DE102013019397B4

DE102013019397B4 - Formdorn

Info

Publication number: DE102013019397B4
Application number: DE102013019397.4A
Authority: DE
Inventors: Dieter Weise
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: DE102013019397A1

Abstract

Formdorn (20) für eine Umformvorrichtung, insbesondere für eine Umformvorrichtung (1) zum inkrementellen Umformen eines Bleches (15), aufweisend einen vorbestimmten Durchmesser (D) aufweisenden Schaft (21) mit einem Formendabschnitt (30), der einen Formrand (25) mit einer Krümmung mit einem vorbestimmten Krümmungsradius (R3, R4) aufweist, wobei der Krümmungsradius des Formrandes (25) entlang eines Umfanges des Formendabschnittes (30) variabel ist, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Erstreckung des Krümmungsradius (R3, R4) zwischen der Längs-Schwereachse (S) des Formdorns (20) und der Umfangsfläche des Formrandes (25, 25.1, 25.2) hin zum Formendabschnitt (30) zunimmt oder abnimmt und an dem Formendabschnitt (30) eine mittige Ausnehmung (24) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Formdorn für eine Umformvorrichtung, insbesondere für eine Umformvorrichtung zum inkrementellen Umformen eines Bleches gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Umformvorrichtung.
JP 2000 153 313 A betrifft eine Press- und Umformvorrichtung zur Vermeidung einer Rissbildung während des Umformens eines Werkstücks aufgrund der sich verringernden Bauteildicke beim Umformen. Hierfür wird ein Formdorn vorgeschlagen, der an seinem Endabschnitt einen im Wesentlichen sternförmigen, kreuzförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
US 3,342,051 A betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum matrizenlosen Umformen eines Bleches. Hierfür wird das Blech zwischen Klemmringen eines rotierbaren Arbeitstisches gespannt. Zum Umformen wird der Arbeitstisch in Rotation versetzt und ein zuvor auf dem Blech gelagertes Formwerkzeug, das an einem Werkzeughalter angebracht ist, eingedrückt. Das Formwerkzeug kann eine Walze oder eine rotierende Kugel sein.
DE 10 2006 002 146 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum inkrementellen Blechumformen. Die Vorrichtung weist einen Umformdorn auf, der CNC-geführt ist, mittels dem eine sogenannte Skelettmatrize ausgebildet werden soll.
Aus dem herömmlichen Stand der Technik sind Formdorne bekannt, die einen konstanten Krümmungs-Radius R1/R2, wie beispielsweise in 2a und 2b gezeigt, an ihrem Formendabschnitt aufweisen, die nicht für die Herstellung jedes Umformradius verwendet werden können.
Mit den in 2a und 2b dargestellten Formdornen können in einem Umformvorgang nicht alle gewünschten Verformungen an einem zu bearbeitenden und umzuformenden Werkstück 15, wie einem Blech, ausgebildet werden. Beispielsweise ist es mit den in 2a und 2b dargestellten Formdornen in einem inkrementellen Umformvorgang nicht möglich, am Grund von Sicken, Taschen, Napfkonturen oder ähnlichen Formelementen das zu bearbeitende Werkstück mit besonders engen und kleinen Radien auszugestalten. Derzeit sind keine geeigneten Formdorne für die umformtechnische Umsetzung dieser Aufgabe bekannt.
Soll beispielsweise im Grund einer Tasche eine Fase mit einem kleinen Radius ausgeformt werden, so muss der Formdorn einen besonders schlanken Durchmesser aufweisen. Ab einem bestimmten Krümmungsradius und ab einer bestimmten Abmessungsgröße des Formschaftes kann der auszubildende Krümmungsradius nur auf Kosten der Steifigkeit des Formdorns hergestellt werden. Dies führt bei engen Radien und/oder bei tiefen Taschen zu ungewünschten Dorndurchbiegungen, einem vergrößerten Werkzeugverschleiß oder sogar zu einem Versagen des Formdorns, wie beispielsweise Dornbruch.
Nachteilig bei derartige Formdornen 10, wie in den 2a und 2b gezeigt, ist, dass mit dem an dem Formende 12 ausgebildeten konstanten Krümmungsradien R1 und R2 nicht alle Radien in dem Werkstück 15 ausgebildet werden können, insbesondere keine Radien die kleiner als die Radien R1 und R2 des Formdorns 10 sind.
Der konstante Krümmungsradius der Stand-der-Technik-Formdorne kann außerdem zu einer Überbeanspruchung am Blech führen, da an dem Formdorn wegen der konstanten Krümmung auch hohe Formkräfte auftreten können. Diese Kräfte können zu einer Zerstörung des zu formenden Materials führen und den Werkstückwerkstoff unbrauchbar machen. Dies ist insbesondere beim inkrementellen Umformen wirtschaftlich problematisch, da hier überwiegend Einzelstücke oder Kleinstserien hergestellt werden, bei denen sich schon der Verlust eines umgeformten Werkstückes als wirtschaftlich schädlich auswirken kann. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Formdorn bereitzustellen, mit dem die oben aufgeführten Probleme gelöst oder zumindest abgemindert werden können. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung einen Formdorn bereitzustellen, der eine hohe Steifigkeit aufweist und dennoch die präzise Ausbildung von Radien mit kleinen Abmessungen in einem umzuformenden Material erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Formdorn gelöst, der wenigstens die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist.
Nach einem Aspekt wird ein Formdorn für eine Umformvorrichtung, insbesondere für eine Umformvorrichtung zum inkrementellen Umformen eines Bleches bereitgestellt, wobei der Formdorn einen vorbestimmten Durchmesser aufweisenden Schaft mit einem Formendabschnitt aufweist, der einen Formrand mit einer Krümmung mit einem vorbestimmten Krümmungsradius aufweist, wobei der Krümmungsradius des Formrandes entlang eines Umfanges des Formendabschnittes variabel ist. Dies hat den Vorteil, dass mit dem Formdorn auch Krümmungsradien ausgebildet werden können, ohne dass hierfür der Durchmesser des Formschaftes und damit die Steifigkeit des Formdorns geschwächt werden muss. Unter Formrand ist hierbei der Abschnitt des Formdorns zu verstehen, der in Eingriff mit dem umzuformenden Werkstück gebracht wird, um die vorgesehene plastische Verformung an dem Werkstück auszubilden.
Nach einem Ausführungsbeispiel des Formdorns nimmt die radiale Erstreckung der Krümmungsradius zwischen der Längs-Schwereachse des Formdorns und der Umfangsfläche des Formrandes hin zum Formendabschnitt zu oder ab und/oder an dem Formendabschnitt ist eine Ausnehmung ausgebildet. Der unterschiedliche Krümmungsradius erlaubt vorteilhafterweise mit ein und demselben Formdorn unterschiedliche Biegungen in einem umzuformenden Werkstück auszubilden. Die Ausnehmung bietet den Vorteil, dass zusätzliche Formgebungs-Möglichkeiten an dem Formdorn für zu formende Werkstücke/Bleche ausgebildet sind und der Formdorn bestimmte Krümmungsradien bereitstellen kann, ohne dass hierbei die Steifigkeit und die Abmessungen des Formschaftes des Formdornes herabgesetzt werden müssen.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel des Formdorns wird die Ausnehmung von einem Formrand definiert, der die Ausnehmung rotationssymmetrisch und/oder wenigstens teilweise ringförmig umgibt. Unter ringförmig ist hierbei eine torusförmige Gestalt des Formrandes zu verstehen, ähnlich einem Rettungsring oder einem Donut. Unter rotationssymmetrisch ist hierbei die geometrische Eigenschaft eines Abschnittes des Formdorns zu verstehen, dass dieser Abschnitt durch eine geometrische Rotation auf sich selbst abgebildet werden kann.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Formdorns wird die Ausnehmung von zwei Formvorsprüngen definiert, die sich von dem Formendabschnitt erstrecken. Die Formvorsprünge bilden hierbei den Formrand und definieren über ihre Krümmung den Krümmungsradius des Formrandes.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel des Formdorns weist der Formrand und/oder der jeweilige Formvorsprung eine Krümmung mit einem Radius auf, der abhängig vom Durchmesser des Schaftes ist, wobei die radiale Erstreckung des Krümmungsradius zwischen der Schwereachse des Formdorns und dem Formrand konstant und/oder variabel ist. Der Krümmungsmittelpunkt des Krümmungsradius kann sich hierbei aus dem geometrischen Schnittpunkt der Schwereachse des Formdorns in Längsrichtung und der jeweiligen Schwerechse des jeweiligen Formrandes oder Vorsprunges ergeben. Der Krümmungsmittelpunkt wird bevorzugt über die Grenzlage des Schnittpunktes der Normalen der den Formrand bzw. die Umfangsfläche des Vorsprungs definierenden Kurve bestimmt, wenn die Kurvenpunkte der Normalen aufeinander zustreben.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel des Formdorns weist der Formrand wenigstens abschnittweise eine Krümmung mit einem vorbestimmten Radius R3, R4 auf, wobei für R3, R4 < D/2 (I) (III) und/oder R4 ≥ D/2 (II) gilt, und die Variablen R3 und R4 den Krümmungsradius des Formrandes repräsentieren und die Variable D den Durchmesser des Formschaftes des Formdorns repräsentiert.
Nach einem Ausführungsbeispiel des Formdorns erstreckt der Formrand sich innerhalb der Umfangsfläche des Formschaftes des Formdorns und/oder außerhalb der Umfangsfläche des Formschaftes. Unter der Umfangsfläche des Formschaftes ist hierbei die den Formschaft definierende zylindrisch verlaufende Mantelfläche zu verstehen, die denselben Durchmesser wie der Formschaft hat.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Formdorns definiert der ringförmige Formrand oder definieren die zueinander beabstandete Formvorsprünge wenigstens teilweise die Ausnehmung.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel des Formdorns weist der Formrand und/oder weisen die Formvorsprünge einen Außendurchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser des Formschaftes.
Die Aufgabe wird auch mit einer Umformvorrichtung, insbesondere einer Umformvorrichtung zum inkrementellen Umformen eines Werkstücks, nach Anspruch 9 gelöst, in der eine der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Formdorns verwendet wird. Unter einer inkrementellen Umformvorrichtung ist hierbei ein schrittweises Umformen eines umzuformenden Werkstückes mittels eines Formdornes zu verstehen, wobei eine Bauteilkontur aus dem Zusammenwirken inkrementeller (schrittweise) Formdornbewegungen über die vorbestimmten Abschnitte des umzuformenden Werkstückes erfolgt.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Formdorns ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 eine schematische Teilschnittansicht einer herkömmlichen Vorrichtung zum inkrementellen Umformen eines Bleches mittels eines herkömmlichen Formdorns,
2a und 2b schematische Teilschnittansichten in einem vergrößerten Maßstab des Formendabschnitts des Formdorns nach dem Stand der Technik, wie er in der Vorrichtung zum inkrementellen Umformen nach 1 verwendet wird,
3a und 3b schematische Teilschnittansichten eines ersten und eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Formdorns,
4a, 4b und 4c schematische Teilschnittansichten unterschiedlicher Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Formdorns aus den in 3a und 3b gezeigten Teilschnittansichten,
5a, 5b und 5c schematische Unteransichten der in 4a bis 4c gezeigten Ausführungsbeispiele des jeweiligen Formdorns,
6a, 6b, 6c und 6d schematische Teilschnittansichten weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Formdorns,
7a bis 7d schematische Unteransichten der in 6a bis 6d gezeigten Formdorne gemäß der Sichtlinienführung B-B aus 6a bis 6d,
8a, 8b, 8c und 8d schematische Teilschnittansichten andere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Formdorns, und
9a, 9b, 9c und 9d schematische Unteransichten der in 8a, 8b, 8c und 8d gezeigten Formdorne gemäß der Schnittführung C-C aus 8a bis 8d.

In einzelnen Figuren ist zur besseren Orientierung ein X-Y-Z-Bezugssystem angezeigt, so dass die relative und lokale Lage der einzelnen Abschnitte eines Formdorns 20 und Elemente der Vorrichtung 1 zum inkrementellen Umformen zueinander verständlicher ist.
1 zeigt in einer schematischen Teilschnittansicht eine Vorrichtung 1 zum inkrementellen Umformen eines Werkstücks 15, hier ein Blech. Das Blech 15 wird an seinem Rand wenigstens beidseitig bzw. umfänglich mittels eines oberen Halters 14 und eines unteren Halters 16 zwischen denselben in einer aufgespannten Position gehalten und bereitgestellt. Das Blech 15 und die dargestellten Elemente erstrecken sich in X-Y in der Blattebene und in Z-Richtung vor und hinter der Blattebene. Das Blech 15 wird vorzugsweise in der Praxis auf ähnliche Art und Weise an seinen Randabschnitten mittels Haltern vor und hinter der Blattebene gehalten. Unterhalb des Bleches auf der dem Formdorn 10 entgegengesetzten Seite kann ein Gegenhalter, der mit dem Formdorn mitbewegt wird, oder eine Patrize oder eine Matrize angeordnet sein, in die das Blech mittels des Formdorns eingeformt wird.
Das Blech 15 ist in 1 in einem inkrementellen Verformungszustand dargestellt, wobei ein Formende 12 des Formdorns 10 das Blech in den in 1 dargestellten Zustand nach einem inkrementellen Verformungsschritten umgeformt hat.
Zum Formen des Werkstücks 15 wird in der Vorrichtung 1 zum inkrementellen Umformen der Formdorn 10 inkrementell an dem zu formenden Werkstück 15 zum Ausbilden der gewünschten Bauteilkontur bewegt. Der Formdorn 10 weist einen Druckschaft 11 und ein Formende 12 auf, mittels dem die gewünschte Verformung in dem Werkstück 15 ausgebildet werden kann. Der an dem Blech angrenzende Umfangsrand des Formendes 12 des Formdorns 10 steht beim Umformen in Eingriff mit dem umzuformenden Blech 15 und wird vorzugsweise um seine Symmetrieachse S rotiert. Mittels des rotierenden Formdorns 10 wird das Blech 15 umgeformt, wobei in inkrementellen Schritten eine schrittweise Angleichung an die vorgegebne Verformung durchgeführt wird, ohne dass hierbei Material abgetragen wird. Hierbei kann ein Gegenhalter, eine Patrize und/oder Matrize (nicht dargestellt) zum Einsatz kommen.
Der in 1 dargestellte Formdorn 10 entspricht dem Stand der Technik, wobei, wie in 2a und 2b dargestellt, der Durchmesser D des Schaftes des Formdorns 10 an seinem Formende 12 eine konstante Krümmung mit einem Radius R1 oder R2 aufweist.
In den nachfolgenden 3a bis 9d sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Formdorns 20 dargestellt, die in der in 1 dargestellten inkrementellen Umformvorrichtung 1 eingesetzt werden können.
3a und 3b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel und ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Formdorns 20, jeweils in einer Teilschnittansicht. Der in den 3a und 3b gezeigte Formdorn 20 weist einem Formschaft 21 mit einem Durchmesser D und einen Endabschnitt 30 auf, an dem ein Formkopf 30 aus einem Vorsprung 22, 23 mit einem Krümmungsradius R3 bzw. R4 ausgebildet ist.
Bei dem jeweils in 3a und 3b dargestellten Formdorn 20 ist die radiale Ersteckung des jeweiligen Vorsprungs 22, 23 in X-, Y- und Z-Richtung im Wesentlichen konstant. Mit der Teilschnittansicht ist das X-Y-Z-Bezugssystem dargestellt, wobei das Ende des Formdorns 20, das zum Umformen vorgesehen ist, sich in Y-X-Richtung erstreckt.
Das X-Y-Z-Bezugssystem bezieht sich auf die Schwereachse bzw. Symmetrieachse S der in den hierin nachfolgend beschriebenen und in den 3a bis 9d dargestellten Formdorne 20. Das X-Y-Z-Bezugssystem ist zur besseren Übersicht nicht immer direkt auf die Schwereachse S des jeweiligen Formdorns 20 positioniert.
Die in den 3a und 3b gezeigten Formdorne 20 sind zum Rotieren um die Schwereachse S ausgebildet und weisen daher jeweils einen torusartig verlaufenden Vorsprung 22, 23 auf. Unter einem Torus ist hierbei eine geometrische Gestalt in der Form eines Rettungsrings, Schwimmreifens oder Donuts zu verstehen, der wenigstens teilweise in dem Formschaft 21 des Formdorns 20 eingebettet ist.
In 3a ist das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Formdorns 20 dargestellt.
Der Formdorn 20 weist den Schaft 21 und den Formendabschnitt 30 auf. Der Formendabschnitt 30 weist den sich ringförmig bzw. torusartig erstreckenden Vorsprung 23 auf, der einen Formrand 25 und eine Ausnehmung 24 definiert. Wie in 3a gezeigt wird, erstreckt sich der Vorsprung 22 innerhalb der Umfangsfläche bzw. des Durchmessers D des Formdorns 20.
Der Formrand 25 weist einen Krümmungsradius R3 auf, der bevorzugt nicht größer als die Hälfte des Durchmessers D des Formschaftes 21 ist und ist zur Ausbildung einer Verformung in den damit zu verformenden Werkstücken 15 ausgebildet.
Der Formrand 25 erstreckt sich an dem Formendabschnitt 30 um das Ende des Schaftes 21. Der Formrand 25 kann sich an dem Formendabschnitt 30 ringförmig erstrecken oder als kreisförmig vorstehender Vorsprung 22 rotationssymmetrisch ausgebildet sein, so dass der Vorsprung 22 einen Torus bildet.
Der Formrand 25 bzw. der Vorsprung 22 weisen nach einem ersten Ausführungsbeispiel jeweils einen Krümmungsradius R3 auf, der kleiner als der Durchmesser D des Formschaftes 21 ist. Bevorzugt ist der Krümmungsradius R3 des in 3a gezeigten Formdorns 20 in einem Bereich von R3 ≤ D/2. Der ringförmig verlaufende Formrand 25 oder der vorstehende Vorsprung 22 definieren die Ausnehmung 24.
Das Ausbilden von Fasen mit den gewünschten Radien erfolgt beispielsweise durch ein Rotieren des Formdorns 20, wobei die Position des Formdorns 20 relativ zum Blech 15 inkrementell verstellt wird, so dass beispielsweise Sicken oder Vertiefungen in dem Blech 15 ausgebildet werden können, die mindestens den Krümmungsradius R3 aufweisen. Mit dem Krümmungsradius R3 können besonders kleine Radien ausgebildet werden.
3b zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Formdorns 20, wobei der Krümmungsradius R4 des Vorsprungs 23, der den torusartig verlaufenden Formrand 25 bildet, im Bereich von R4 ≥ D/2 liegt. Der Formrand 25 erstreckt sich über die äußere Umfangsfläche des Formschaftes 21 des Formdorns 20 und steht seitlich aus der äußeren Umfangsflächenebene des Formschaftes 21 vor. Dies hat den Vorteil, dass die an dem Blech wirkenden Kontaktkräfte verringert werden können. Wie in 3b gezeigt wird, erstreckt sich der Vorsprung 23 außerhalb der Umfangsfläche bzw. des Durchmessers D des Formdorns 20.
Der Vorsprung 23, der sich seitlich über die äußere Umfangsfläche des Formschaftes 21 erstreckt, kann auch einen Krümmungsradius R4 aufweisen, wobei bei den seitlich angeordneten Vorsprüngen 23, 27 R4 ≤ D/2 gelten kann (siehe 6d, 7d).
Vorzugsweise verläuft der Formrand 25 ringförmig und rotationssymmetrisch an dem Formendabschnitt 30 des Schaftes 21 des Formdorns 20. Durch den Formschaft 21 ringförmig umlaufenden Formrand 25 ist der Gesamtdurchmesser I des Formdorns 20 am Formendabschnitt 30 größer als der Durchmesser D des Formschaftes 21, wobei gilt: I > D.
4a bis 4c zeigen unterschiedliche Seitenansichten der in 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispiele des Formdorns 20 aus Kombinationen der in 3a und 3b gezeigten Teilschnittansichten, wobei jeweils die an der Schwerlinie S getrennten Formdornhälften miteinander kombiniert sind.
In 4a ist ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt, das eine Seitenansicht des Formdorns 20 zeigt, wobei an dem unteren Formendabschnitt 30 der Vorsprung 22 vorgesehen ist, der den Formendabschnitt 30 ringförmig und schürzenartig ausgebildet ist und eine Ausnehmung 24 definiert. Der ringförmig verlaufende Vorsprung 22 erstreckt sich nach unten und innerhalb der gedachten Mantelumfangsfläche des Formschaftes 21 und bildet einen Formrand 25. Der Krümmungsradius R3 des ringförmigen Formrandes des Vorsprungs 22 wird bevorzugt nach Formel (I) berechnet: $R3 \leq D/2$
wobei die Variable „R3“ den Krümmungsradius des Formrandes 25 des Vorsprungs 22 repräsentiert und die Variable „D“ den Durchmesser des Formschaftes 21 des Formdorns 20 repräsentiert.
Der Formendabschnitt 30 bzw. Formkopf 30 weist etwa mittig eine Ausnehmung 24 auf. Die Ausnehmung 24 hat den Vorteil, dass der Vorsprung 22 gezielter an das umzuformende Blech herangeführt werden kann.
4b zeigt eine andere Ausführungsform des Formdorns 20.
Der Formschaft 21 weist einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser D auf. An dem Formendabschnitt 22 des Formdorns 20 ist ein ringförmig um den Formschaft 21 verlaufender Vorsprung 23 mit einem konstanten Krümmungsradius R4 vorgesehen, der die Ausnehmung 24 und den Formrand 25 definiert.
Der ringförmig um den Formschaft 21 verlaufende Vorsprung 23 hat einen Außendurchmesser I, der größer als der Formschaftdurchmesser D des Formschaftes 21 ist. Hierbei gilt I > D. Die Ausnehmung 24 hat den Vorteil, dass das Werkstück nur ringförmig am Formdorn 20 anliegt. Ein anderer Vorteil, der sich aus der Ausnehmung 24 ergibt, ist dass der Dorn in diesem Bereich keinen Werkstückkontakt hat. Demzufolge ist die Werkstückbelastung (Oberfläche) geringer. Weiterhin kann dadurch die resultierende Kraft auf den Dorn verringert werden.
Ferner wird der Vorsprung 23 von einem Formrand 25 definiert. Der Formrand 25 des Vorsprungs 23 weist einen Krümmungsradius R4 auf, der größer ist als die Hälfte des Betrags des Durchmessers D des Formschaftes 21 und wird vorzugsweise nach Formel (II) oder nach Formel (III) berechnet: $R4 \geq D/2$
$R4 \leq D/2$
wobei die Variable „R4“ den Krümmungsradius des Formrandes 25 des Vorsprungs 23 repräsentiert und die Variable „D“ den Durchmesser des Formschaftes 21 des Formdorns 20 repräsentiert. Der Formrand 25 wird nach Formel (II) oder Formel (III) berechnet, wenn der Vorsprung 23 seitlich an der Umfangsfläche des Formschaftes ausgebildet ist, wie beispielsweise in 6b und 6d.
4c zeigt ein Ausführungsbeispiel aus einer Kombination der in 3a und 3b gezeigten Teilschnittansichten des Formdorns 20. Hierbei weist der ringförmig verlaufende Formrand 25 den Vorsprung 22 und den Vorsprung 23 mit jeweils unterschiedlichen Krümmungsradien R3 und R4 auf, wobei der Vorsprung 22 einen Krümmungsradius R3 < D/2 und der Vorsprung 23 einen Krümmungsradius R4 im Bereich von D/2 ≥ R4 ≥ D/2 aufweist. Der Krümmungsradius R4 wird je nach ausgebildeten seitlichen Vorsprung 27 nach Formel (II) oder Formel (III) berechnet.
Der erste Vorsprung 22 und der zweite Vorsprung 23 erstrecken sich am Endabschnitt 30 ringförmig um die Schwerachse S des Formschaftes 21 herum und definieren jeweils unterschiedlich gekrümmte Formränder 25.1 und 25.2.
Ferner ist aus den Seitenansichten des Formdorns 20 nach 4a bis 4c ersichtlich, dass der Formrand 25 einen ersten Formabschnitt 25.1 mit einem ersten Krümmungsradius R3 oder R4, R4 und einen zweiten Formabschnitt 25.2 mit einem zweiten Krümmungsradius R4 und/oder R3 aufweist, die um die Längsachse S des Formschaftes 21 mit einem Abstand gegenüberliegend angeordnet sind. Die Krümmungsradien R3, R4 sind von seitlich aus dem Formendabschnitt 30 vorstehenden Vorsprüngen 22, 23 gebildet, die in dem Formschaft 21 teilweise oder vollständig integriert sind und den Formrand 25 mit den seitlich gegenüberliegenden und mit einem Abstand zueinander angeordneten ersten Formabschnitt 25.1 und zweiten Formabschnitt 25.2 bilden.
5a bis 5c zeigen jeweils Unteransichten, der in 4a bis 4c gezeigten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Formdorns 20. Hieraus ist ersichtlich, dass die Ausnehmung 24 jeweils von einem ringförmig/torusartig verlaufenden Vorsprung 22, 23 umgeben ist, der unterschiedliche Krümmungsradien R3 bis R4 aufweist.
6a bis 6d zeigen weitere Ausführungsbeispiele des Formdorns 20. An dem Formendabschnitt 12 sind hierbei in Längsrichtung des Formschaftes 21 vorstehende Vorsprünge 26, 27 ausgebildet, die an ihrem Formendabschnitt 30 jeweils einen Krümmungsradius R3, R4 aufweisen, wobei für den Krümmungsradius R3 < D/2 und der Krümmungsradius R4 im Bereich von D/2 ≥ R4 ≥ D/2 liegt.
Der in 6d dargestellte Formdorn 20 weist seitlich an der Umfangsfläche des Formschaftes 21 ausgebildete Vorsprünge 27 auf, die eine Krümmungsradius mit R4 ≤ D/2 aufweisen. Mit einem solchen Formdorn nach 6d können besonders kleine Fasen in einem umzuformenden Werkstück 15 eingebracht werden.
Die in 6a bis 6d dargestellten Formdorne 20 werden bevorzugt zum Abwälzen und zum Ziehen eines umzuformenden Werkstückes 15, insbesondere eines Bleches, verwendet.
Ferner ist aus den Seitenansichten des Formdorns 20 nach 6a bis 6d ersichtlich, dass der Formrand 25 einen ersten Formabschnitt 25.1 mit einem ersten Krümmungsradius R3 oder R4 und einen zweiten Formendabschnitt 25.2 mit einem zweiten Krümmungsradius R4 und/oder R3 aufweist, die um die Längsachse S des Formschaftes mit einem Abstand gegenüberliegend angeordnet sind. Die Krümmungsradien R3, R4 sind von seitlich aus dem Formendabschnitt 30 vorstehenden Vorsprüngen 26, 27 gebildet, die in dem Formschaft 21 teilweise oder vollständig integriert sind und den Formrand 25 mit den seitlich gegenüberliegenden und mit einem Abstand zueinander angeordneten ersten Formabschnitt 25.1 und zweiten Formabschnitt 25.2 bilden.
7a bis 7d zeigen jeweils die Unteransichten der in 6a bis 6d gezeigten Formdorne 20.
Der in 7a und 7d gezeigte Formendabschnitt 30 bzw. Formkopf bildet die Ausnehmung 24 zwischen den beiden in X-Richtung vorstehenden Vorsprüngen 26 bzw. 27 aus, die beidseitig der Schwereachse S des Formdorns 20 angeordnet sind. Die Lage der Ausnehmung 24 und die Erstreckungstiefe der Ausnehmung 24 ergeben sich aus dem Betrag des Krümmungsradius R3, R4, wobei der größere Betrag maßgebend ist. Bevorzugt ist die Ausnehmung 24 mittig an dem Formendabschnitt 30 ausgebildet.
Der Unterschied zu den in 7a und 7d dargestellten Formdornen ist, dass der jeweilige Vorsprung 26 innerhalb der Umfangsfläche des Formschaftes 21 angeordnet ist, wobei der jeweilige Vorsprung 27 außerhalb der Umfangsfläche des Formschaftes 21 angeordnet ist. Bei beiden Vorsprüngen 26 und 27 ergibt sich der jeweilige Krümmungsradius R3 bzw. R4 aus der Formel: $R3/R4 \leq D/2,$
wobei die Variable „R3“ bzw. „R4“ den Krümmungsradius des Formrandes 25 repräsentiert und die Variable „D“ den Durchmesser des Formschaftes 21 des Formdorns 20 repräsentiert.
Die in den oben beschriebenen 3a bis 8d gezeigten erfindungsgemäßen Formdorne 20 sind für eine inkrementelle Umformvorrichtung 1 vorgesehen. Zum einmaligen Umformen eines Bauteils wird in der Umformvorrichtung 1 beispielsweise der in 3a gezeigte Formdorn verwendet 20, um die mittels dieses Formdorns 20 ausbildbaren Radien/Formen in dem in der Umformvorrichtung 1 eingespannten Blech 15 auszubilden.
Abhängig von dem vorgesehenen Umformverfahren wird der Formdorn 20 beispielsweise rotierend, abwälzend oder ziehend an das zu verformende Werkstück 15 angefahren. Die rotationssymmetrischen Formdorne 20, die in den 4a, 4b und 8d dargestellt sind, eignen sich für alle Umformarten, wie rotieren, abwälzen und ziehen. Nicht rotationssymmetrische Formdorne 20, wie beispielsweise in 4a, 8b und 8c dargestellt, sind eher fürs Ziehen geeignet, wobei die Formdorne nicht auf die oben genannten Umformarten beschränkt sind.
Bei einem Umformverfahren mit einem rotierenden Formdorn 20 wird zunächst das Blech in der Umformvorrichtung eingelegt und mittels der Halter 15 und 16 eingespannt und festgehalten. Hiernach wird der Formdorn mittels einer Einstellvorrichtung (nicht dargestellt) um seine schwere Achse S mit einer vorbestimmten Umdrehungszahl, beispielsweise mit 1000 Umdrehungen pro Minute, um seine eigene Schwerachse S rotiert und inkrementell, vorzugsweise NCgesteuert, an das Blech 15 geführt und in Eingriff gebracht, so dass der rotierende Formdorn 20 das Blech an der Position, mit der er in Eingriff kommt, an der rotierenden Umfangsfläche plastisch umformen kann. Gegebenenfalls wird ein Gegenlager gegen die dem Formdorn 20 entgegengesetzten Seite angefahren, um beispielsweise Knicke und Kanten in das Blech 15 auszubilden.
Die 8a, 8b 8c und 8d zeigen weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Formdorns 20, wobei am Formendabschnitt 30 keine Ausnehmung 24 vorgesehen ist.
Wie aus 8a, 8b, 8c und 8d ersichtlich ist, weist der Formendabschnitt 26, 27 in den jeweiligen Ausführungsbeispielen einen vorbestimmten Krümmungsradius R3, R4 auf, der den Formrand 25 definiert. Je nach Ausführungsbeispiel ist die Umfangsfläche des Formrands 25 innerhalb, außerhalb, oder teilweise innerhalb oder teilweise außerhalb der Umfangsfläche des Durchmesser D des Formschaftes 21 angeordnet.
Ferner ist aus der Seitenansicht des Formdorns 20 nach 8a bis 8d ersichtlich, dass der Formrand 25 einen ersten Formabschnitt 25.1 mit einem ersten Krümmungsradius R3 oder R4, R4 und einen zweiten Formendabschnitt 25.2 mit einem zweiten Krümmungsradius R4 und/oder R3 aufweist, die um die Längsachse S des Formschaftes mit einem Abstand gegenüberliegend angeordnet sind. Die Krümmungsradien R3, R4 sind von seitlich aus dem Formendabschnitt 30 vorstehenden Vorsprüngen 26, 27 gebildet, die in dem Formschaft 21 teilweise oder vollständig integriert sind und den Formrand 25 mit den seitlich gegenüberliegenden und mit einem Abstand zueinander angeordneten ersten Formabschnitt 25.1 und zweiten Formabschnitt 25.2 bilden.
Die in 8a bis 8d gezeigten Formdorne 20 sind insbesondere zum Ziehen oder Abwälzen der jeweilig gewünschten Radien in einem umzuformenden Werkstück 15, insbesondere einem Blech 15, vorgesehen.
9a bis 9d zeigen jeweils Unteransichten von den in 8a bis 8d gezeigten Formendabschnitten 30 der Formdorne 20 gemäß der Schnittführung C-C.
Wie hieraus ersichtlich ist, hat der in 9a gezeigte Formdorn 20 an seinen gegenüberliegenden Seiten, die eine geringe Breite aufweisen, einen Formrand 25 ausgebildet, der einen Krümmungsradius R3 aufweist.
In 9b weist der Formdorn 20, wie aus der Unteransicht ersichtlicht wird, einen hantelförmigartigen Umfang auf, wobei die Formränder 25 von den jeweils kreisförmig vorstehenden Vorsprüngen 27, die einen gemeinsamen Verbindungssteg ausbilden, ausgebildet werden.
9c zeigt eine Mischform aus kleinem radialen Vorsprung 26 und großem radialen Vorsprung 27 auf, wobei beim kleinen radialen Vorsprung gilt: Krümmungsradius R3 < D/2 und beim großen radialen Vorsprung 27 gilt: Krümmungsradius R4 liegt im Bereich von D/2 > R4 ≥ D/2.
In 8d und 9d ist eine weitere Ausführungsform des Formdorns 20 gezeigt. 8d zeigt eine schematische Teilschnittansicht des Formdorns 20. Der Querschnitt des Formschafts 21 ist im Wesentlichen kreisförmigen, wie aus 9d ersichtlich ist. Der Formrand 25 weist hier einen Krümmungsradius R3 auf, der bevorzugt nach folgender Formel (I) berechnet wird: $R3 \leq D/2$
wobei die Variable „R3“ den Krümmungsradius des Formrandes 25 repräsentiert und die Variable „D“ den Durchmesser des Formschaftes 21 des Formdorns 20 repräsentiert.
Bei den in 8a bis 9d gezeigten Formdornen 20 ist der Krümmungsradius R3, R4 zur Längs-Schwereachse S des Formdorns 20 zunehmend oder abnehmend ausgebildet, je nach dem an welcher Stelle des Formrandes 25 eine radiale Bestimmung des Krümmungsradius R3, R4 durchgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass mit ein- und demselben Formdorn 20 unterschiedliche Krümmungsradien an dem auszubildenden Werkstück 15 ausgebildet werden können, je nach dem, an welcher Stelle der Formrand 25 in Eingriff mit dem Werkstück 15 gebracht wird.
Der Formendabschnitt 30 des erfindungsgemäßen Formdorns 20 weist in den Ausführungsbeispielen der 3a bis 7c eine Ausnehmung 24 und in den Ausführungsbeispielen der 8a bis 9d einen sich geradlinig erstreckenden Formendabschnitt 30 auf, der im Wesentlichen krümmungsfrei ist. Insbesondere am Übergang zwischen Formrand 25 hin zur Ausnehmung 24 und zum geradlinig erstreckenden Formendabschnitt 30 ändert sich der Krümmungsradius R3, R4 am Formende 30 des Formdorns 20.
Die Erfindung wurde anhand unterschiedlicher Ausführungsformen beschrieben, wobei die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele untereinander kombinierbar sind.
So ist der in 8a bis 8b gezeigte Formdorn auch als rotationssymmetrischer Formdorn ausführbar, wobei anstelle der Ausnehmung, wie beispielsweise in 4a bis 4b eine zusätzlicher Vorsprung vorgesehen werden kann, der aus der Umfangsfläche des Formendabschnittes 30 vorsteht. Ferner liegt es im Bereich der Erfindung, dass die Formdorne, die einen Krümmungsradius R3 aufweisen, stattdessen einen Krümmungsradius R4 aufweisen können.
Der Krümmungsradius R3 ergibt sich hierbei für die Formdorne 20, beispielsweise nach 4a, 6a, 8a und 8d, mit einem Vorsprung 22, 26, der sich innerhalb des Umfangsdurchmessers D des Formschaftes 21 erstreckt, vorzugsweise aus folgender Formel (I): $R3 \leq D/2$
wobei die Variable „R3“ den Krümmungsradius des Formrandes 25 repräsentiert und die Variable „D“ den Durchmesser des Formschaftes 21 des Formdorns 20 repräsentiert.
Der Krümmungsradius R4 ergibt sich hierbei für die Formdorne 20, beispielsweise nach 4b, 6b, 8b, die einen Vorsprung 23, 27 aufweisen, der sich außerhalb des Umfangsdurchmessers D des Formschaftes 21 erstreckt, vorzugsweise aus folgender Formel (II): $R4 \geq D/2$
wobei die Variable „R4“ den Krümmungsradius des Formrandes 25 repräsentiert und die Variable „D“ den Durchmesser des Formschaftes 21 des Formdorns 20 repräsentiert.
Der Krümmungsradius R4 kann für das Ausführungsbeispiel des Formdorns 20, wie er in 6d und 7d dargestellt ist, der einen Vorsprung 27 aufweist, der sich innerhalb des Umfangsdurchmessers D des Formschaftes 21 erstreckt, nach folgender Formel (III) bestimmt werden: $R4 \leq D/2$
Die Vorsprünge 23, 27 können aber auch einen Krümmungsradius R4 aufweisen, der nach Formel (I) berechnet wird und die Vorsprünge 22, 26 können einen Krümmungsradius aufweisen, der nach Formel (II) berechnet wird.
In den Ausführungsbeispielen des Formdorns mit Vorsprüngen 22, 23 bzw. 26, 27 mit unterschiedlichen Krümmungsradien R3 und R4 wird der entsprechende Krümmungsradius des Formrandes 25 nach Formel (I), Formel (II) und/oder nach Formel (III) berechnet.

Claims

Formdorn (20) für eine Umformvorrichtung, insbesondere für eine Umformvorrichtung (1) zum inkrementellen Umformen eines Bleches (15), aufweisend einen vorbestimmten Durchmesser (D) aufweisenden Schaft (21) mit einem Formendabschnitt (30), der einen Formrand (25) mit einer Krümmung mit einem vorbestimmten Krümmungsradius (R3, R4) aufweist, wobei der Krümmungsradius des Formrandes (25) entlang eines Umfanges des Formendabschnittes (30) variabel ist, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Erstreckung des Krümmungsradius (R3, R4) zwischen der Längs-Schwereachse (S) des Formdorns (20) und der Umfangsfläche des Formrandes (25, 25.1, 25.2) hin zum Formendabschnitt (30) zunimmt oder abnimmt und an dem Formendabschnitt (30) eine mittige Ausnehmung (24) ausgebildet ist.
Formdorn (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (24) von einem Formrand (25) definiert ist, der die Ausnehmung (24) rotationssymmetrisch und/oder wenigstens teilweise ringförmig umgibt.
Formdorn (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (24) von zwei Formvorsprüngen (22, 23, 26, 27) definiert wird, die sich von dem Formendabschnitt (30) erstrecken.
Formdorn (20) nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Formrand (25) und/oder der jeweilige Formvorsprung (22, 23, 26, 27) eine Krümmung mit einem Radius (R3, R4) aufweist, der abhängig vom Durchmesser (D) des Schaftes (21) ist, wobei die radiale Erstreckung des Krümmungsradius (R3, R4) zwischen der Schwereachse (S) des Formdorns (20) und dem Formrand (25) konstant und/oder variabel ist.
Formdorn (20) nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formrand (25) und/oder der jeweilige Formvorsprung (22, 23, 26, 27) eine Krümmung mit einem Radius (R3, R4) aufweist, der in Abhängigkeit vom Durchmesser (D) des Schaftes (21) ist, wobei R3, R4 ≤ D/2 und/oder R4 ≥ D/2 gilt und die Variable R3 und R4 den Krümmungsradius des Formrandes 25 repräsentiert und die Variable D den Durchmesser (D) des Formschaftes (21) des Formdorns (20) repräsentiert.
Formdorn (20) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formrand (25) sich innerhalb der Umfangsfläche des Formschaftes (21) des Formdorns (20) und/oder außerhalb der Umfangsfläche des Formschaftes (21) erstreckt.
Formdorn (20) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Formrand (25) oder die zueinander beabstandete Formvorsprünge (26, 27) wenigstens teilweise die Ausnehmung definiert/definieren.
Formdorn (20) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formrand (25) und/oder die Formvorsprünge (25.1, 27) einen Außendurchmesser (I) aufweisen, der größer ist als der Durchmesser (D) des Formschaftes (21).
Umformvorrichtung, insbesondere eine Umformvorrichtung zum inkrementellen Umformen eines Werkstücks (15), dadurch gekennzeichnet, dass in der Umformvorrichtung (1) ein Formdorn (20) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, vorgesehen ist.