8 zeigt Detail „A”, wobei dort das Werkzeug die Stellung des unteren Totpunkts erreicht hat. Die Teilform bzw. das Werkstück 1 ist ausgeprägt. Der Verdrängerbolzen 8 befindet sich in seiner obersten Position. Das durch die zusätzliche Ziehstufe 6 bereitgestellte Material des Werkstücks 1 ist in dieser Position komplett freigegeben.
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9 zeigt Detail „A” im Aufwärtshub, wobei dort die komplette Deformation des Werkstücks 1 angedeutet ist, könnte sich der Matrizeneinsatz 5 ungehindert nach unten bewegen. Insoweit sei auf die gestrichelten Linien 16, 17 verwiesen, die insoweit die mögliche Position des Werkstücks 1 andeuten.
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Gemäß der Darstellung in 9 hebt die Matrize 3 vom Werkstück 1 ab. Der Matrizeneinsatz 5 drückt jedoch immer noch auf den Verdrängerbolzen 8. Würde sich zu diesem Zeitpunkt der Blechhalter 9 nach oben bewegen, würde das geformte Werkstück 1 deformiert werden. Daher ist es erforderlich, dass die Unterluft auf UT abgeschaltet wird.
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Ist die Kraft des Matrizeneinsatzes 5 aufgrund ihres Eigengewichts oder der Feder 18 größer als die Gewichtskraft des Blechhalters 9, ist es erforderlich, den Blechhalter 9 über zusätzliche Federn 11 in der unteren Position zu halten. Insoweit sei auf die nachfolgende 10 verwiesen. Bei dieser Maßnahme würde der Verdrängerbolzen 8 nach unten gedrückt werden und würde der Blechhalter 9 über den Quertreiber bzw. Zwischentreiber 10 angehoben werden, so dass sich eine doppelte Deformation des Werkstücks 1 entsprechend den gestrichelten Linien 16, 17 aus 9 ergeben würde. Dies gilt es entsprechend den voranstehenden Ausführungen zu vermeiden.
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10 zeigt die Werkzeugkonfiguration beim Aufwärtshub, wobei für den Fall, dass die Gewichtskraft des Blechhalters 9 zu gering ist, zusätzliche Federn 11 zum Halten des Blechhalters 9 im unteren Totpunkt vorgesehen sind.
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Entsprechend den voranstehenden Ausführungen ist es erforderlich, dass der Verdrängerbolzen 8 in der Position des unteren Totpunkts verbleibt, so dass eine ungewollte Deformation des Werkstücks 1 ausgeschlossen ist. Außerdem wird über die Unterluftbolzen 12 abgeschaltet, um das Anheben des Blechhalters 9 zu verhindern. Entsprechend wird die Gegenkraft zum Matrizeneinsatz 5 aufrechterhalten.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkstück
- 2
- Flansch
- 3
- Matrize
- 4
- Formstempel
- 5
- Matrizeneinsatz
- 6
- zusätzliche Ziehstufe, Materialvorrat
- 7
- Abfallbereich des Werkstücks/Blechs
- 8
- Verdrängerbolzen
- 9
- Blechhalter
- 10
- Zwischentreiber, Quertreiber
- 11
- Feder (in der Matrize)
- 12
- Unterluftbolzen
- 13
- Distanzteil
- 14
- Kante
- 15
- Stempelöffnung
- 16
- gestrichelte Linie
- 17
- gestrichelte Linie
- 18
- Feder (wirkt auf Matrizeneinsatz)
