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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kragens an einem Werkstück.
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Kragen, auch Hälse genannt, werden an Werkstücken, wie etwa Platinen oder anderen Fertigteilen, zu unterschiedlichen Zwecken benötigt, etwa als Führungsträger, als Versteifungsträger oder als Gewindeträger. Der hierzu notwendige Kragen wird beispielsweise mittels eines Umformverfahrens, dem sogenannten Kragenziehen oder Aushalsen, an dem Werkstück hergestellt.
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Sofern eine exakte Form des Kragens, etwa dessen Länge oder dessen Durchmesser, von Bedeutung ist, kann beispielsweise zunächst eine Lochung des Werkstücks vorgenommen werden. Anschließend kann mittels eines teilweise kegeligen oder abgerundeten Kragenstempels ein Aufweiten des zuvor erzeugten Lochs erfolgen, wobei sich in der Regel senkrecht zum Werkstück ein Kragen ausbildet. Das Maß der Aufweitung kann dabei von der zu erreichenden Kragenlänge und/oder der zu erzielenden Größe der Aufweitung abhängig gemacht werden.
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Für den Fall, dass die Kragenlänge und/oder die Ränder des Kragens keinen besonderen Qualitätsansprüchen genügen müssen, ist es alternativ bekannt, ohne vorherige Lochung des Werkstücks eine Ausformung des Kragens durchzuführen, etwa mittels Flowdrill oder Durchdrücken. Im Fall des Flowdrills ist es möglich, die Länge des Kragens aufgrund des erhöhten Materialvorrats und einer inkrementellen Umformung zu vergrößern, worunter jedoch die Präzision leidet.
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Allerdings ist bei der Herstellung des Kragens zu beachten, dass das Aufweiten von Material für den jeweiligen Werkstoff eine erhebliche Belastung darstellt, da insbesondere die Randbereiche extrem gedehnt werden. Wird die Dehnungsfähigkeit des Materials dabei überschritten, kommt es lokal zu Materialversagen und der Werkstoff reißt im Bereich des Kragens auf oder ein.
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Somit ist das Lochaufweitungsvermögen nicht nur vom anfänglichen oder zu erzielenden Lochdurchmesser, sondern auch vom Material selbst abhängig, was der erzielbaren Kragengröße und/oder Kragenlänge Grenzen setzt. So besitzen etwa weiche, tiefziehfähige Stähle ein gutes Lochaufweitungsvermögen. Entsprechend ist das Lochaufweitungsvermögen bei hochfesten Stählen entsprechend geringer, sodass als Folge insbesondere die mit diesen Werkstoffen erzielbare Kragenlänge stark eingeschränkt sein kann.
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Um jedoch dennoch die erzielbare Kragenlänge zu vergrößern, wird im Stand der Technik vorgeschlagen, Material von außen in den aufzuweitenden Bereich nachzuschieben, damit der aufzuweitende Bereich nicht zu sehr ausdünnt („Erweiterung der Umformgrenzen beim Tiefziehen und Kragenziehen durch Nachschieben von Werkstoff" Dissertation Manuel Otto, Uni Magdeburg 2003). Ein anderer Ansatz nutzt die Technik des Hydroformens oder Innenhochdruckumformens (IHU), um mittels Druck Material nachzuschieben.
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So ist beispielsweise aus der Druckschrift
US 1,613,961 bekannt, zur Vermeidung von Rissen bei der Herstellung von Aushalsungen zunächst ein Loch oder eine Öffnung in ein ebenes Blech zu formen. Anschließend wird das Blech in ein Werkzeug eingelegt und die Öffnung des gelochten, ebenen Blechs mittels eines kegeligen Stempels geweitet und ein Kragen ausgeformt. Dabei soll das Material um das Loch herum ausreichend sein, um den Kragen der gewünschten Länge auszuformen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 029 124 A1 ist ebenfalls eine Verfahren und eine Vorrichtung zum Aushalsen von Blechen unter Benutzung eines Stempels und eines Gegenhalters bekannt, wobei die Ausformhöhe des Aushalskragens prozesssicher erreicht werden soll. Dabei wird ein ebenes, mit einem Loch versehenes Blech in eine Vorrichtung eingelegt und dort mittels eines Stempels und eines Gesenks ein Kragen ausgeformt. Eine Verbesserung der Prozesssicherheit soll dadurch erreicht werden, dass ein Gegenhalter gelenkig ausgebildet wird, um besser am Blech anliegen zu können.
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Allerdings ermöglichen die bisherigen Ansätze die Ausformung von Kragen, insbesondere in Hinblick auf deren Länge, entweder nicht in zufriedenstellendem Maße oder die Umsetzung (etwa durch die Implementierung von Hydroformen) ist vergleichsweise aufwendig. Daher besteht weiterhin der Bedarf, vergrößerte Kragenlängen auch bei hochfesten Stählen zu ermöglichen, ohne jedoch auf aufwendigere Verfahren wie etwa Hydroformen ausweichen zu müssen.
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Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kragens an einem Werkstück zur Verfügung zu stellen, wobei große Kragenlängen bei guter Qualität auch bei hochfesten Stählen auf einfache Weise erreicht werden können.
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Die Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass das Werkstück mindestens einem Tiefziehvorgang unterzogen wird, sodass ein Flanschbereich und ein sich an den Flanschbereich anschließender tiefgezogener Bereich entsteht, wobei der tiefgezogene Bereich einen Zargenbereich und einen sich an den Zargenbereich anschließenden Ziehboden umfasst, wobei der im tiefgezogenen Bereich des Werkstücks befindliche Ziehboden gelocht wird, sodass eine Öffnung im Ziehboden entsteht, wobei die Größe der im Ziehboden entstandenen Öffnung kleiner ist als die Größe des Ziehbodens, sodass sich an den Zargenbereich ein Ziehbodenteilbereich anschließt, und wobei der Kragen den Zargenbereich umfasst.
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Der Lösung der Aufgabe gemäß hat sich gezeigt, dass es beim Auskragen oder Aushalsen vorteilhaft ist, den durch mindestens einen Tiefziehvorgang erzeugten Zargenbereich dazu zu verwenden, bei Bedarf sehr lange und präzise Kragen auszuformen. Somit bildet der Zargenbereich zumindest einen Teil des Kragens. Das Verfahren kann einfach in bestehende pressengestützte Verfahrensschritte implementiert werden.
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Beispielsweise kann zunächst ein napfförmiger tiefgezogener Bereich mittels des Tiefziehens erzeugt werden und anschließend durch die Lochung beispielsweise ein nabenförmiger Kragen entstehen. Außerdem kann ein Bereich mit runder Querschnittsfläche in Längsrichtung tiefgezogen werden, sodass ein runder Ziehboden entsteht. Allerdings sind auch andere geometrische Querschnitte, welche sich zum Tiefziehen eignen, verwendbar, etwa ovale oder eckige Querschnitte. Der Ziehboden kann parallel oder schräg zum Flanschbereich des Werkstücks ausgeformt sein. Zudem kann die Berandungslinie des Ziehbodens linear, wellenförmig oder andersförmig ausgeformt sein. Das Tiefziehen erfolgt bevorzugt pressengestützt, beispielsweise mittels eines Tiefziehstempels oder Formstempels, welcher zumindest abschnittsweise einen entsprechenden Querschnitt aufweist. Der Tiefziehstempel kann beispielsweise an ein Gesenk angepasst sein, welches ebenfalls zumindest abschnittsweise einen entsprechenden Querschnitt aufweist. Beispielsweise ist das Gesenk ein Aushalsgesenk mit einer Aushalskontur, in welche der Zargenbereich eingeformt werden kann, wodurch das Tiefziehen während des Auskragens prozesssicher erfolgen kann.
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Der durch den Tiefziehvorgang entstehende Zargenbereich schließt sich im Längsschnitt gesehen beispielsweise im Wesentlichen rechtwinklig an den Flanschbereich an. Auch der Ziehboden kann sich im Längsschnitt gesehen im Wesentlichen rechtwinkelig an den Zargenbereich anschließen.
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Es kann eine runde Öffnung in den Ziehboden gelocht werden. Allerdings sind auch hier andere geometrische Querschnitte, welche sich zum Lochen eignen, verwendbar, etwa ovale oder eckige Querschnitte. Dabei können die verwendeten Querschnittsformen beim Tiefziehen und beim Lochen im Wesentlichen, etwa bis auf einen Offset, übereinstimmen oder es können unterschiedliche Formen verwendet werden. Das Lochen erfolgt beispielsweise mittels eines Lochstempels, beispielsweise eines Schneid- oder Stanzstempels. Dieser kann beispielsweise an eine Lochmatrize angepasst sein. Diese kann dem Lochstempel bzw. dem Ziehboden eine Kraft entgegenhalten, sodass das Lochen des Ziehbodens prozesssicher erfolgt. Die Lochmatrize ist beispielsweise federnd gelagert, um eine entsprechende Kraft in Längsrichtung entgegen der Wirkrichtung des Lochstempels bzw. Ziehbodens zu erzeugen. Beispielsweise kann in einem ersten Schritt das Tiefziehen erfolgen und in einem zweiten Schritt, beispielsweise in einem weiteren Werkzeug, das Lochen. Vorteilhaft kann der Lochstempel in den Tiefziehstempel integriert sein, sodass Tiefziehen und Lochen in dem gleichen Werkzeug und in einem Schritt erfolgen kann. Hierzu weist der Tiefziehstempel an seiner Stirnseite beispielsweise eine Lochkante auf, welche beispielsweise vom Rand des Tiefziehstempels, insbesondere gleichmäßig, beabstandet ist. Der Teil des Ziehbodens, welcher gelocht ist, kann als Butzen, beispielsweise als Schneid- oder Stanzbutzen, entfernt werden.
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Der im tiefgezogenen Bereich des Werkstücks befindliche Ziehboden wird derart gelocht, dass die Größe der im Ziehboden entstandenen Öffnung kleiner ist als die Größe des Ziehbodens und dass sich an den Zargenbereich ein Ziehbodenteilbereich anschließt. Auf diese Weise ist es möglich, ein Werkstück zur Verfügung zu stellen, bei welchem ein Kragen mit in Längsrichtung gesehen besonders großen Kragenlängen hergestellt werden können, welche dennoch eine ausreichende Qualität aufweisen, insbesondere also maßgenau sind. Der Ziehbodenteilbereich lässt sich nämlich im Bedarfsfall entsprechend weit aufweiten, ohne einzureißen, da in diesem Bereich entsprechend viel Material für die Aufweitung zur Verfügung steht.
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Beispielsweise ist der Durchmesser der Öffnung kleiner als der Durchmesser des Ziehbodens. Beispielsweise sind der Ziehboden und die Öffnung im Ziehboden rund und konzentrisch angeordnet. Beispielsweise hat die Öffnung im Ziehboden einen im Wesentlichen konstanten Abstand vom Zargenbereich bzw. der Ziehbodenteilbereich hat eine konstante Ausdehnung (Aufweitungsbreite) in radialer Richtung. Beispielsweise ist der Querschnitt der Öffnung ein Offset des Zargenquerschnitts. Alternativ ist jedoch auch möglich, dass der Ziehbodenteilbereich in radialer Richtung gesehen eine variierende Ausdehnung, d. h. eine variierende Aufweitungsbreite, aufweist. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Länge des Kragens (in Längsrichtung) entlang des Umfangs (in Tangentialrichtung) unterschiedlich sein soll.
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Das Werkstück ist beispielsweise eine (nicht vorgelochte) Platine, ein Halbzeug oder ein Fertigteil. Das Werkstück besteht vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl. Als Stahl kommen nicht nur weiche tiefziehfähige Stähle in Betracht, sondern auch höherfeste bzw. hochfeste Stähle.
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Das Verfahren kann beispielsweise Teil einer Kaltumformung oder Warmumformung sein, oder in eine solche integriert sein. Beispielsweise kann das Tiefziehen, das Lochen und/oder gegebenenfalls das Aufweiten als Warmumformung oder Kaltumformung erfolgen.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die im Ziehboden entstandene Öffnung aufgeweitet, sodass der Kragen den Zargenbereich und den aufgeweiteten Ziehbodenteilbereich umfasst. Wie bereits ausgeführt, ist es auf diese Weise möglich, Kragen mit in Längsrichtung gesehen besonders großen Kragenlängen herzustellen, welche dennoch eine ausreichende Qualität aufweisen. Während des Tiefziehvorgangs, wurde der Ziehboden nämlich vorzugsweise nur geringfügig vorgedehnt. Entsprechend ist auch nach abgeschlossenem Tiefziehvorgang der Ziehboden im Wesentlichen nicht ausgedünnt und kann entsprechend viel Material für die Aufweitung zur Verfügung stellen, ohne dass Reißer auftreten. Im Ergebnis umfasst der Kragen dann den Zargenbereich und den aufgeweiteten Ziehbodenteilbereich, wodurch eine entsprechende große Kragenlänge und/oder Öffnungsgröße erreicht werden kann. Somit können besonders vorteilhaft auch bei der Verwendung von hochfesten Stählen trotz entsprechend geringer Lochaufweitungsvermögen hinreichend große und exakte Kragenlängen erreicht werden.
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Das Aufweiten der im Ziehboden entstandenen Öffnung kann beispielsweise mit einem Aufweitstempel erfolgen. Beispielsweise kann das Werkstück hierzu in ein Werkzeug eingebracht werden, welches unterschiedlich zu den zum Tiefziehen und/oder Lochen verwendeten Werkzeugen ist. Vorteilhaft wird jedoch der Tiefziehstempel verwendet, um den Ziehbodenteilbereich aufzuweiten. Besonders vorteilhaft kann das Aufweiten gegen die Aushalskontur des Gesenks erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens entspricht die Länge des Kragens im Wesentlichen der Länge des Zargenbereichs ergänzt um die Länge des aufgeweiteten Ziehbodenteilbereichs. Es hat sich gezeigt, dass eine ausreichende Länge des Kragens dadurch erreicht werden kann, dass der Kragen durch den Zargenbereich und durch den aufgeweiteten Ziehbodenteilbereich bereitgestellt wird. Dabei kann der aufgeweitete Ziehbodenteilbereich den Zargenbereich vorteilhaft in Längsrichtung verlängern.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Verfahren einstufig oder mehrstufig durchgeführt wird.
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Wird das Verfahren einstufig durchgeführt, kann das Verfahren besonders effizient durchgeführt werden, beispielsweise während der Warmumformung. Beispielsweise werden der Tiefziehvorgang, das Lochen des Ziehbodens und gegebenenfalls auch das Aufweiten des Ziehbodenteilbereichs in einem Werkzeug durchgeführt.
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Wird das Verfahren mehrstufig durchgeführt, kann beispielsweise der Tiefziehvorgang, das Lochen und/oder das Aufweiten des Ziehbodenteilbereichs in separaten Werkzeugen erfolgen. Dadurch können bereits vorhandene Werkzeugsysteme eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Tiefziehvorgang mit einem Tiefziehstempel inklusive Gesenk, das Lochen mit einem Lochstempel inklusive Matrize und das Aufweiten mit einem Aufweitstempel inklusive Gesenk durchgeführt werden.
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Weiterhin kann der Tiefziehvorgang einstufig oder mehrstufig durchgeführt werden. Im einstufigen Fall wird der Tiefziehvorgang in einem Werkzeug in einem Schritt durchgeführt. Ist der Tiefziehvorgang mehrstufig, läuft er in zwei oder mehr Schritten ab, beispielsweise in unterschiedlichen Werkzeugen. Vorteilhaft kann der letzte Tiefziehschritt wie der einstufige mit dem Lochen des Ziehbodens und gegebenenfalls dem Aufweiten des Ziehbodenteilbereichs in einem Werkzeug durchgeführt werden.
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Insbesondere wenn das Verfahren einstufig durchgeführt wird, ist es vorteilhaft, wenn der Ziehbodenteilbereich während der Lochung und dem darauffolgenden Aufweiten einer Kraft entgegen der Wirkrichtung des Lochstempels bzw. Tiefziehstempels ausgesetzt wird. Die Kraft ermöglicht zuerst die Lochung durch die Lochmatrize. Vorzugsweise ist die Kraft kleiner als die Tiefziehkraft, da sie zunächst eine präzise Lochung und danach eine gezielte Aufweitung ermöglichen soll. Die jeweilige notwendige Kraftgröße kann beispielsweise durch den Stempel gegen eine Lochmatrize ausgeübt werden. Beim Aufweiten ist die Kraft nur so groß ausgelegt, dass ein Aufweiten des Ziehbodenteilbereichs nicht behindert wird. Dadurch kann eine weitere Abstreckung der Zarge während des Lochens und/oder während des Aufweitens durch Tiefziehen im Wesentlichen verhindert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein weiteres Abstrecken während des Lochens und/oder während des Aufweitens durch Tiefziehen im Wesentlichen verhindert, wodurch die Kragenlänge präzise eingestellt werden kann.
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Es ist gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, dass während des Tiefzieh- und des Aufweitungsvorgangs die Tiefziehfähigkeit des Werkstücks nicht überschritten wird. Unter einem Überschreiten der Tiefziehfähigkeit wird dabei verstanden, dass das Tiefziehen zu Materialversagen, beispielsweise zu Reißern im Zargenbereich, zu Bodenreißern im Ziehboden oder zur Faltenbildung im Flanschbereich führt. Beispielsweise wird der Tiefziehvorgang, etwa die Ziehgeometrie, die Ziehtiefe, die Ziehgeschwindigkeit und/oder die Ziehtemperatur, auf die Materialeigenschaften des Werkstücks abgestimmt, um zu verhindern, dass die Tiefziehfähigkeit des Werkstücks überschritten wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist es bevorzugt, dass die Größe der durch die Lochung entstandenen Öffnung so gewählt wird, dass während des Aufweitens das Aufweitungsvermögen des Ziehbodenteils nicht überschritten wird. Das Aufweitungsvermögen ist beispielsweise überschritten, wenn Materialversagen eintritt, also beispielsweise Reißer während des Aufweitens entstehen. Bei Werkstoffen, welche ein geringeres Aufweitungsvermögen aufweisen, wird die Öffnung beispielsweise größer gewählt, damit während des Aufweitens keine Reißer entstehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt während des Tiefziehvorgangs ein Materialfluss vom Flanschbereich in den Zargenbereich. Durch den Materialfluss vom Flanschbereich in den Zargenbereich wird erreicht, dass die Ausformung der Zarge zur Bildung der Gesamtlänge des Kragens beigetragen kann, während der Ziehboden nicht oder nur geringfügig vorgedehnt ausdünnt wird und somit zusätzliches Material für das nachfolgende Aufweiten bereitstellen kann. Während des Tiefziehvorgangs ist der Materialfluss vom Flanschbereich in den Zargenbereich vorzugsweise größer als der Materialfluss vom Ziehboden in den Zargenbereich, sodass ein Materialfluss nur aus dem Flanschbereich in den Zargenbereich stattfindet
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Der Ziehboden steht gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform während des Lochens unter Zugspannung. Dadurch kann erreicht werden, dass die derart gelochte Blechkante eine geringere Kantenrissempfindlichkeit aufweist, als eine Kante, die ohne Zugspannung gelocht wird. Hierdurch kann beispielsweise ein etwas breiterer Ziehbodenteilbereich gewählt werden (bzw. eine kleinere Öffnung im Ziehboden), sodass das Ausformen eines noch längeren Kragens möglich ist.
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Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem Gesenk mit einer Aushalskontur, mit einem Stempel, mit Mitteln zum Fixieren des Werkstücks und mit einer Lochmatrize gelöst, wobei der Niederhalter derart ausgebildet ist, dass das Werkstück mit seinem Flanschbereich in der Vorrichtung fixiert werden kann, wobei der Stempel und das Gesenk derart ausgebildet sind, dass das Werkstück mittels einer relativen Bewegung von Stempel und Gesenk einem Tiefziehvorgang unterzogen werden kann, sodass ein sich an den Flanschbereich anschließender tiefgezogener Bereich mit einem sich entlang der Aushalskontur erstreckenden Zargenbereich und mit einem sich an den Zargenbereich anschließenden Ziehboden entsteht, wobei der Stempel und die Lochmatrize derart ausgebildet sind, dass der im tiefgezogenen Bereich des Werkstücks befindliche Ziehboden gelocht werden kann, sodass eine Öffnung im Ziehboden entsteht.
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Es hat sich gezeigt, dass mittels der Vorrichtung Kragen großer Länge an Werkstücken hergestellt werden können, ohne die Prozesskette der pressengestützen Umformung zu verlassen. Dadurch, dass der Kragen den tiefgezogenen Zargenbereich mit umfasst, können selbst bei hochfesten Stählen besonders lange Kragen bereitgestellt werden. Gleichzeitig kann die Herstellung des Kragens, etwa aus einem ebenen (nicht vorgelochten) Werkstück, besonders effizient einstufig erfolgen.
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Die Mittel zum Fixieren des Werkstücks umfassen beispielsweise einen Niederhalter. Der Stempel und die Lochmatrize sind beispielsweise derart ausgebildet, dass der Stempel sich relativ zur Lochmatrize bewegen kann (beispielsweise in Längsrichtung), und dadurch der im tiefgezogenen Bereich des Werkstücks befindliche Ziehboden gelocht werden kann, sodass eine Öffnung im Ziehboden entsteht. Vorzugsweise ist die Lochmatrize innerhalb des Gesenks (beispielsweise konzentrisch) angeordnet, wobei die Lochmatrize weiterhin vorzugsweise beweglich innerhalb des Gesenks angeordnet ist.
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Des Weiteren weist der Stempel eine an die Lochmatrize angepasste Lochkante, insbesondere eine Lochschneidkante, auf. Die Lochkante ist beispielsweise an der Stirnseite des Stempels vorgesehen, sodass die Größe der im Ziehboden entstehenden Öffnung kleiner ist als die Größe des Ziehbodens selbst, sodass sich nach dem Lochen an den Zargenbereich ein Ziehbodenteilbereich anschließt. Die Lochkante ist beispielsweise in radialer Richtung im Abstand der gewünschten Aufweitungsbreite von der Kante des Stempels angeordnet. Beispielsweise ragt die Lochkante aus der Stirnseite des Stempels heraus. Vorzugsweise ragt die Lochkante dabei mindestens um die Dicke des Ziehbodens heraus.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung, weist die Vorrichtung Mittel zur Beaufschlagung der Lochmatrize mit einer Kraft entgegen der Wirkrichtung des Stempels auf. Durch die Beaufschlagung der Lochmatrize mit einer Kraft entgegen der Wirkrichtung des Stempels wird auf einfache Weise eine präzise Lochung ermöglicht. Vorzugsweise ist diese Kraft nur so groß ausgelegt, dass sie zur Lochung ausreicht und im Wesentlichen keine weitere Abstreckung der Zarge durch Tiefziehen zulässt. Die Mittel zur Kraftbeaufschlagung können beispielsweise durch ein elastisch wirkendes Bauteil, beispielsweise eine mechanisch oder hydraulisch Gegendruckfeder, und/oder ein mechanisches oder hydraulisches Blockierelement realisiert sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mittel zur Beaufschlagung der Lochmatrize mit einer Kraft entgegen der Wirkrichtung des Stempels ansteuer- und damit beinflussbar. Beispielsweise kann die durch eine Feder ausgeübte Kraft verändert oder die Stellung eines Blockierelements beeinflusst werden, so dass die von der Lochmatrize entgegen der Wirkrichtung des Stempels einwirkende Kraft während des Lochens mindestens der minimal oder maximal benötigten Kraft zum Lochen des Ziehbodens entspricht. Üblicherweise ist die Kraft zum Lochen im gestreckten Spannungszustand geringer als in ungestrecktem. Nach dem Lochen bzw. während des Aufweitens des Ziehbodenteilbereichs wirkt von der Lochmatrize eine geringere Kraft derart, so dass ein Aufweiten des Ziehbodenteilbereichs nicht behindert wird, also der Ziehbodenteilbereich die Aushalskontur der Zarge annimmt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist dieser derart ausgebildet, dass die auf den Stempel (6) wirkende Kraft zum Lochen des Ziehbodens (20) und/oder zum Aufweiten des Ziehbodenteilbereichs (40) geringer ist als die Tiefziehkraft.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist der (Tiefzieh- und Loch-)Stempel, beispielsweise durch seine Form am Zargenbereich, zum Aufweiten eines gelochten Ziehbodens (zum Beispiel eines nach der Lochung entstehenden Ziehbodenteilbereichs) ausgebildet. Hierzu kann der Stempel sich beispielsweise weiter in die Tiefziehrichtung bzw. Längsrichtung bewegen.
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Weiterhin soll ein Werkstück mit einem Kragen hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als offenbart gelten.
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Bezüglich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Vorrichtung wird auf die Beschreibung der Ausführungsformen des Verfahrens und deren Vorteile hingewiesen.
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Durch die vorherige oder folgende Beschreibung von Verfahrensschritten gemäß bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen auch entsprechende Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte durch bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung offenbart sein. Ebenfalls soll durch die Offenbarung von Mitteln zur Durchführung eines Verfahrensschrittes der entsprechende Verfahrensschritt offenbart sein.
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Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens in schematischer Ansicht in einem Teil-Längsschnitt zum Zeitpunkt des Beginns des Tiefziehvorgangs;
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2 das Ausführungsbeispiel aus 1 zum Zeitpunkt des Endes des Tiefziehvorgangs vor dem Lochen des Ziehbodens;
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3 das Ausführungsbeispiel aus 1 nach dem Lochen des Ziehbodens vor dem Aufweiten der Öffnung;
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4 das Ausführungsbeispiel aus 1 zum Zeitpunkt des Abschlusses des Ausbildens des Kragens;
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5–8 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zu verschiedenen Zeitpunkten.
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1 zeigt zunächst eine Vorrichtung 1, welche dazu geeignet ist ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens durchzuführen. Die Vorrichtung 1 wird in schematischer Ansicht in einem Längsschnitt entlang der Längsrichtung 16 gezeigt. Es wird nur eine Hälfte der Vorrichtung gezeigt. Die zweite Hälfte kann beispielsweise symmetrisch aufgebaut sein. Die Vorrichtung kann beispielsweise im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Längsrichtung 16 aufgebaut sein.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gesenk 2, welches eine Aushalskontur 4 aufweist. Zudem umfasst die Vorrichtung 1 einen Stempel 6, einen Niederhalter 8 und eine Lochmatrize 10. In die Vorrichtung 1 ist ein Blech 12 als Werkstück eingelegt. Das Blech 12 kann beispielsweise ein Stahlblech aus hochfestem Stahl sein. Der Niederhalter ist derart ausgebildet, dass das Blech 12 mit seinem Flanschbereich 14 in der Vorrichtung 1 fixiert werden kann, indem das Blech 12 in dem Flanschbereich 14 zwischen Niederhalter 8 und Gesenk 2 einspannt wird. Der Stempel 6 und das Gesenk 2 sind derart ausgebildet, dass der Stempel 6 sich zumindest in Tiefziehrichtung bzw. Längsrichtung 16 relativ zum Gesenk 2 bewegen kann. Durch die Bewegung des Stempels 6 kann das Werkstück 12 einem Tiefziehvorgang unterzogen werden, sodass ein sich an den Flanschbereich 14 anschließender tiefgezogener Bereich 18 entsteht. Zum in 1 dargestellten Zeitpunkt hat der Stempel 6 Kontakt mit dem Bereich 18, da der Stempel 6 bis auf das Niveau der Gesenkauflagefläche 3 abgesenkt ist Dadurch ist das Blech 12 im Bereich 18 leicht in Längsrichtung 16 gezogen und es wird ein Ziehboden 20 ausgebildet. Es ist zu erkennen, dass der Ziehboden 20 nur gering vorgedehnt wird und nahezu keine Ausdünnung des Werkstücks in diesem Bereich erfolgt.
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Der Stempel 6 weist an seiner Stirnseite 7 eine Lochkante 22 auf, welche aus der Stirnseite 7 herausragt. Die Lochkante 22 ragt dabei im Wesentlichen um die Dicke des Ziehbodens 20 bzw. um die Dicke des Werkstücks 12 aus der Stirnseite 7 heraus. Die Lochkante 22 ist in diesem Fall als Lochschneidkante ausgeführt. Der Stempel 6 ist somit ein kombinierter Zieh- und Schneidstempel. Die Lochkante 22 ist in radialer Richtung 32 im Abstand der Aufweitungsbreite 24 von der Kante des Stempels 6 bzw. vom Rand des Stempels 6 mit der Aufweitungsbreite 24 beabstandet angeordnet.
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Die Lochmatrize 10 ist konzentrisch innerhalb des Gesenks 2 angeordnet und insbesondere längsbeweglich darin gelagert Die Lochmatrize 10 weist eine der Stirnseite 7 des Stempels 6 gegenüberliegende Auflagefläche 26 und eine konzentrisch angeordnete Öffnung 28 auf. Die Lochmatrize 10 ist dabei an den Stempel 6 angepasst. Das heißt in diesem Fall, dass die Aufweitungsbreite 24 des Stempels 6 im Wesentlichen der Auflagefläche 26 der Lochmatrize 10 entspricht und dass die Lochkante 22 in die Öffnung 28 der Lochmatrize 10 eingreifen kann.
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Die Vorrichtung 1 weist zur Lagerung der Lochmatrize 10 eine Gegendruckfeder 30 auf, welche in Längsrichtung 16 gesehen unterhalb der Lochmatrize 10 angeordnet ist. Hierdurch werden Mittel zur Beaufschlagung der Lochmatrize 10 mit einer Kraft in Richtung Stempel 6 bereitgestellt. Das heißt, dass die Gegendruckfeder 30 eine Kraft entgegen der Längsrichtung 16 auf die Lochmatrize 10 ausübt. Die durch die Gegendruckfeder 30 ausgeübte Kraft kann dabei beeinflussbar sein, beispielsweise indem die Gegendruckfeder ansteuerbar ist.
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2 zeigt die Vorrichtung 1 aus 1 zum Zeitpunkt des Endes des Tiefziehvorgangs vor dem Lochen des Ziehbodens 20. Durch den Tiefziehvorgang hat sich ein Zargenbereich 34 ausgebildet, welcher sich entlang der Aushalskontur 4 erstreckt. Dabei schließt sich der Zargenbereich 34 im Wesentlich rechtwinklig und in Längsrichtung 16 an den Flanschbereich 14 an. Der Ziehboden 20 wiederum schließt sich im Wesentlichen rechtwinklig und in radialer Richtung 32 an den Zargenbereich 34 an. Das Werkstück 12 setzt im in 2 dargestellten Zeitpunkt durch den Tiefziehvorgang in Längsrichtung 16 auf der Auflagefläche 26 der Lochmatrize 10 auf, kurz bevor die tiefste Tiefziehstellung erreicht ist.
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Es ist zu erkennen, dass der Ziehboden 20 durch den Tiefziehvorgang weiterhin nur geringfügig beansprucht bzw. ausgedünnt wurde. Der Zargenbereich 34 wurde im Wesentlichen durch einen Materialfluss vom Flanschbereich 14 in den Zargenbereich 34 ausgebildet.
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3 zeigt die Vorrichtung aus 1 zum Zeitpunkt des Lochens des Ziehbodens 20 vor dem Aufweiten der Öffnung. Im Vergleich zu der in 3 gezeigten Stellung des Stempels 6 ist dieser nun noch etwas weiter in Längsrichtung 16 verfahren. Dadurch wird der Zargenbereich 34 und der Ziehboden 20 noch etwas weiter ausgeformt. Da die Lochkante 22 im Wesentlichen um die Dicke des Ziehbodens 20 aus der Stirnseite 7 herausragt und in die Öffnung 28 der Lochmatrize eingreifen kann und dadurch, dass der Gegendruck der Feder 30, welcher über die Lochmatrize 10 auf den Ziehboden 20 ausgeübt wird, größer ist als die minimal oder maximal benötigte Lochkraft des Stempels 6, aber beispielsweise auch kleiner als die Tiefziehkraft ist, schneidet die Lochschneidkante 22 einen Schneidbutzen 36 aus dem Ziehboden 20 heraus, sodass eine Öffnung 38 entsteht. Die Lochkante 22 ist dabei derart ausgebildet, so dass die Größe der im Ziehboden 20 entstehenden Öffnung 38 kleiner ist als die Größe des Ziehbodens 20, sodass sich nach dem Lochen an den Zargenbereich 34 ein Ziehbodenteilbereich 40 anschließt. Der Ziehbodenteilbereich 40 befindet sich dabei zwischen der Stirnseite des Stempels 6 und der Auflagefläche 26 der Lochmatrize 10 und erstreckt sich in radialer Richtung 32 entlang der Aufweitungsbreite 24.
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Die Aufweitungsbreite 24 kann in radialer Richtung 32 entlang des Umfangs (d. h. in Tangentialrichtung, senkrecht zur Zeichenebene) des Stempels 6 bzw. des Ziehbodenteilbereichs 40 konstant sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der Ziehbodenteilbereich 40 in radialer Richtung 32 eine variierende Ausdehnung, d. h. eine variierende Aufweitungsbreite 24, aufweist. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Länge des Kragens in Längsrichtung 16 entlang des Umfangs in Tangentialrichtung unterschiedlich sein soll.
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Im vorliegenden Fall steht der Ziehboden 20 während des in 3 dargestellten Lochens unter Zugspannung. Dadurch wird erreicht, dass die benötigte Gegenkraft durch die Matrize gering bleibt und der Ziehbodenteilbereich 40 eine geringere Kantenrissempfindlichkeit aufweist, sodass beispielsweise die Aufweitungsbreite 24 beispielsweise etwas größer gewählt werden kann.
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Im Fall des in 3 dargestellten Falls, dass der im tiefgezogenen Bereich 18 des Werkstücks 12 befindliche Ziehboden 20 derart gelocht wird, so dass die Größe der im Ziehboden 20 entstandenen Öffnung 38 kleiner ist als die Größe des Ziehbodens 20 und dass sich dadurch an den Zargenbereich 34 ein Ziehbodenteilbereich 40 anschließt, wird hingegen im Anschluss an den in 3 dargestellten Zeitpunkt der Stempel 6 weiter in Längsrichtung 16 verfahren. Die Gegenfeder 30 ist dabei derart ausgelegt oder wird dabei derart angesteuert, dass die Gegenkraftdurch die Lochmatrize 10 nun nur noch so groß ist, dass die Lochmatrize 10 bei weiterem Verfahren des Stempels 6 in Längsrichtung 16 ebenfalls in Längsrichtung 16 bewegt wird. Für die Kraft des Federelements gilt also, dass die Kraft nun nur noch so groß ist, dass ein Aufweiten des Ziehbodenteilbereichs 40 nicht behindert wird und das ein weiteres Abstrecken der Zarge im Wesentlichen nicht erfolgt. Dadurch wird der Ziehbodenteilbereich 40 systematisch aufgeweitet, bis die in 4 dargestellte Position erreicht ist. Der Stempel 6 fungiert also gleichzeitig als Aufweitungsstempel.
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4 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 1 zum Zeitpunkt des Abschlusses des Ausbildens des Kragens. Der Stempel 6 befindet sich dabei in der tiefsten Position, in der der Stempel 6 auf die Lochmatrize 10 aufgesetzt hat, da das Material des Ziehbodenteilbereichs 40 nach außen geflossen ist und aufgeweitet ist. Der Schneidbutzen 36 ist nach unten entfernt. Der Kragen 42 setzt sich nun aus dem Zargenbereich 34 und dem aufgeweiteten Ziehbodenteilbereich 40 zusammen. Der tiefgezogene und aufgeweitete Kragen 42 ist nun fertig und der Stempel 6 kann gezogen werden.
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Im Ergebnis kann nun ein Kragen 42 an dem Werkstück 12 bereitgestellt werden, welcher im Vergleich zum Stand der Technik eine große und präzise Kragenlänge bei guter Qualität besitzt, wobei dies auch bei hochfesten Stählen auf einfache Weise erreicht werden kann.
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Die 5–8 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1' zur Durchführung des Verfahrens zu verschiedenen Zeitpunkten. Die in den 5–8 dargestellte Vorrichtung 1' entspricht dabei bis auf die Mittel zur Beaufschlagung der Lochmatrize 10 mit einer Kraft entgegen der Wirkrichtung des Stempels 6 der in den 1–4 dargestellten Vorrichtung 1. Insofern wird auf die Beschreibung der 1–4 verwiesen. Die in den 5–8 dargestellten Zeitpunkte entsprechen dabei ebenfalls den in den 1–4 dargestellten Zeitpunkten.
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Im Unterschied zur Vorrichtung 1 weist die Vorrichtung 1' anstelle der Gegendruckfeder 30 ein Federelement 30' auf, welches eine Feder 30'b und ein Blockierelement 30'a umfasst. Die Feder 30'b übt dabei eine Kraft entgegen der radialen Richtung 32 auf das Blockierelement 30'a aus, welches dadurch unterhalb der Lochmatrize 10 in das Gesenk 2 gedrückt wird. Dadurch übt das Federelement 30' eine Kraft auf die Lochmatrize 10 entgegen der Wirkrichtung des Stempels 6 aus, sodass die Lochmatrize 10 zunächst in ihrer Bewegung in Längsrichtung 16 behindert wird. Das Federelement 30' übt bis zu dem in 7 dargestellten Zeitpunkt des Lochens des Ziehbodens 20 eine Kraft auf die Lochmatrize 10 entgegen der Wirkrichtung des Stempels 6 aus. Die Kraft ist dabei größer als die minimal oder maximal erforderliche Lochkraft des Stempels 6 und kleiner als die Tiefziehkraft, sodass ein Lochen des Ziehbodens 20 durch den Stempel 6 möglich ist.
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Zu dem in 7 dargestellten Zeitpunkt kann der Stempel 6 weiter verfahren werden, sodass das Blockierelement 30'a entgegen der Federkraft der Feder 30'b in radialer Richtung 32 nach außen gedrückt wird. Dadurch wird die Kraft, die das Federelement 30' auf die Lochmatrize 10 in Richtung Stempel 6 ausübt geringer, sodass nunmehr die durch das Federelement 30' auf die Lochmatrize 10 ausgeübte Kraft so groß ist, und kleiner als die Tiefziehkraft ist, dass ein Aufweiten des Ziehbodenteilbereichs 40 nicht behindert und ein weiteres Abstrecken der Zarge im Wesentlichen verhindert wird. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass das Federelement 30' ansteuerbar ist, sodass die Position des Blockierelements 30'a gesteuert werden kann.
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Schließlich wird der Ziehbodenteilbereich 40 wiederum mittels des Stempels 6 aufgeweitet, sodass die in 8 gezeigte Ausbildung des Kragens 42 erfolgt. Der tiefgezogene und aufgeweitete Kragen 42 umfasst wiederum den tiefgezogenen Zargenbereich 34 und den aufgeweiteten Ziehbodenteilbereich 40.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1613961 [0008]
- DE 102006029124 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Erweiterung der Umformgrenzen beim Tiefziehen und Kragenziehen durch Nachschieben von Werkstoff” Dissertation Manuel Otto, Uni Magdeburg 2003 [0007]
