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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Glühen eines vorgeformten Flächenelements.
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HINTERGRUND
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Glühen ist eine Wärmebehandlung, die auf ein Material angewendet wird, dessen Materialeigenschaften, wie beispielsweise die Festigkeit und die Härte, verändert werden sollen. Das Glühen wird typischerweise ausgeführt, indem das betreffende Material über die Rekristallisationstemperatur des Materials aufgeheizt wird, für eine Zeitdauer bei der ausgewählten Temperatur gehalten wird und anschließend abgekühlt wird. Das Glühen wird üblicherweise verwendet, um die Dehnbarkeit des Materials zu verbessern, um innere Spannungen abzubauen, um die Struktur des Materials zu verfeinern, indem es homogener gemacht wird, und um die Kaltbearbeitungseigenschaften des Materials zu verbessern.
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In Abhängigkeit von dem betreffenden Material kann nach dem Schritt des Aufheizens ermöglicht werden, dass das Material langsam auf Umgebungsbedingungen abkühlt oder dass es schneller abgekühlt wird, indem es in einem Fluid abgeschreckt wird. Nach dem Glühprozess ist das Material typischerweise ausreichend weicher gemacht worden, um weiter ausgestaltet, geformt oder gestanzt zu werden.
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Das Stanzen eines Rohling-Flächenelements in eine gewünschte Gestalt kann über eine Reihe von Stufen ausgeführt werden. Häufig sind die endgültige Gestalt, die durch den Stanzvorgang erzeugt wird, und auch die Geschwindigkeit der Produktion durch die Fähigkeit des Flächenelements begrenzt, einer Verformung Stand zu halten, ohne Spalten und Risse zu entwickeln. Das Glühen kann während eines solchen mehrstufigen Stanzprozesses verwendet werden, um Dehnungs-Aushärtungseffekte zu beseitigen und um die Dehnbarkeit eines teilweise geformten Flächenelements, das auch als Vorform bezeichnet wird, wiederherzustellen, um das Flächenelement vorzubereiten, damit es in die gewünschte endgültige Gestalt geformt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein System zum Glühen eines formbaren Flächenelements umfasst eine Stanzpresse, die ausgebildet ist, um das Flächenelement unter Verwendung eines ersten Formwerkzeugs und eines zweiten Formwerkzeugs vorzuformen. Das System umfasst auch eine Übertragungseinrichtung, die ausgebildet ist, um mit dem vorgeformten Flächenelement in Eingriff zu gelangen und das Flächenelement aus der Stanzpresse zu übertragen. Die Übertragungseinrichtung weist ein Heizelement auf, das ausgebildet ist, um das vorgeformte Flächenelement zu glühen. Das Heizelement glüht das vorgeformte Flächenelement in der Stanzpresse, nachdem das erste Formwerkzeug außer Eingriff des Flächenelements gelangt und während das Flächenelement durch das zweite Formwerkzeug getragen wird.
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Die Übertragungseinrichtung kann einen Satz von Streben aufweisen, die ausgebildet sind, um mit dem vorgeformten Flächenelement in Eingriff zu gelangen und das Flächenelement an dem zweiten Formwerkzeug festzuhalten. Die Übertragungseinrichtung kann zusätzlich zumindest einen Saugnapf aufweisen, der mit zumindest einer der Streben funktional verbunden ist. In einem solchen Fall kann der zumindest eine Saugnapf ausgebildet sein, um mit dem vorgeformten Flächenelement in Eingriff zu gelangen und dieses zu halten, wenn das vorgeformte Flächenelement durch das Heizelement geglüht wird, und um das Flächenelement aus der Stanzpresse zu übertragen.
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Das zweite Formwerkzeug kann einen Klemmmechanismus aufweisen, der ausgebildet ist, um die Übertragungseinrichtung relativ zu dem zweiten Formwerkzeug zu halten, wenn das vorgeformte Flächenelement durch das Heizelement geglüht wird.
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Das Heizelement kann als eine Induktionsspule ausgebildet sein, die angepasst ist, um eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, wenn das vorgeformte Flächenelement geglüht wird. Die elektromagnetische Kraft kann verwendet werden, um das vorgeformte Flächenelement gegen das zweite Formwerkzeug zu pressen, während das vorgeformte Flächenelement geglüht wird.
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Das erste Formwerkzeug kann einen Satz von Endanschlägen aufweisen, die ausgebildet sind, um mit der Übertragungseinrichtung in Eingriff zu gelangen und um die Übertragungseinrichtung relativ zu dem zweiten Formwerkzeug zu halten, wenn das vorgeformte Flächenelement durch das Heizelement geglüht wird.
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Das System kann auch eine Kühlungseinrichtung umfassen, die ausgebildet ist, um das zweite Formwerkzeug während des Glühens des vorgeformten Flächenelements zu kühlen. Zusätzlich kann das System eine flexible Verkabelung für das Heizelement und flexible Kühlmittel-Zufuhrleitungen für das vorgeformte Flächenelement umfassen. Eine solche flexible Verkabelung und solche flexible Kühlmittel-Zufuhrleitungen können mit der Übertragungseinrichtung funktional verbunden sein.
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Die Übertragungseinrichtung kann als ein linearer Übertragungsmechanismus, als ein Roboterarm oder als ein Portalroboter ausgebildet sein. Zusätzlich kann die Übertragungseinrichtung durch einen Controller geregelt werden.
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Ein Verfahren zum Verarbeiten eines formbaren Flächenelements und ein Verfahren zum Verarbeiten eines vorgeformten Flächenelements in einem mehrstufigen Stanzvorgang, von denen jedes das offenbarte System verwendet, sind ebenso vorgesehen.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der Erfindung leicht offensichtlich, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Glühen eines formbaren Flächenelements, wobei das System eine Stanzpresse und eine Übertragungseinrichtung umfasst und wobei die Übertragungseinrichtung bereitgestellt wird, um ein vorgeformtes Flächenelement zu glühen;
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2 ist eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Systems, wobei die dargestellte Übertragungseinrichtung mit dem vorgeformten Flächenelement in Eingriff steht und dieses glüht;
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3 ist eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Systems, wobei ein unteres Formwerkzeug der Stanzpresse derart dargestellt ist, dass es mit der Übertragungseinrichtung mittels eines Klemmmechanismus in Eingriff steht;
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4 ist eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Systems, wobei die Übertragungseinrichtung derart dargestellt ist, dass sie das geglühte vorgeformte Flächenelement aus der Stanzpresse herausnimmt; und
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5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Stanzen eines Metallblechs darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen gleiche Elemente überall mit identischen Bezugszeichen identifiziert werden, stellen 1–4 ein System 10 zum Glühen eines vorgeformten Flächenelements dar, das auch als eine Vorform 12 bezeichnet wird. Das System 10 umfasst eine Stanzpresse 14. Die Stanzpresse 14 ist zum Vorformen einer gewünschten Gestalt aus einem formbaren Flächenelement angeordnet, wie beispielsweise aus einem Blechrohling, um den Rohling dadurch in die Vorform 12 zu verwandeln. Derart ausgebildet kann die Stanzpresse 14 Teil einer anfänglichen oder einer Zwischenstufe in einem mehrstufigen Stanzvorgang sein, der ausgestaltet ist, um eine gewünschte endgültige Gestalt aus dem Blechrohling zu formen.
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Die Presse 14 weist ein erstes oder oberes Formwerkzeug 16 und ein zweites oder unteres Formwerkzeug 18 auf. Zum Erzeugen einer gewünschten Vorform 12 aus einem Blechrohling wird der Blechrohling zwischen den Formwerkzeugen 16 und 18 positioniert, und das obere Formwerkzeug wird verwendet, um den Rohling gegen das untere Formwerkzeug zu pressen. Es ist vorgesehen, dass die Vorform 12 aus einem beliebigen formbaren Basismetall bestehen kann, wie beispielsweise aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder Titan.
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Das System 10 umfasst auch eine Übertragungseinrichtung 20, die ausgebildet ist, um mit der Vorform 12 in Eingriff zu gelangen und die Vorform aus der Stanzpresse 14 zu übertragen. Wie es in 1–4 gezeigt ist, weist die Übertragungseinrichtung 20 ein Werkzeug 21 am Ende eines Arms auf, das zwei Heizelemente 22 beinhaltet. Die Heizelemente 22 sind ausgebildet, um die Vorform 12 in der Stanzpresse 14 zu glühen, während die Vorform in dem unteren Formwerkzeug 18 verbleibt. Obgleich zwei Heizelemente 22 gezeigt sind, kann eine beliebige Anzahl von Heizelementen verwendet werden, um eine so große oder so kleine Fläche der Vorform 12 zu glühen, wie es notwendig ist. Obgleich der Blechrohling vorstehend derart beschrieben ist, dass er teilweise in der Stanzpresse 14 geformt wird und anschließend zu der nächsten Formungsstufe übertragen wird, kann die Vorform 12 auch in der Stanzpresse 14 geformt, mittels der Heizelemente 22 geglüht und anschließend in derselben Stanzpresse 14 in die endgültige Form gepresst werden.
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Jedes Heizelement 22 ist ausgebildet, um zum Glühen der Vorform 12 in der Stanzpresse 14 aktiviert zu werden, nachdem das erste Formwerkzeug 16 außer Eingriff der Vorform gelangt und während die Vorform durch das zweite Formwerkzeug 18 getragen wird. Wie es gezeigt ist, können die Heizelemente 22 elektrische Einrichtungen sein, die Energie in einem Magnetfeld speichern können, das durch einen elektrischen Strom erzeugt wird, der durch diese hindurchtritt. Die Heizelemente 22 können unter Verwendung von Rohren, die aus einem leitenden Material wie etwa Kupfer gebildet sind, als Induktionsspulen ausgebildet sein, wobei jede Induktionsspule ausgebildet ist, um eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, wenn ein elektrischer Strom durch die Spule hindurchtritt, um die Vorform 12 zu glühen.
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Ein Induktionsspulen-Heizelement 22 ist typischerweise aus einer Kupferrohrleitung hergestellt, die derart geformt ist, dass sie ein Gegenstück zu der Vorform 12 bildet, die das Glühen erfordert. Im Allgemeinen tritt ein Kühlmittel durch die Spule hindurch, während der elektrische Strom an die Wände der Kupferrohrleitung angelegt wird, um zu verhindern, dass das Kupferrohr schmilzt. Der angelegte elektrische Strom ist typischerweise ein Wechselstrom bei einer gewissen vorbestimmten Frequenz, der durch eine äußere Stromversorgung (nicht gezeigt) geliefert und der Induktionsspule durch eine flexible Verkabelung zugeführt wird, während das Kühlmittel durch flexible Kühlmittel-Zufuhrleitungen zugeführt wird. Die flexible Verkabelung und die flexiblen Kühlmittel-Zufuhrleitungen für die Spulen sind beide an der Übertragungseinrichtung 20 befestigt. Die flexible Natur der Verkabelung und der Kühlmittel-Zufuhrleitungen erleichtert die erneute Positionierung der Übertragungseinrichtung 20 bezogen auf die Presse 14 während des mehrstufigen Stanzvorgangs. Die flexible Verkabelung und die flexiblen Kühlmittel-Zufuhrleitungen können in einem Kanal 23 gebündelt werden, der wiederum an der Übertragungseinrichtung 20 angebracht ist, wie es in 1–4 gezeigt ist.
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Der elektrische Strom, der durch die äußere Stromversorgung geliefert wird und der durch das Induktionsspulen-Heizelement 22 hindurchtritt, erzeugt ein Magnetfeld in der Spule. Da die Vorform 12 elektrisch leitend ist, induziert das Magnetfeld, das in der Induktionsspule erzeugt wird, ein entgegengesetztes Magnetfeld in der Vorform. Die zwei entgegengesetzten Magnetfelder Wechselwirken, um eine elektromagnetische Rückstoßkraft zu erzeugen. Das Magnetfeld, das in der Vorform 12 induziert wird, erzeugt Wirbelströme in der Vorform, die als thermische Energie dissipieren, was wiederum bewirkt, dass die Temperatur in der Vorform ansteigt, wodurch die Mikrostruktur der Vorform geglüht wird.
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Als ein Nebeneffekt neigt die durch die entgegengesetzten Magnetfelder erzeugte elektromagnetische Kraft dazu, die Induktionsspulen-Heizelemente 22 von den umgebenden Strukturen abzustoßen, einschließlich der Vorform 12. Die Vorform 12 besteht jedoch oft aus einer relativ flexiblen Struktur, insbesondere dann, wenn sie aus einem Blech eines Materials wie etwa Aluminium gebildet ist. Daher kann die Vorform 12 unter der Wirkung der elektromagnetischen Kraft, die durch die Heizelemente 22 erzeugt wird, verlagert werden oder nachgeben, wenn die Vorform nicht ausreichend gestützt wird. Eine solche Verlagerung der Vorform 12 kann den relativen Abstand zwischen einem speziellen Heizelement 22 und der Fläche der Vorform, die geglüht werden soll, verändern und die Eindringtiefe der Heizwirkung durch das Heizelement nachteilig beeinflussen. Die Verlagerung der Vorform 12 während des Glühprozesses kann auch zu einer dauerhaften Verformung der Vorform führen und eine Abmessungsschwankung in der endgültig gestanzten Form vergrößern.
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Gemäß einer Ausführungsform des Systems 10 kann die elektromagnetische Kraft, die durch die Heizelemente 22 erzeugt wird, wenn die Vorform 12 geglüht wird, ausreichend groß sein, um die Vorform gegen das zweite Formwerkzeug 18 zu pressen und zu halten. Daher kann die elektromagnetische Kraft verwendet werden, um derart auf die Vorform einzuwirken, dass die Vorform gegen das zweite Formwerkzeug 18 gepresst wird. Um die elektromagnetische Kraft zu nutzen, die während des Glühens der Vorform 12 durch die Heizelemente 22 erzeugt wird, ist die Übertragungseinrichtung 20 durch eine robuste Struktur charakterisiert, um deren Biegung zu begrenzen, wenn die elektromagnetische Kraft auf diese einwirkt. Die Heizelemente 22 können zusätzlich integral mit der Übertragungseinrichtung 20 ausgebildet sein, um eine Verlagerung der Heizelemente relativ zu der Übertragungseinrichtung zu begrenzen. Obgleich die Übertragungseinrichtung 20 ausgebildet ist, um bezogen auf die Presse 14 während des mehrstufigen Stanzvorgangs bewegt oder neu positioniert zu werden, ist die Übertragungseinrichtung darüber hinaus starr an ihren zugeordneten Halterungen angebracht (nicht gezeigt). Eine solche starre Anbringung der Übertragungseinrichtung 20 soll eine Verlagerung der Übertragungseinrichtung relativ zu dem zweiten Formwerkzeug 18 verringern.
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Die Übertragungseinrichtung 20 kann zusätzlich durch eine speziell ausgebildete Einrichtung in Eingriff mit der Vorform 12 befestigt werden. Wie in 1–4 gezeigt ist, kann die Übertragungseinrichtung 20 Streben 24 aufweisen, die ausgebildet sind, um mit der Vorform 12 in Eingriff zu gelangen und die Vorform an dem zweiten Formwerkzeug 18 zu halten. Wie zusätzlich in 1, 2 und 4 gezeigt ist, weist die Übertragungseinrichtung 20 auch Saugnäpfe 26 auf, die mit den Streben 24 funktional verbunden sind. Jeder der Saugnäpfe 26 ist ausgebildet, um mit der Vorform 12 in Eingriff zu gelangen und diese zu halten, wenn das vorgeformte Flächenelement durch die Heizelemente 22 geglüht wird. Zusätzlich sind die Saugnäpfe 26 ausgebildet, um die geglühte Vorform 12 aus der Stanzpresse 14 zu der nächsten Stufe des Stanzvorgangs zu übertragen (in 4 gezeigt).
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Wie in 2 gezeigt ist, kann das erste Formwerkzeug 16 einen Satz von Endanschlägen 28 aufweisen. Der Satz von Endanschlägen 28 ist ausgebildet, um mit der Übertragungseinrichtung 20 in Eingriff zu gelangen und die Übertragungseinrichtung relativ zu dem zweiten Formwerkzeug 18 zu halten, wenn die Vorform 12 durch die Heizelemente 22 geglüht wird. Der Satz von Endanschlägen 28 kann insbesondere nützlich sein, wenn die Übertragungseinrichtung 20 nicht ausreichend robust ist oder ihre Befestigung nicht ausreichend starr ist, um eine signifikante Verlagerung von dieser relativ zu der Vorform 12 während des Glühens zu verhindern. Der Satz von Endanschlägen 28 kann ausgebildet sein, um während des Glühens der Vorform 12 von dem ersten Formwerkzeug 16 aus ausgefahren zu werden, um die die Übertragungseinrichtung 20 relativ zu dem zweiten Formwerkzeug 18 in Position zu halten.
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Wie in 3 gezeigt ist, kann das zweite Formwerkzeug einen Klemmmechanismus 30 aufweisen. Der Klemmmechanismus 30 ist ausgebildet, um die Übertragungseinrichtung 20 relativ zu dem zweiten Formwerkzeug 18 festzuhalten, wenn das vorgeformte Flächenelement 12 durch die Heizelemente 22 geglüht wird. Der Klemmmechanismus 30 kann ausgebildet sein, um durch einen elektromechanischen oder einen hydraulischen Servomechanismus (nicht gezeigt) mit der Übertragungseinrichtung 20 in Eingriff zu stehen, um die Übertragungseinrichtung relativ zu dem zweiten Formwerkzeug 18 in Position zu halten.
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Die Übertragungseinrichtung 20 kann entweder als ein linearer Übertragungsmechanismus, wie er in 1, 2 und 4 gezeigt ist, als ein Roboterarm (nicht gezeigt), wie er üblicherweise in Übertragungs-Stanzanlagen verwendet wird, oder als ein Portalroboter (in 3 gezeigt) ausgebildet sein. Ein Portalroboter ist ein Industrieroboter mit kartesischen Koordinaten, der ausgebildet ist, um in einer geraden Linie betrieben zu werden, anstatt sich um drei Hauptsteuerachsen zu drehen. Wie in jeder der 1–4 gezeigt ist, wird die Übertragungseinrichtung 20 durch einen Controller 32 geregelt, um die Vorform 12 zwischen den Stufen des Stanzvorgangs zu übertragen. Der Controller 32 kann zusätzlich programmiert sein, um die Aktivierung der Heizelemente 22, das Ausfahren des Satzes von Endanschlägen 28 aus dem ersten Formwerkzeug 16 heraus und/oder den Eingriff der Übertragungseinrichtung 20 mit dem Klemmmechanismus 30 zu regeln.
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Eine Hilfskühlung des zweiten Formwerkzeugs 18 kann vorgesehen sein, um der Energie entgegenzuwirken, die während des beschriebenen Glühens der Vorform 12 durch das zweite Formwerkzeug absorbiert wird. Eine solche Hilfskühlung kann durch fest zuordnete Kühlungsdüsen 34 ausgeführt werden, wie es in 2 gezeigt ist. Die Kühlungsdüsen 34 können ausgebildet sein, um das zweite Formwerkzeug 18 entweder mit einer Luft- oder mit einer Fluidkühlung zu versorgen.
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5 zeigt ein Verfahren 40 zum Verarbeiten eines formbaren Flächenelements. Das Verfahren 40 wird hierin bezogen auf das System 10 zum Glühen des formbaren Flächenelements beschrieben, wie es in 1–4 gezeigt ist. Das Verfahren beginnt in Rahmen 42, wo das formbare Flächenelement in eine erste Presse eingefügt wird, die in 1–4 als die Stanzpresse 14 dargestellt ist, und es schreitet anschließend zu Rahmen 44 weiter. In Rahmen 44 umfasst das Verfahren, dass das Flächenelement zwischen dem ersten Formwerkzeug 16 und dem zweiten Formwerkzeug 18 in der Stanzpresse 14 vorgeformt wird und dass dadurch die Vorform 12 erzeugt wird. Von Rahmen 44 schreitet das Verfahren zu Rahmen 46 voran, wo es umfasst, dass das erste Formwerkzeug 16 außer Eingriff der Vorform 12 gebracht wird.
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Nach Rahmen 46 schreitet das Verfahren zu Rahmen 48 voran, wo es umfasst, dass die Vorform 12 mit der Übertragungseinrichtung 20 in Eingriff gelangt, während die Vorform durch das zweite Formwerkzeug 18 getragen wird. In Rahmen 48 kann das Verfahren zusätzlich umfassen, dass die Vorform 12 durch die Streben 24, welche die Saugnäpfe 26 aufweisen können, an dem zweiten Formwerkzeug 18 festgehalten wird. Alternativ kann das Festhalten der Übertragungseinrichtung 20 relativ zu dem zweiten Formwerkzeug 18 mittels des Klemmmechanismus 30 ausgeführt werden.
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Nach dem Rahmen 48 umfasst das Verfahren im Rahmen 50, dass die Vorform 12 in der ersten Presse, die als die Stanzpresse 14 gezeigt ist, mittels der Heizelemente 22 geglüht wird. In Rahmen 50 kann das Verfahren umfassen, dass die Vorform 12 durch die elektromagnetische Kraft, die durch die Heizelemente 22 erzeugt wird, gegen das zweite Formwerkzeug 18 gepresst wird. In Rahmen 50 kann das Verfahren zusätzlich umfassen, dass die Vorform 12 durch die Streben 24 mit den Saugnäpfen 26 an dem zweiten Formwerkzeug 18 festgehalten wird, und des kann zusätzlich umfassen, dass die Übertragungseinrichtung 20 mittels des Satzes von Endanschlägen 28 relativ zu dem zweiten Formwerkzeug gehalten wird.
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Nach dem Rahmen 50 schreitet das Verfahren zu Rahmen 52 voran, wo es umfasst, dass die Vorform 12 unter Verwendung der Übertragungseinrichtung 20 aus der ersten Presse, d. h. aus der Stanze 14, herausgenommen wird. Das Verfahren schreitet anschließend zu Rahmen 54 voran, wo es umfasst, dass die Vorform 12 zu einer zweiten Presse (nicht gezeigt) der nächsten Stufe des Stanzvorgangs unter Verwendung der Übertragungseinrichtung 20 übertragen wird. Das Herausnehmen der Vorform 12 in Rahmen 52 und die Übertragung der Vorform in Rahmen 54 können durch die Saugnäpfe 26 ausgeführt werden.
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Obgleich die besten Weisen zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute, welche diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche auszuüben.
