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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von angesenkten Löchern in einem plattenförmigen Material sowie ein Vorstanzwerkzeug und Planierwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens.
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Aus der
AT 004 432 U1 sind ein Verfahren zur Herstellung von Senklöchern sowie ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, ein Senkloch in ein metallisch dünnwandiges Werkstück, wie beispielsweise einem Werkstück aus Aluminium, einzubringen. In einem ersten Verfahrensschritt wird mit einem Stanzstempel ein Vorstanzloch eingebracht. Der Stanzstempel weist hierfür im Querschnitt gesehen einen sternförmigen Querschnitt auf, wobei fünf nach außen weisende Zacken vorgesehen sind, die gleichmäßig im Winkel gegeneinander versetzt sind. Die Öffnungswinkel an den äußeren Spitzen dieser dreieckförmigen Zacken sind spitzwinklig. An einem inneren Begrenzungskreis liegen Fußpunkte der dreieckförmigen Zacken, die kleine Abrundungen aufweisen, die im Scheitelpunkt tangential an den Bohrungsdurchmesser des Kernlochs angrenzen. Durch einen solchen Stanzstempel werden dreieckförmige Ausnehmungen an einem Vorloch angrenzend ausgestanzt, die sich radial nach außen bis zu einem äußeren Begrenzungskreis erstrecken.
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In einem zweiten Schritt wird mit einem Prägestempel eine Ansenkung durchgeführt. Hierfür weist der Prägestempel einen Kegelstumpf auf, dessen Höhe vorzugsweise kleiner als die Stärke des Werkstücks ist. Dadurch wird eine Ansenkung nur über einen Teil der Dicke des Werkstücks geschaffen, entlang der sich radiale Schlitze erstrecken, die nach dem Fließen des Materials durch das Ansenken aufgrund der dreieckförmigen Ausnehmungen verbleiben.
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Aus der
EP 0 879 656 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von einem angesenkten Loch in einem plattenförmigen Material mit einem Ansenkstempel bekannt geworden, bei welchem in ein Vorloch eine Vorläuferspitze eines Ansenkstempels eingeführt wird, um eine Ansenkung in das Vorloch im plattenförmigen Material durchzuführen. Dabei wird überschüssiges Material im Randbereich des Vorlochs verdrängt und gegenüber der Unterseite aufgeworfen, so dass sich eine gegenüber der Unterseite des plattenförmigen Materials hervorstehende Wulst ergibt.
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Aus der
DE 27 06 849 A1 sind des Weiteren ein Verfahren sowie ein Presswerkzeug und eine Pressvorrichtung zur Herstellung von angesenkten Löchern bekannt, bei welchem zur Herstellung von solchen angesenkten Löchern in einem plattenförmigen Material drei von einander abweichende Folge-Stanzwerkzeuge eingesetzt werden. Mittels eines ersten Durchstanzstempels wird ein Vorloch hergestellt. Anschließend wird ein Ansenkstempel, der eine kegelstumpfförmig ausgebildete und gestufte Arbeitsfläche aufweist, in das Vorloch eingepresst, um eine Ansenkfläche einzubringen. Das dabei durch den Ansenkvorgang verdrängte Material wird zur Unterseite des plattenförmigen Materials geführt und bildet eine gegenüber der Unterseite nach unten hervorstehende Wulst. In einem nachfolgenden Arbeitsgang mit einem weiteren Stanzstempel wird die Wulst ausgestanzt beziehungsweise abgeschnitten, so dass eine glatte Ober- und Unterseite des plattenförmigen Materials erzeugt wird, wobei in dem Loch eine gestufte Ansenkung eingebracht ist.
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Aus der
DE 26 17 231 A1 ist des Weiteren ein Verfahren zum Ansenken von Löchern in Metallteilen bekannt, bei welchen eine Matrize vorgesehen ist, welche einen kreisförmigen, hervorstehenden Kranz mit einem dreieckförmigen Querschnitt aufweist, dessen Durchmesser größer als das zu stanzende und herzustellende Loch ist. Der Stanzstempel umfasst einen Niederhalter, durch welchen das plattenförmige Material auf die Matrize aufgepresst wird, so dass der Kranz in die Unterseite des plattenförmigen Materials eingetrieben wird und eine Ringnut darin bildet. Anschließend wird der Ansenkstempel in das Vorloch des plattenförmigen Materials zur Verdrängung des Randbereichs des Vorlochs und zur Bildung der Ansenkung eingebracht. Durch diesen kreisförmigen Kranz soll ein Fließen des verdrängten Materials und Hervorstehen des verdrängten Materials gegenüber der Unterseite des plattenförmigen Materials vermieden werden, jedoch wird die Unterseite des Materials durch den Kranz beschädigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von angesenkten Löchern in einem plattenförmigen Material vorzuschlagen, bei welchem ein angesenktes Loch mit einer hohen Qualität hergestellt wird, wobei die sternförmigen Ausstanzungen im Vorloch nahezu geschlossen oder geschlossen werden, ferner ein Vorstanzwerkzeug zum Vorstanzen eines Vorlochs in einem Vorstanzschritt des Verfahrens auszugeben sowie ein Planierwerkzeug vorzuschlagen, um nach dem Vorstanzschritt und einem Ansenkschritt eine glatte Ober- und Unterseite des plattenförmigen Materials beizubehalten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von angesenkten Löchern in einem plattenförmigen Material gelöst, bei dem durch den Vorstanzschritt Zwischenabschnitte zur Längsachse des Vorstanzstempels konvex gekrümmt oder geradlinig verlaufend ausgestanzt werden, die einen Teil des gemeinsamen fiktiven Kreisumfangs des herzustellenden Loches bilden. Dies weist den Vorteil auf, dass während dem Fließvorgang beim Einbringen der Ansenkung mit dem Ansenkwerkzeug in das Vorloch die Randzone des Zwischenabschnitts nur geringfügig radial nach innen gedrückt wird, so dass nach dem Herstellen der Ansenkung ein nahezu runder Lochquerschnitt erzielt wird. Darüber hinaus kann trotz der erforderlichen Materialverdrängung am Rand des Vorlochs eine glatte Ober- und Unterseite des plattenförmigen Materials beibehalten bleiben.
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Bevorzugt werden die sternförmige Schnittkontur des Vorlochs durch mehrere, über den Umfang des Vorlochs verteilt angeordnete und sich radial nach außen erstreckende Nasen gebildet, die durch Zwischenabschnitte zueinander getrennt sind. Die Nasen bilden im Randbereich des Vorloches in Umfangsrichtung gesehen Freiräume, die während dem Ansenkvorgang durch das dadurch verdrängte Material reduziert oder sogar geschlossen werden. Dadurch kann trotz einer zunächst unterbrochenen Mantelfläche des Vorlochs eine nahezu geschlossene oder geschlossene Ansenkfläche für die konische Ansenkung des Lochs erzielt werden.
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Zur Herstellung von angesenkten Löchern ist des Weiteren bevorzugt vorgesehen, dass eine Arbeitsfläche des Ansenkwerkzeuges für die konische Ansenkfläche derart bemessen wird, dass ein oberer Rand der Arbeitsfläche des konischen Ansenkwerkzeuges, der im Durchmesser größer ist als ein unterer Rand, der den Durchmesser einer Vorläuferspitze eines Ansenkstempels aufweisen kann, einen größeren Durchmesser als ein Außenumfang der sternförmigen Schnittkontur aufweist. Dadurch wird ermöglicht, dass die durch die Nasen gebildeten Zwischenräume innerhalb der Ansenkfläche liegen und somit eine glatte Oberseite des plattenförmigen Materials bis zum oberen Rand der Ansenkung erhalten bleibt.
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Die Arbeitsfläche des Ansenkstempels wird vorteilhafterweise derart ausgewählt, dass mit dem Ansenkwerkzeug eine Ansenkung eingebracht wird, bei welcher eine geschlossene umlaufende Mantelfläche in der Ansenkfläche zwischen einem radial äußeren Randbereich der Nase des Vorlochs und dem oberen beziehungsweise größeren Rand der Ansenkung vorgesehen ist. Dadurch wird eine erhöhte Festigkeit des angesenkten Lochs trotz der in das Vorloch eingebrachten Rillen, welche durch die Nasen der sternförmigen Schnittkontur gebildet werden, erzielt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass durch das Ansenkwerkzeug eine Ansenkung eingebracht wird, welche sich über die gesamte Materialstärke des plattenförmigen Materials erstreckt. Insbesondere kann durch die sternförmige Schnittkontur eine solche quasi hundertprozentige Ansenkung beziehungsweise eine Durchsenkung ohne Qualitätseinbuße erzielt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass nach dem Ansenkschritt zusätzlich noch ein Planierschritt durchgeführt und das angesenkte Loch im plattenförmigen Material durch einen Flachstempel und eine Flachmatrize planiert wird. Dieser Planierschritt kann optional erfolgen und ermöglicht eine Erhöhung der Ebenheit und Verringerung eines gegebenenfalls vorhandenen Verzugs im plattenförmigen Material.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird des Weiteren durch ein Vorstanzwerkzeug gelöst, bei dem der Vorstanzstempel zwischen den nach außen gerichteten Nasen der sternförmigen Schnittkontur Zwischenabschnitte aufweist, die zur Längsachse des Vorstanzstempels konvex gekrümmt sind. Die Vorstanzmatrize ist bevorzugt mit einer komplementären Schnittkontur ausgebildet. Ein solches Vorstanzwerkzeug weist eine hohe Standzeit auf und ist auch auf einen Durchmesser von herzustellenden angesenkten Löchern anpassbar.
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Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe kann des Weiteren ein Planierwerkzeug zum Einsatz kommen, welches einen Flachstempel mit einer ebenen Stempelfläche und eine Flachmatrize umfasst, wobei die Flachmatrize eine Planierfläche zur Aufnahme des plattenförmigen Materials aufweist, welche gegenüber einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Flachmatrize in einem Planierwinkel von weniger als 5°, insbesondere weniger als 1°, von der Längsmittelachse ausgehend nach außen geneigt ist. Dadurch kann ein sich gegebenenfalls während dem Ansenkvorgang erzeugter Verzug in dem plattenförmigen Material reduziert oder eliminiert werden. Gleichzeitig kann eine Glättung des Randbereiches des angesenkten Loches ermöglicht werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt ein plattenförmiges Material mit zumindest einem angesenkten Loch hergestellt, bei dem eine sternförmige Schnittkontur eines Vorloches, welches durch mehrere über den Umfang des Vorlochs verteilt angeordnete und radial nach außen gerichtete Nasen mit dazwischen liegenden Zwischenabschnitten, die zur Längsachse des Vorstanzstempels konvex gekrümmt sind, gebildet ist, in eine konische Ansenkfläche zur Bildung des angesenkten Loches übergeführt ist und die durch die sternförmige Schnittkontur zwischen den Nasen gebildeten Freiräumen reduziert oder geschlossen sind. Dadurch weist die Ansenkung eine konische Ansenkfläche auf, die sich teilweise, aber auch vollständig von der Oberseite bis zur Unterseite des plattenförmigen Materials erstrecken kann. Durch die Materialverdrängung während des Ansenkvorganges können die durch die Nasen gebildeten Zwischenräume erheblich reduziert sein, so dass ein geringer Spalt verbleibt oder geschlossen wird, so dass eine quasi geschlossene oder sogar geschlossene Ansenkfläche geschaffen ist.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht auf ein zu bearbeitendes plattenförmiges Material nach einem Vorstanzschritt,
- 2a eine schematische Ansicht auf ein plattenförmiges Material ausgehend von der Schnittkontur gemäß 1 nach einem Ansenkschritt zur Herstellung eines angesenkten Loches,
- 2b eine schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II in 2a,
- 3 eine schematische Seitenansicht eines Vorstanzstempels,
- 4 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie III-III des Vorstanzstempels,
- 4a und 4b eine schematische Seitenansicht im Teilschnitt und eine Draufsicht auf eine Vorstanzmatrize,
- 5 ein schematischer Teilschnitt eines Ansenkstempels,
- 6a und 6b eine schematische Seitenansicht im Teilschnitt und eine Draufsicht auf eine Ansenkmatrize, und
- 7 eine schematische Seitenansicht eines Planierwerkzeuges.
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Zur Herstellung eines angesenkten Loches 12 in einem plattenförmigen Material 14, welches in 2a in einer Draufsicht und in 2b in einer Schnittansicht dargestellt ist, wird ein wenigstens zweistufiges Verfahren eingesetzt, bei dem gemäß 1 ein Vorloch 16 in das plattenförmige Material 14 eingebracht wird, um anschließend das Vorloch 16 anzusenken, um das angesenkte Loch 12 gemäß den 2a und 2b herzustellen.
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Das in 1 dargestellte Vorloch 16 weist eine sternförmige Schnittkontur 17 auf, welche radial nach außen gerichtet und vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt ausgebildete Nasen 18 aufweist, die durch Zwischenabschnitte 19 miteinander verbunden sind. Die Nasen 18 sind bei dieser Ausführungsform beispielsweise halbkreisförmig oder U-förmig ausgebildet, wobei bei einer U-förmigen Ausbildung die geraden Schenkel auch aufgeweitet sein können. Innerhalb jeder Nase 18 werden Zwischenräume 21 gebildet, welche einen fiktiven Kreisumfang unterbrechen, entlang dem sich die jeweilige Stirnseite 22 des Zwischenabschnitts 19 erstreckt und die vorzugsweise den Querschnitt der Durchbrechung des Vorlochs 16 bestimmen.
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Die Anzahl der über den Umfang verteilt angeordneten Nasen 18 sowie die Größe des Zwischenraumes 21 kann in Abhängigkeit des Werkstoffs, aus welchem das plattenförmige Material 14 gebildet sein, aus der Wandstärke des plattenförmigen Materials 14, des Durchmessers des angesenkten Loches und/oder dem Grad der Ansenkung 34, welche für das angesenkte Loch 12 vorgesehen ist, ausgewählt und angepasst werden. Die die Zwischenabschnitte 19 bildenden Stirnseiten 22 sind konvex ausgebildet, das heißt, dass diese entlang eines gemeinsamen fiktiven Kreises verlaufen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Stirnseiten 22 geradlinig zwischen zwei benachbarten Nasen 18 verlaufen.
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Zur Herstellung eines solchen Vorloches 16 im plattenförmigen Material 14 wird ein Vorstanzwerkzeug 23 eingesetzt, welches einen Vorstanzstempel 24 gemäß 3 mit einem Stanzstempelquerschnitt gemäß 4 und eine Vorstanzmatrize 25 gemäß den 4a und 4b umfasst. Der Vorstanzstempel 24 umfasst einen Stempelschaft 27 sowie einen einteilig daran angeordneten oder austauschbar daran anordenbaren Vorstanzstempel 24. Dieser Vorstanzstempel 24 weist eine Stempelfläche beziehungsweise eine Querschnittsfläche gemäß 4 auf, welche eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 3 zeigt. Die in 4 dargestellte Schnittkontur entspricht der in 1 das Vorloch 16 bildenden Schnittkontur 17. Die Außenkontur der Stempelfläche beziehungsweise Querschnittsfläche wird folglich durch die Nasen 18 und die dazwischen angeordneten Zwischenabschnitte gebildet.
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Die Vorstanzmatrize 25 umfasst eine Durchgangsbohrung 30 mit einer zum Vorstanzstempel 24 komplementären Schnittkontur, welche an eine Auflagefläche 32 für das plattenförmige Material 14 angrenzt.
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Nach dem Vorstanzschritt zum Einbringen des Vorlochs 16 in das plattenförmige Material gemäß 1 erfolgt ein Ansenkschritt mit einem Ansenkwerkzeug 41, um die in den 2a und 2b dargestellte Ansenkung 34 einzubringen und das angesenkte Loch 12 herzustellen.
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In 5 ist schematisch im Teilschnitt das Ansenkwerkzeug 41 mit einem Ansenkstempel 42 dargestellt. Das Ansenkwerkzeug 41 umfasst einen Stempelschaft 44, an dem auswechselbar der Ansenkstempel 42 mittels beispielsweise eines Gewindestiftes 43 befestigbar ist. Der Ansenkstempel 42 ist seinem Befestigungsbereich gegenüberliegend in einer Bohrung eines Niederhalters 46 geführt. Dieser Niederhalter 48 ist durch Federelemente 47 relativ nachgiebig zum Stempelschaft 44 geführt, so dass beim Aufbringen einer Druckkraft auf den Niederhalter 46 der Ansenkstempel 42 gegenüber einer Anlagefläche 48 des Niederhalters 46 hervortreten kann.
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Der Ansenkstempel 42 umfasst eine Vorläuferspitze 49 sowie eine sich daran anschließende Arbeitsfläche 51, welche in einem größeren Durchmesser zu einem Führungsschaft 52 übergeht. Die Arbeitsfläche 51 ist konisch ausgebildet und umfasst einen Winkel von beispielsweise 90°. Die Vorläuferspitze 49 ist an den Durchmesser des herzustellenden Loches 12 angepasst, so dass dieses jedenfalls in das Vorloch 16 beziehungsweise den durch die Stirnseite 22 der Zwischenabschnitte 19 gebildeten Durchgang eintauchen kann. Der Durchgang des Vorlochs ist gleich groß oder zumeist größer als der Durchgang des angesenkten Lochs 12.
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Ein Außendurchmesser der Arbeitsfläche 51 am Ansenkstempel 42 ist vorzugsweise größer als ein Außenumfang der sternförmigen Schnittkontur 12 des Vorstanzstempels 24, vorzugsweise wenigstens 1 mm größer.
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Das Ansenkwerkzeug 41 umfasst des Weiteren eine Ansenkmatrize 54 mit einem zentralen Durchgang 55, welche in einer Seitenansicht eines schematischen Teilschnitts in 6a und in einer Draufsicht in 6b dargestellt ist. An den Durchgang 55 angrenzend ist eine Auflagefläche 56 für das plattenförmige Material vorgesehen.
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Ausgehend von einem Vorloch 16 des plattenförmigen Materials 14 gemäß 1 wird in dem zweiten Arbeitsschritt des Verfahrens, also in einem Ansenkschritt, mittels des Ansenkwerkzeugs 41 die Ansenkung 34 in das Vorloch 16 eingebracht. Dabei wird im Randbereich des Vorlochs 16 Material verdrängt, das heißt, dass das die Zwischenabschnitte 19 bildende Material und das unmittelbar die Nase 18 umgebende Material verdrängt wird.
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Aufgrund der Einsparung des plattenförmigen Materials 14 zwischen der Auflage 56 der Ansenkmatrize und der Anlagefläche 48 des Niederhalters 46 wird das zu verdrängende Material sowohl in Umfangsrichtung als auch teils in radialer Richtung verdrängt, so dass die Zwischenräume 21 reduziert oder sogar vollständig geschlossen werden. Die Größe der Ausstanzung des Vorlochs 16 steht in Abhängigkeit der Materialdicke und dem Grad der Ansenkung 34, um eine vordefinierte Größe der Durchbrechung bei angesenktem Loch 58 zu erzielen.
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Bevorzugt ist die Arbeitsfläche 51 des Ansenkstempels 52 größer als der Außenumfang der sternförmigen Schnittkontur 17, so dass eine die Nase umgebende, geschlossene Mantelfläche 71 gebildet wird, welche sich zwischen der Oberseite 35 des plattenförmigen Materials 14 und den oberen Enden der Nasen 18 bildet.
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Die in den 2a und 2b dargestellte Ansenkung 34 erstreckt sich von einer Oberseite 35 des plattenförmigen Materials 14 bis zu seiner Unterseite 37. In einem solchen Fall spricht man von einer Durchsenkung. Die Ansenkung 34 kann sich von der Oberseite 35 des plattenförmigen Materials 14 auch nur teilweise in Richtung zur Unterseite 37 erstrecken.
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In 7 ist eine schematische Seitenansicht eines Planierwerkzeuges 61 dargestellt. Dieses umfasst einen Stempelschaft 27 und einen Flachstempel 63 mit einer ebenen Stempelfläche 64 sowie eine Flachmatrize 67 mit einer Planierfläche 68. Diese Planierfläche 68 ist gegenüber einer senkrecht zur Längsachse oder Flachmatrize 67 ausgerichteten Ebene in einem Winkel 69 ausgehend von der Längsmittelachse geneigt, beispielweise in einem Winkel 69 von weniger als 5°, insbesondere in einem Winkelbereich von 2 bis 0,5°. Beim Positionieren des angesenkten Lochs 12 gemäß den 2a und 2b mit seiner Längsmittelachse zur Längsmittelachse der Flachmatrize 67 wird ein Planieren des plattenförmigen Materials 14 ermöglicht, so dass ein gegebenenfalls bestehender Verzug reduziert oder rückgängig gemacht wird. Des Weiteren kann durch das Planieren die Oberseite 35 und Unterseite 37, insbesondere die an das angesenkte Loch 12 angrenzende Randzone, geglättet werden. Dieser Planierschritt kann zusätzlich durchgeführt werden.
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Die sternförmige Schnittkontur 17 in 1 ist nur beispielhaft. Weitere, davon abweichende Verläufe der Schnittkontur können ebenfalls denkbar sein, wobei bei allen Schnittkonturen das Grundprinzip beibehalten bleibt, dass radial nach außen gerichtete Nasen 18 vorgesehen sind, die Zwischenräume 21 oder Freiräume bilden, so dass das zu verdrängende Material während dem Ansenkvorgang diese Zwischenräume 21 ausfüllen und bevorzugt vollständig schließen kann. Geeignet sind für die Ausbildung der Nasen 18 runde oder gekrümmte Verläufe, jedoch können die Nasen auch eckige und spitze, radial nach außen gerichtete Enden umfassen.
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Durch dieses zweistufige, insbesondere dreistufige, Verfahren kann in das plattenförmige Material 14 ein angesenktes Loch 12 eingebracht werden, welches insbesondere im Randbereich des angesenkten Loches 12 eine glatte Ober- und Unterseite 35, 37 aufweist, ohne dass zusätzliche Ausstanzungen, Nachbearbeitungen oder weitere Materialverdrängungen erforderlich sind.
