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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum inkrementellen Ausbilden eines Werkstücks.
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Bei mindestens einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum inkrementellen Ausbilden eines Werkstücks bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das inkrementelle Ausbilden eines Versteifungsmerkmals auf dem Werkstück und das inkrementelle Ausbilden eines Teils auf dem Werkstück innerhalb des Versteifungsmerkmals.
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Bei mindestens einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum inkrementellen Ausbilden eines Werkstücks bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das inkrementelle Ausbilden eines Versteifungsmerkmals auf dem Werkstück und das inkrementelle Ausbilden eines Teils auf dem Werkstück außerhalb des Versteifungsmerkmals.
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Bei mindestens einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum inkrementellen Ausbilden eines Werkstücks bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das inkrementelle Ausbilden eines Teils auf dem Werkstück, wobei ein erstes und zweites Umformwerkzeug auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks angeordnet sind. Ein Spalt zwischen dem ersten und zweiten Umformwerkzeug kann verringert werden, wenn mindestens ein Abschnitt des Teils mit dem ersten und zweiten Umformwerkzeug weiter umgeformt wird.
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1 ist eine beispielhafte Seitenansicht eines inkrementellen Umformsystems zum Umformen eines Werkstücks.
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2 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines inkrementellen Umformsystems und eine Ausführungsform eines Werkstücks.
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3–5 sind beispielhafte Seitenschnittansichten des Werkstücks von 2, das inkrementell umgeformt wird.
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6 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines inkrementellen Umformsystems und eine weitere Ausführungsform eines Werkstücks.
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7 und 8 sind beispielhafte Seitenschnittansichten des Werkstücks von 6, das inkrementell umgeformt wird.
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9 ist ein beispielhafter Werkzeugpfad zum inkrementellen Umformformen eines Werkstücks.
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10 und 11 sind verschiedene beispielhafte Werkzeugpfade zum weiteren Umformen des Werkstücks von 9.
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Es werden hierin ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert sein kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Außerdem können beliebige oder alle Merkmale von einer Ausführungsform mit einer beliebigen anderen Ausführungsform kombiniert werden. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als beschränkend anzusehen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis für die Ansprüche und/oder als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung unterschiedlich einzusetzen ist.
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird ein beispielhaftes System 10 zum inkrementellen Umformen eines Werkstücks 12 gezeigt. Das Werkstück 12 kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder beliebigen geeigneten Materialien hergestellt sein, die erwünschte Umformcharakteristika aufweisen, wie etwa ein Metall, eine Metalllegierung, ein polymeres Material oder Kombinationen davon. Bei mindestens einer Ausführungsform kann das Werkstück 12 als Blech bereitgestellt werden. Das Werkstück 12 kann in einer Anfangskonfiguration bereitgestellt werden, die bei einer oder mehreren Ausführungsformen allgemein planar ist oder die mindestens teilweise zu einer nichtplanaren Konfiguration vorgeformt ist.
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Das System 10 kann verwendet werden, um ein Werkstück inkrementell umzuformen. Beim inkrementellen Umformen wird ein Werkstück durch eine Serie von kleinen inkrementellen Verformungen zu einer gewünschten Konfiguration umgeformt. Die kleinen inkrementellen Verformungen können bereitgestellt werden, indem ein oder mehrere Werkzeuge entlang einer oder mehreren Oberflächen des Werkstücks oder dagegen bewegt werden. Die Werkzeugbewegung kann entlang eines vorbestimmten oder programmierten Pfads erfolgen. Außerdem kann ein Werkzeugbewegungspfad adaptiv in Echtzeit auf der Basis von gemessener Rückkopplung wie etwa von einem Sensor wie einer Kraftmessdose programmiert werden. Somit kann das inkrementelle Umformen in Inkrementen erfolgen, wenn mindestens ein Werkzeug bewegt wird, und ohne Material von dem Werkstück zu entfernen. Weitere Details eines derartigen Systems 10 sind in der US-Patentanmeldung Nr. 12/368,336 beschrieben, das dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung zugeordnet ist und hier in seiner Gänze durch Bezugnahme aufgenommen ist. Eine kurze Zusammenfassung von einigen Komponenten, die mit einem derartigen System 10 bereitgestellt werden können, ist unten angegeben.
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Das System 10 kann mehrere Komponenten enthalten, die das Umformen des Werkstücks 12 erleichtern, wie etwa eine Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20, einen ersten Manipulator 22, einen zweiten Manipulator 24 und einen Controller 26.
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Die Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 kann vorgesehen sein, um das Werkstück 12 zu stützen. Die Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 kann als ein Rahmen konfiguriert sein, der mindestens teilweise eine Öffnung 28 definiert. Das Werkstück 12 kann in der Öffnung 28 angeordnet sein oder diese mindestens teilweise bedecken, wenn das Werkstück 12 von der Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 aufgenommen wird.
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Die Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 kann mehrere Klemmen 30 enthalten, die konfiguriert sind, das Werkstück 12 in Eingriff zu nehmen und darauf eine Kraft auszuüben. Die Klemmen 30 können entlang mehrerer Seiten der Öffnung 28 vorgesehen sein und können eine beliebige geeignete Konfiguration und einen assoziierten Betätigungsmechanismus aufweisen. Beispielsweise können die Klemmen 30 manuell, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch betätigt werden. Zudem können die Klemmen 30 konfiguriert sein, auf das Werkstück 12 eine feste oder verstellbare Kraft einwirken zu lassen.
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Die erste und zweite Positionierungseinrichtung oder die Manipulatoren 22, 24 können vorgesehen sein, um das erste und zweite Umformwerkzeug 32, 32' zu positionieren. Der erste und zweite Manipulator 22, 24 können mehrere Freiheitsgrade besitzen, wie etwa Hexapod-Manipulatoren, die mindestens sechs Freiheitsgrade besitzen können. Die Manipulatoren 22, 24 können so konfiguriert sein, dass sie ein assoziiertes Werkzeug entlang mehrerer Achsen bewegen, wie etwa Achsen, die sich in verschiedenen orthogonalen Richtungen erstrecken, wie X-, Y- und Z-Achse.
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Das erste und zweite Umformwerkzeug 32, 32' können in einer ersten und zweiten Werkzeughalterung 34, 34' aufgenommen werden. Die erste und zweite Werkzeughalterung 34, 34' können auf einer Spindel angeordnet und konfiguriert sein, sich bei einer oder mehreren Ausführungsformen um eine assoziierte Drehachse zu drehen.
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Die Umformwerkzeuge 32, 32' können eine Kraft ausüben, um das Werkstück 12 ohne Entfernen von Material umzuformen. Die Umformwerkzeuge 32, 32' können eine beliebige geeignete Geometrie besitzen, einschließlich unter anderem eine flache, gekrümmte, kugelförmige oder konische Gestalt und Kombinationen davon.
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Ein oder mehrere Controller 26 oder Steuermodule können vorgesehen sein, um den Betrieb des Systems 10 zu steuern. Der Controller 26 kann ausgelegt sein zum Empfangen von CAD-(Computer Aided Design) oder Koordinatendaten und Liefern von CNC-Daten (Computer Numerical Control) zum Umformen des Werkstücks 12 gemäß Designspezifikationen. Außerdem kann der Controller 26 den Betrieb eines Messsystems überwachen und steuern, das bereitgestellt sein kann, um Abmessungscharakteristika des Werkstücks 12 während des Umformprozesses zu überwachen.
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Ein ungestützter Abschnitt eines Werkstücks, wie etwa ein flaches Stück Blech, kann unter seinem eigenen Gewicht in einer Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe durchhängen oder sich verformen. Ein derartiges Durchhängen oder eine derartige Verformung können signifikante Abweichungen zwischen den Istabmessungscharakteristika eines inkrementell umgeformten Teils und der Sollkonfiguration bzw. der Konfiguration laut Design bewirken. Außerdem können Restbeanspruchungen in einem inkrementell umgeformten Werkstück zu einer unbeabsichtigten Verformung führen, die Abmessungsungenauigkeiten verursachen kann. Abmessungsungenauigkeiten können sich bei der Umformung eines Werkstücks anhäufen. Solche angehäuften Beanspruchungen können bewirken, dass sich ein Werkstück verbeult oder reißt. Restbeanspruchungen können bewirken, dass ein Werkstück seine Gestalt ändert, wenn sich die Umformwerkzeuge von dem Werkstück wegbewegen oder bei Lösung aus Werkstückspannvorrichtungsbaugruppenklemmen.
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Um bei der Behandlung eines oder mehrerer der oben beschriebenen Probleme zu helfen, können ein oder mehrere Verfahren zum inkrementellen Umformen, wie unten beschrieben, zum Umformen eines Werkstücks verwendet werden. Das Verfahren kann Umformwerkzeuge verwenden, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Werkstücks angeordnet sind.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist eine Draufsicht auf ein in einer Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 angeordnetes beispielhaftes Werkstück 12 gezeigt. Das Werkstück in 2 ist in einer Endkonfiguration gezeigt, nachdem die inkrementelle Umformung abgeschlossen ist.
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Unter Bezugnahme auf 3–5 ist ein beispielhaftes Verfahren zum inkrementellen Umformen eines Werkstücks dargestellt. Insbesondere sind die 3–5 Schnittansichten des Werkstücks 12 während verschiedener Stadien des inkrementellen Umformens entlang der Schnittlinie 5-5 in 2.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist das Werkstück 12 in einer Anfangskonfiguration gezeigt. Die Anfangskonfiguration des Werkstücks 12 kann die Konfiguration oder Gestalt des Werkstücks 12 vor der inkrementellen Umformung sein. Bei mindestens einer Ausführungsform kann die Anfangskonfiguration im Wesentlichen planar sein, wie gezeigt. Als solches kann das Werkstück 12 bei einer oder mehreren Ausführungsformen mindestens teilweise entlang einer Referenzebene 40 oder im Wesentlichen parallel dazu angeordnet sein.
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Unter Bezugnahme auf 4 ist das Werkstück 12 nach dem inkrementellen Umformen eines Versteifungsmerkmals 50 auf dem Werkstück 12 gezeigt. Das Versteifungsmerkmal 50 kann von der Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 und den Klemmen 30 beabstandet sein. Das Versteifungsmerkmal 50 kann sich mindestens teilweise um einen Abschnitt des Werkstücks 12 erstrecken, in dem ein Teil umgeformt werden kann. Wie am besten in 2 gezeigt ist, kann das Versteifungsmerkmal 50 eine ringartige Konfiguration aufweisen, die sich vollständig um einen Teilumformungsbereich 52 erstreckt oder diesen begrenzt.
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Das Versteifungsmerkmal 50 kann eine oder mehrere Seiten 54 enthalten, die verjüngt sein können oder sich unter einem Winkel von der Referenzebene 40 weg erstrecken können. Außerdem kann jede Seite 54 einen oder mehrere Krümmungsbereiche 56 enthalten. Die Krümmungsbereiche 56 können entlang einer verjüngten Seite 54 ausgebildet sein und können dem Teilausformungsbereich 52 eine zusätzliche strukturelle Stütze oder Festigkeit verleihen. Die Seiten 54 können unter einem gemeinsamen Winkel relativ zu der Referenzebene 40 verjüngt sein. Außerdem können gegenüberliegende Seiten die gleiche Konfiguration besitzen.
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Das Versteifungsmerkmal 50 kann teilweise oder vollständig in einer ersten Richtung 58 bezüglich der Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 und/oder der Referenzebene 40 umgeformt sein. Die erste Richtung 58 kann sich entlang einer Achse erstrecken, die im Wesentlichen Senkrecht zu dem nicht umgeformten Werkstück 12 und/oder der Referenzebene 40 sein kann. Außerdem kann ein Großteil des Versteifungsmerkmals 50 in einer Richtung umgeformt sein, die mit einer Richtung übereinstimmt, in der ein Großteil eines Teils 60 bezüglich der Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 und/oder der Referenzebene 40 umgeformt ist.
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Unter Bezugnahme auf 5 wird das Werkstück 12 nach dem inkrementellen Umformen des Teils 60 auf dem Werkstück 12 gezeigt. Der Teil 60 kann inkrementell in dem Teilumformungsbereich 52 umgeformt werden. Zudem kann der Teil 60 derart von dem Versteifungsmerkmal 50 beabstandet sein, dass mindestens ein zwischen dem Versteifungsmerkmal 50 und dem Teil 60 angeordneter Abschnitt des Werkstücks 12 nicht inkrementell umgeformt wird. Der Teil 60 kann auf eine Weise wie zuvor erörtert inkrementell zu einer gewünschten Konfiguration umgeformt werden.
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Die Werkzeugzubringrate zum inkrementellen Umformen des Teils 60 kann langsamer sein als die, die zum inkrementellen Umformen des Versteifungsmerkmals 50 verwendet wird. Eine langsamere Werkzeugzubringrate kann ein besseres Oberflächenfinish und eine verbesserte Abmessungsgenauigkeit als eine höhere Werkzeugzubringrate liefern, wenn andere Faktoren konstant gehalten werden. Dementsprechend kann eine höhere Werkzeugzubringrate die Ausformzykluszeit reduzieren und dennoch unter verschiedenen Umständen ein adäquates Finish oder adäquate Abmessungscharakteristika bereitstellen, wie etwa wenn ein Versteifungsmerkmal 50 nicht mit dem Teil 60 integral ist. Außerdem können andere inkrementelle Umformungsparameter zusätzlich zu oder separat von dem Erhöhen der Werkzeugzubringrate verändert werden. Beispielsweise können die Umformstufengröße und die Werkzeugspitzengröße erhöht werden, um den Umformprozess zu beschleunigen. Zudem können Abschnitte des Werkstücks weiter umgeformt werden, um wenn gewünscht, das Oberflächenfinish und/oder die Abmessungsgenauigkeit zu verbessern.
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Unter Bezugnahme auf 6–8 wird ein weiteres Beispiel eines Verfahrens zum inkrementellen Umformen eines Werkstücks dargestellt. Insbesondere sind die 7 und 8 Schnittansichten des Werkstücks 12 während verschiedener Stadien des inkrementellen Umformens entlang der Schnittlinie 8-8 in 6. Außerdem kann das Werkstück 12 anfänglich in einer Anfangskonfiguration wie in 3 gezeigt bereitgestellt werden, wie zuvor erörtert.
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Unter Bezugnahme auf 7 ist das Werkstück 12 nach dem inkrementellen Umformen eines Versteifungsmerkmals 50' auf dem Werkstück 12 gezeigt. Das Versteifungsmerkmal 50' kann von der Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 und den Klemmen 30 beabstandet sein. Außerdem kann das Versteifungsmerkmal 50' teilweise oder ganz in einer ersten Richtung 58 bezüglich der Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 und/oder der Referenzebene 40 umgeformt sein. Außerdem kann ein Großteil des Versteifungsmerkmals 50' in eine Richtung umgeformt sein, die mit einer Richtung übereinstimmt, in der ein Großteil eines Teils 60' bezüglich der Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 und/oder der Referenzebene 40 umgeformt ist.
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Unter Bezugnahme auf 8 wird das Werkstück 12 nach dem inkrementellen Umformen des Teils 60' auf dem Werkstück 12 gezeigt. Der Teil 60 kann inkrementell zwischen dem Versteifungsmerkmal 50' und der Werkstückspannvorrichtungsbaugruppe 20 umgeformt werden. Bei mindestens einer Ausführungsform kann der Teil 60' vollständig um das Versteifungsmerkmal 50' herum inkrementell umgeformt werden. Der Teil 60' kann jedoch mit mindestens einem Abschnitt des Versteifungsmerkmals 50' zusammenhängen. Als solches kann der Teil 60' bei einer oder mehreren Ausführungsformen außerhalb des Versteifungsmerkmals 50' und damit zusammenhängend positioniert oder inkrementell umgeformt werden. Das Positionieren des Versteifungsmerkmals 50' innerhalb des Teils 60' kann dazu führen, dass das Versteifungsmerkmal 50' mit dem Teil 60' einstückig ist und kann helfen, ein Verbeulen oder Reißen des Werkstücks 12 in dem Bereich, in dem das Versteifungsmerkmal 50' vorgesehen ist, zu verhindern. Das inkrementelle Umformen des Teils 60' von dem Versteifungsmerkmal nach außen kann das Anordnen des Teils 60' außerhalb mindestens eines Abschnitts des Versteifungsmerkmals 50' oder um diesen herum und/oder Ausführen mindestens eines Abschnitts eines inkrementellen Umformungswerkzeugpfads in eine Richtung, die sich von dem Versteifungsmerkmal 50' nach außen weg bewegt, beinhalten.
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Das Versteifungsmerkmal 50' kann anfänglich mit einer schnelleren Werkzeugzubringrate umgeformt werden, als der, die zum inkrementellen Umformen des Teils 60' verwendet wird. Nach dem Umformen des Teils 60' kann das Versteifungsmerkmal 50' mit einer langsameren Zubringrate weiter umgeformt werden, um ein gewünschtes Oberflächenfinish bereitzustellen und das Versteifungsmerkmal 50' besser mit dem Teil 60' zu integrieren. Das Versteifungsmerkmal 50' kann bei einer oder mehreren Ausführungsformen ohne nachfolgendes weiteres Umformen zu einer gewünschten Geometrie umgeformt werden.
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Unter Bezugnahme auf 9–11 werden zusätzliche Beispiele von Verfahren zum inkrementellen Umformen eines Werkstücks dargestellt. Die Werkzeugpfade und ihre assoziierten Start- und Endpunkte sind in diesen Figuren lediglich beispielhaft. Beispielsweise können der Startpunkt und der Endpunkt für jeden Werkzeugpfad vertauscht werden.
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9 zeigt eine Draufsicht auf einen beispielhaften Werkzeugpfad zum inkrementellen Umformen eines Werkstücks 12. Der Werkzeugpfad 70 erstreckt sich von einer als Punkt A bezeichneten Startposition zu einer als Punkt B bezeichneten Endposition. Der Werkzeugpfad 70 kann bei einer oder mehreren Ausführungsformen ein spiralförmiger Werkzeugpfad sein und möglicherweise nicht in einer Ebene angeordnet sein. Außerdem können der Startpunkt A und der Endpunkt B vertauscht werden. Der Werkzeugpfad 70 kann sich auf einen Bewegungspfad von einem oder mehreren Umformwerkzeugen 32, 32' während des inkrementellen Umformens des Werkstücks beziehen.
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Unter Bezugnahme auf 10 und 11 werden Beispiele für Werkzeugpfade gezeigt, die nach dem Durchqueren des Werkzeugpfads von Punkt A nach Punkt B ausgeführt werden können. Bei beiden Ausführungsformen werden ein oder mehrere Werkzeuge von Punkt B zu Punkt A bewegt. Außerdem kann der Spalt oder Abstand zwischen den inkrementellen Umformwerkzeugen 32, 32', die auf einer gegenüberliegenden Seite des Werkstücks 12 angeordnet sind, beim Bewegen von Punkt B nach Punkt A relativ zu einem Spalt zwischen den Werkzeugen 32, 32' beim Durchqueren von Punkt A nach Punkt B verringert werden. Eine Bewegung entlang solcher Werkzeugpfade auf diese Weise kann Restbeanspruchungen in dem Werkstück 12 reduzieren und das Zurückfedern reduzieren.
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Unter Bezugnahme auf 10 ist der Werkzeugpfad 70' von Punkt B nach Punkt A im Wesentlichen identisch mit dem Werkzeugpfad 70 in 9, außer dass die Bewegungsrichtung umgekehrt ist. Mit anderen Worten ist die Konfiguration des Werkzeugpfads in 9 und 10 im Wesentlichen die Gleiche, doch erfolgt die Bewegung in 10 in der entgegen gesetzten Richtung (das heißt vom Punkt B nach Punkt A).
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Unter Bezugnahme auf 11 ist der Werkzeugpfad 70'' von Punkt B nach Punkt A nicht identisch mit dem in 9 gezeigten. In 11 ist der Werkzeugpfad 70'' ein spiralförmiger Werkzeugpfad, bei dem eine Bewegung im Vergleich zu 9 in einer anderen Drehrichtung erfolgt. Beispielsweise ist der Werkzeugpfad 70 in 9 in einer ersten Drehrichtung, die so gezeigt ist, dass sie im Uhrzeigersinn verläuft, während der Werkzeugpfad 70'' in 11 in einer zweiten Drehrichtung ist, die so gezeigt ist, dass sie entgegen dem Uhrzeigersinn verläuft.
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Wenngleich Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung zeigen und beschreiben. Vielmehr sind die in der Spezifikation verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
