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Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug für das pressengebundene Herstellen von Blechbauteilen durch Umformen eines Blechmaterials.
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Ein Umformwerkzeug betreffender Art umfasst wenigstens zwei zueinander relativbewegliche Werkzeugteile zwischen denen das umzuformende Blechmaterial angeordnet und durch Ausführen eines pressenseitig erzeugten Schließhubs umgeformt werden kann. Bei den Werkzeugteilen handelt es sich insbesondere um ein Werkzeugunterteil, das insbesondere auf dem Pressentisch aufliegt, und um ein Werkzeugoberteil, das insbesondere am Pressenstößel befestigt ist. Die Umformung des Blechmaterials erfolgt mit korrespondierenden Werkzeugwirkflächen an den Werkzeugteilen.
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Die mechanischen Materialeigenschaften des verwendeten Blechmaterials (wie z. B. die Festigkeit und die Duktilität, aber auch die Korngröße, die Anisotropie, die Versetzungsdichte und dergleichen) und die damit verbundenen Umformeigenschaften (womit insbesondere die Eignung des Blechmaterials zur Umformung gemeint ist) haben auf den Umformvorgang und auf die Blechbauteilequalität maßgebenden Einfluss. Insbesondere müssen die Prozessparameter für den Umformvorgang und die mechanischen Materialeigenschaften aufeinander abgestimmt sein.
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Das verwendete Blechmaterial entspricht jedoch häufig nicht den Lieferantenangaben und/oder unterliegt Eigenschaftsschwankungen, wozu bspw. so genannte Chargenschwankungen und Alterungseffekte zählen. Diese Eigenschaftsschwankungen können durch regelmäßige Überprüfungen, bspw. mittels Zugversuch, nur bedingt erfasst werden, was zudem zeitaufwändig und teuer ist. In der
DE 10 2011 016 536 A1 ist eine Vorrichtung beschrieben, mit der das verwendete Blechmaterial während der Zuführung zu einer Presse zerstörungsfrei geprüft werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie die Umformeigenschaften eines zum Umformen, insbesondere durch Tiefziehen, verwendeten Blechmaterials unter Vermeidung oder Verringerung wenigstens eines mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteils zuverlässig und eindeutig geprüft werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs ergeben sich sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Umformwerkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass dieses (wenigstens) eine Prüfvorrichtung aufweist, mit der während eines Schließhubs das zwischen den Werkzeugteilen befindliche Blechmaterial hinsichtlich seinen Umformeigenschaften geprüft werden kann, wozu diese Prüfvorrichtung
- – einen Prüfstempel, der während des Schließhubs in einem außerhalb der Blechbauteilgeometrie liegenden Bereich in das Blechmaterial gedrückt wird, und
- – (wenigstens) einen Wirbelstromprüfsensor, mit dem gleichzeitig die mit diesem Prüfstempel herbeigeführte Umformung des Blechmaterials erfassbar bzw. registrierbar ist, umfasst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Produktionswerkzeug zur Serienherstellung von Karosserieblechbauteilen für Kraftfahrzeuge in einem Presswerk. Insbesondere handelt es sich um ein Tiefziehwerkzeug. Der Umformung des Blechmaterials im erfindungsgemäßen Umformwerkzeug können zur vollständigen Herstellung der Blechbauteile weitere Umformungen in anderen Umformwerkzeugen (insbesondere innerhalb einer Pressenstraße) vorausgehen und/oder nachfolgen, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass es sich bei dem Eingangswerkzeug (in dem die erste Umformoperation durchgeführt wird) um ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug handelt. In einem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug können gegebenenfalls auch Schneidoperationen durchgeführt werden. Insbesondere kann es sich auch um ein reines, vorzugsweise pressengebundenes, Schneidwerkzeug handeln, dessen Aufbau im Wesentlichen einem Umformwerkzeug, wie eingangs beschrieben, entspricht.
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Die Erfindung sieht vor, direkt in ein Umformwerkzeug (wenigstens) eine Prüfvorrichtung zu integrieren, mit der das verwendete Blechmaterial hinsichtlich seiner Umformeigenschaften geprüft werden kann. Durch die Integration in das Umformwerkzeug werden einerseits zeitunaufwändige, prozessintegrierte Inline-Prüfungen und andererseits direkte Rückschlüsse auf die Umformeigenschaften und die damit einhergehende Umformbarkeit des verwendeten Blechmaterials bzw. Blechwerkstoffs ermöglicht. Die Umformeigenschaften des verwendeten Blechmaterials werden quasi am Ort des Geschehens unter den dort gegebenen Bedingungen geprüft.
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Die mit der Prüfvorrichtung herbeigeführte und mit dem Wirbelstromprüfsensor erfasste lokale Umformung des Blechmaterials ermöglicht eindeutige und verlässliche Aussagen über die Umformeigenschaften des verwendeten Blechmaterials. Dadurch können die Lieferantenangaben besser und einfacher kontrolliert werden (Überprüfung und Bewertung der Werkstoffqualität des Ausgangsmaterials). Ferner können die bestehenden Prozessparameter für den Umformvorgang einfacher beurteilt und gegebenenfalls auch besser eingestellt werden, d. h. insbesondere präziser an die Umformeigenschaften des Blechmaterials angepasst werden. Wird ein kritischer Zustand erkannt oder wird bei aufeinanderfolgenden Prüfungen eine kritische Veränderung der Umformeigenschaften registriert, so kann ein korrigierender Eingriff durch Variierung von Prozessparametern für den nachfolgenden Umformvorgang bzw. für den folgenden Pressenhub erfolgen. In besonders kritischen Fällen kann die Weiterverarbeitung der aktuellen Charge abgebrochen werden. Durch die Erfindung können die Produktivität und Wirtschaftlichkeit gesteigert werden.
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Da es sich um eine zerstörende Prüfung des Blechmaterials handelt, ist vorgesehen, dass der zur Prüfvorrichtung gehörende Prüfstempel in einem außerhalb der Blechbauteilgeometrie liegenden Bereich und insbesondere innerhalb einer nicht zum Blechbauteil gehörenden fertigungsbedingten Restfläche auf das Blechmaterial gedrückt bzw. in dieses eingedrückt wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei einer solchen außerhalb der eigentlichen Blechbauteilgeometrie liegenden Restfläche um ein im Weiteren bzw. nachfolgend auszuschneidendes Abfallstück, wie bspw. ein Fenster- oder Schiebedachausschnitt, oder um abzuschneidendes Abfallstück, wie bspw. eine Ankonstruktion, handelt.
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Die mit dem Prüfstempel herbeigeführte lokale Umformung wird zeitgleich (d. h. während der Umformung und somit bei geschlossenem Umformwerkzeug) mit dem wenigstens einen Wirbelstromprüfsensor automatisch erfasst, was eine schnelle Inline-Prüfung ermöglicht. Bei dem Wirbelstromprüfsensor handelt es sich bspw. um einen Wirbelstrom-Tastkopf. Ein solcher Wirbelstromprüfsensor bzw. Wirbelstrom-Tastkopf weist wenigstens eine Erregerspule auf, mit der Wirbelströme im Blechmaterial induziert werden können, und wenigstens eine Messspule, mit der das resultierende magnetische Feld gemessen werden kann, was Rückschlüsse auf Kennwerte und Eigenschaften des Blechmaterials ermöglicht (im Weiteren wird auf entsprechende Fachliteratur und auf die eingangs genannte
DE 10 2011 016 536 A1 verwiesen). Mit einem solchen Wirbelstromprüfsensor bzw. Wirbelstrom-Tastkopf ist insbesondere auch eine qualitative und/oder quantitative Kraft- und Spannungsbestimmung in ferromagnetischen Blechmaterialien möglich (wozu im Weiteren ebenfalls auf entsprechende Fachliteratur verwiesen wird). Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Wirbelstromprüfsensor um einen so genannten 3MA-Prüfsensor, der auf Basis von elektromagnetischen Wechselwirkungen eine 3MA-Prüftechnik (Mikromagnetische, Multiparameter-, Mikrostruktur- und Spannungs-Analyse) ermöglicht. Ein solcher 3MA-Prüfsensor kann auch als Wirbelstrom-Mehrfachprüfsensor bzw. Wirbelstrom-Multiprüfsensor bezeichnet werden. Die 3MA-Prüftechnik kann sowohl für die qualitative als auch für die quantitative Prüfung des Blechmaterials eingesetzt werden (auch hier wird im Weiteren auf entsprechende Fachliteratur verwiesen).
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Der zur Prüfvorrichtung gehörende Prüfstempel ist in einem der Werkzeugteile, bspw. in einem Werkzeugoberteil, angeordnet. Im anderen Werkzeugteil, bspw. in einem Werkzeugunterteil, kann eine mit dem Prüfstempel korrespondierende Prüfmatrize angeordnet sein. Typischerweise verfügt der Prüfstempel über keinen separaten Antrieb. Der Prüfstempel kann starr an dem betreffenden Werkzeugteil befestigt sein oder gegebenenfalls unabhängig über eine Ziehkisseneinrichtung relativ zum betreffenden Werkzeugteil bewegt werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass durch entsprechende werkzeugbauliche Maßnahmen der Prüfvorrichtung ein, insbesondere separat oder zusammen mit dem Prüfstempel betätigbarer, Niederhalter zur Fixierung des Blechmaterials im Bereich der Prüfmatrize und/oder wenigstens eine Brems- oder Absperrsicke (bzw. Zieh- oder Absperrwulst) zur Beeinflussung des Blechmaterialflusses, insbesondere zur Beeinflussung des Blechmaterialflusses in die Prüfmatrize, zugeordnet ist.
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Bevorzug ist vorgesehen, dass der Prüfstempel an seinem freien mit dem Blechmaterial in Berührung kommenden Ende einen kugelförmigen oder zumindest kugelsegmentförmigen Stempelkopf aufweist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Prüfstempel auch einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweist. Der Durchmesser des Stempelkopfs kann im Bereich von 8 mm bis 50 mm und bevorzugt im Bereich von 8 mm bis 20 mm liegen. Die mit einem solchen Stempel herbeigeführte lokale Umformung des Blechmaterials ist an einen Tiefungsversuch nach Erichsen (wozu auf entsprechende Fachliteratur verwiesen wird) angelehnt. Die Erfassung erfolgt jedoch nicht durch Sichtprüfung und händische Vermessung, sondern zeitgleich mit Hilfe des Wirbelstromprüfsensors.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Wirbelstromprüfsensor im Prüfstempel und insbesondere im Bereich des Stempelkopfs angeordnet ist. Durch diese Anordnung des Wirbelstromprüfsensors wird eine sehr gute Erfassung der mit dem Prüfstempel herbeigeführten lokalen Umformung des Blechmaterials, vorzugsweise in Abhängigkeit des Stempelwegs und insbesondere des damit einhergehenden Pressenstößelwegs, ermöglicht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug handelt es sich insbesondere um ein Tiefziehwerkzeug. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Prüfvorrichtung in diesem Tiefziehwerkzeug dazu ausgebildet ist, eine gleichbleibende Eignung des Blechmaterials zur Umformung durch Tiefziehen zu prüfen. Zur Prüfung der gleichbleibenden Eignung des Blechmaterials zur Umformung durch Tiefziehen ist eine qualitative Erfassung von Kennwerten nicht unbedingt erforderlich. Stattdessen ist eine Relativbetrachtung bzw. Relativauswertung (zur Registrierung von Veränderungen) ausreichend, mit der Eigenschaftsveränderungen bzw. -schwankungen bei fortlaufenden Pressenhüben bzw. Schließhüben (eventuell auch auf Basis statistischer Auswertungen) erkannt werden können, so dass hierauf in geeigneter Weise reagiert werden kann.
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In einem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug kann außerhalb der Prüfvorrichtung wenigstens ein weiterer Wirbelstromprüfsensor, wobei es sich insbesondere um einen 3MA-Prüfsensor handelt, angeordnet sein. Dieser weitere Wirbelstromprüfsensor kann bspw. im Ziehstempel des Umformwerkzeugs angeordnet sein. Die mit diesem weiteren Wirbelstromprüfsensor erfassten Materialkennwerte bzw. Messwerte können zur Überprüfung und Validierung (Feststellung der Gültigkeit) der mit der Prüfvorrichtung erfassten Kennwerte bzw. Messwerte dienen.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die einzige nicht maßstabsgerechte Figur näher erläutert. Die in der Figur gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können jedoch, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
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1 zeigt in zwei einzelnen Schnittdarstellungen einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug.
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Das erfindungsgemäße Umformwerkzeug 100, wobei es sich um ein Tiefziehwerkzeug handelt, umfasst ein Werkzeugoberteil 110 mit einer Werkzeugwirkfläche 112 und ein Werkzeugunterteil 120 mit einer Werkzeugwirkfläche 122. 1a zeigt das Umformwerkzeug 100 im geöffneten Zustand mit zueinander beabstandeten Werkzeugteilen 110 und 120. Zwischen den Werkzeugteilen 110 und 120 ist ein Blechmaterial M positioniert, wobei es sich insbesondere um ein Stahlblech handelt, welches während eines Schließhubs D beim pressenbetätigten Absenken des Werkzeugoberteils 110 (wie mit dem Pfeil veranschaulicht) durch die korrespondierenden Werkzeugwirkflächen 112 und 122 umgeformt wird.
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Das erfindungsgemäße Umformwerkzeug 100 weist eine integrierte Prüfvorrichtung 200 auf, mit der während eines Schließhubs D das zwischen den Werkzeugteilen 110 und 120 befindliche Blechmaterial M hinsichtlich seiner Umformeigenschaften geprüft werden kann. Die Überprüfung findet quasi parallel bzw. zeitgleich zur Umformung des Blechmaterials M statt.
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Die Prüfvorrichtung 200 umfasst einen im Werkzeugoberteil 110 starr angeordneten und kreiszylindrisch ausgebildeten Prüfstempel 210, dessen kugelsegmentförmiger Stempelkopf 211 im Wesentlichen senkrecht von der Werkzeugwirkfläche 112 übersteht. Im Werkzeugunterteil 120 ist gegenüberliegend vom Prüfstempel 210 eine Prüfmatrize 220 mit einem Ziehring 221 angeordnet, die ebenfalls der Prüfvorrichtung 200 zugeordnet werden kann. Mit 230 ist ein Kraftmesssensor zur Registrierung der Stempelkraft und mit 240 ist ein an geeigneter Stelle im Stempelkopf 211 des Prüfstempels 210 angeordneter Wirbelstromprüfsensor bezeichnet, wobei diese Komponenten ebenfalls der Prüfvorrichtung 200 zugeordnet werden können. Der Prüfstempel 210 und die Prüfmatrize 220 können auch vertauscht an den Werkzeugteilen 110 und 120 angeordnet sein. Die Prüfvorrichtung 200 ermöglicht eine so genannte zerstörende Prüfung des Blechmaterials M, wie nachfolgend näher erläutert.
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Die Prüfvorrichtung 200 ist in einem außerhalb der Bauteilgeometrie (des durch Umformung herzustellenden Blechbauteils) liegenden Bereich A angeordnet, wie obenstehend erläutert. Der Materialbereich A wird nachfolgend, bspw. in einer späteren Schnittoperation, an einer Schnittlinie C vom eigentlichen Blechformteil (linksseitig der Schnittlinie C) abgetrennt.
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Bei einem Schließhub D wird der Prüfstempel 210 in einer zur Blechoberfläche senkrechten Richtung in bzw. bei anderer Betrachtungsweise auf das zwischen den Werkzeugteilen 110 und 120 befindliche Blechmaterial M gedrückt, woraufhin das Blechmaterial M durch den Ziehring 221 gezogen und auf diese Weise lokal verformt wird. 1b zeigt den geschlossenen Zustand (Pressenstößel und Werkzeugoberteil 110 in UT). Bei der durch den Prüfstempel 110 hervorgerufenen lokalen Umformung des Blechmaterials M können örtliche Blechausdünnungen und auch Reißer im Blechmaterial M auftreten.
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Während des Schließhubs D kann der Stempelweg durch eine nicht gezeigte Wegmesseinrichtung registriert werden. Die auftretende Stempelkraft kann, über der Zeit oder über dem Stempelweg, mit dem Kraftmesssensor 230 registriert werden. Mit Hilfe des Wirbelstromprüfsensors 240 im Stempelkopf 211 wird gleichzeitig die mit dem Prüfstempel 210 herbeigeführte lokale Umformung des Blechmaterials M erfasst. Dies kann bspw. anhand der Registrierung von Kraft- und/oder Spannungszuständen (gegebenenfalls auch Dehnungszustände), über der Zeit oder über dem Stempelweg, erfolgen. Sämtliche registrierten Werte können sofort zueinander in Korrelation gebracht und ausgewertet werden, was Rückschlüsse auf die Umformeigenschaften und die damit einhergehende Umformbarkeit des verwendeten Blechmaterials M ermöglicht. Die Auswertung und Weiterverarbeitung der registrierten Werte kann mit Hilfe einer nicht dargestellten Computereinrichtung erfolgen. Bevorzugt erfolgt eine Relativbetrachtung bzw. Relativauswertung, wie obenstehend erläutert.
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Der vorgegebene Tiefungsweg des Prüfstempels 210 kann durch Verändern des Überstands (bezüglich der Werkzeugwirkfläche 112) eingestellt werden. Sowohl der Prüfstempel 210 als auch der Ziehring 221 sind ausbaubar im Umformwerkzeug 100 angeordnet und können ganz ausgebaut oder gegen funktionsgleiche Komponenten mit anderen Abmessungen ausgetauscht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Umformwerkzeug
- 110
- Werkzeugoberteil
- 112
- Werkzeugwirkfläche
- 120
- Werkzeugunterteil
- 122
- Werkzeugwirkfläche
- 200
- Prüfvorrichtung
- 210
- Prüfstempel
- 211
- Stempelkopf
- 220
- Prüfmatrize
- 221
- Ziehring
- 230
- Kraftmesssensor
- 240
- Wirbelstromprüfsensor
- A
- Bereich (außerhalb des Blechbauteils)
- C
- Schnittlinie
- D
- Schließhub
- UT
- unterer Totpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011016536 A1 [0004, 0012]
