DE102016110655A1

DE102016110655A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Blechbauteilen

Info

Publication number: DE102016110655A1
Application number: DE102016110655.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Niermann; Georg Mayer zu Rheda; Markus Buchmann; Jakob Friesen
Original assignee: Claas Selbstfahrende Erntemaschinen GmbH
Current assignee: Claas Selbstfahrende Erntemaschinen GmbH
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2017-12-14
Also published as: DE202016107002U1; EP3254777B1; EP3254777A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zum Stanzen und/oder Umformen eines Blechzuschnitts in ein Blechbauteil, das einen Formkörper umfasst, der zumindest zwei Bereiche unterschiedlicher Werkstoffhärte aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Umformvorrichtung zum Herstellen des Blechbauteils aus dem Blechzuschnitt, die ein solches Formwerkzeug aufweist, eine Anordnung aus der Umformvorrichtung und dem in die Umformvorrichtung eingelegten Blechzuschnitt, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Blechbauteils mit der Umformvorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zum Stanzen und/oder Umformen eines Blechzuschnitts in ein Blechbauteil, das einen Formkörper umfasst, eine Umformvorrichtung zum Herstellen des Blechbauteils aus dem Blechzuschnitt, die ein solches Formwerkzeug aufweist, eine Anordnung aus der Umformvorrichtung und dem in die Umformvorrichtung eingelegten Blechzuschnitt, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Blechbauteils mit der Umformvorrichtung.
Durch Tiefziehen ist eine einstückige umformtechnische Fertigung eines Blechbauteils möglich. Dabei werden zwei starre Werkzeuge (Matrize und Stempel) genutzt, zwischen denen ein Blechzuschnitt angeordnet ist. Der Blechzuschnitt wird mit dem Stempel in Formelemente der Matrize gedrückt, so dass er ihre Form annimmt. Dabei sind dem Verfahren jedoch aufgrund der Werkstückeigenschaften des Blechzuschnitts und der Umformbedingungen Grenzen gesetzt. Durch ein Überstrecken des Blechzuschnitts können sich Risse bilden. Zudem ist die Gefahr einer Faltenbildung des Blechzuschnitts am Flansch groß. Das Tiefziehen erfordert daher verhältnismäßig dicke Blechzuschnitte. Zudem dürfen ein Durchmesser von im Blechzuschnitt ausgeformten Formelementen nicht zu klein, und ihre Tiefe nicht zu groß sein.
Für eine hochwertige Fertigung müssen Matrize und Stempel dabei zudem passgenau angefertigt werden und positionsgenau zueinander verfahren werden. Daher ist das Herstellen der Werkzeuge zeit- und kostenintensiv und die Rüstzeiten sind lang. Dabei erfordert eine Konstruktionsänderung zumeist die Herstellung neuer Werkzeuge. Diese Art des Tiefziehens ist daher nur bei großen Stückzahlen wirtschaftlich anwendbar.
Um kürzere Rüstzeiten und geringere Werkzeugkosten zu realisieren, ist es ebenfalls bekannt, Blechzuschnitte mit elastischen Werkzeugen tiefzuziehen. Dabei werden anstelle zweier starrer Werkzeuge ein starres und ein elastisches Werkzeug verwendet. Das elastische Werkzeug weist beispielsweise ein Gummikissen auf, das in einem Koffer eines Pressenstempels oder eines Pressenuntertisches eingebettet ist. Beim Umformen wird das Gummikissen in die Kontur des harten Werkzeugs eingedrückt. Dabei nimmt es den zwischen den beiden Werkzeugen angeordneten Blechzuschnitt mit, so dass dieser ebenfalls in die Kontur des harten Werkzeugs eingedrückt wird. Der Blechzuschnitt nimmt dabei angenähert die Kontur des harten Werkzeugs an.
Die Druckschrift DE 10 2009 047 950 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Formgebung einer Platte aus einem tiefziehfähigen Material, insbesondere einem Blech. Die Vorrichtung weist als Unterwerkzeug eine Aufnahme auf, in der ein Formelement ausgebildet ist. Die Aufnahme weist umfangsgeschlossene Seitenwände auf. Die Platte wird oberhalb des Formelementes in die Aufnahme gelegt. Sie wird mittels eines Stempels in das Formelement gedrückt. Die Vorrichtung sieht aber zwischen dem Stempel und der Platte eine Druckverteilungsschicht aus Umformelementen vor, die eine Anzahl Kugeln umfassen, welche in eine Kunststoffmasse, insbesondere aus Silikon oder Gummi, eingegossen sind. Zudem offenbart die Druckschrift als Stand der Technik eine Ausführungsform, bei der die Druckverteilungsschicht aus fließfähigem Schüttgut gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist zwischen dem Schüttgut und der Platte eine elastische Zwischenschicht angeordnet, um die Oberfläche der Platte vor Beschädigungen durch das Schüttgut zu schützen.
Ein alternatives Verfahren zum Stanzen und/oder Umformen von Blechzuschnitten sowie eine Vorrichtung dafür sind aus den Druckschriften US 2,055,077 , US 2,133,445 und US 2,190,659 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Blechzuschnitt auf ein Unterwerkzeug mit Formelementen aufgelegt. An einem Stempel ist matrizenseitig ein elastischer Formkörper aus Gummi oder Kunststoff angeordnet. Der Formkörper ist umfangsseitig durch Seitenwände des Pressenstempels oder des Pressenunterwerkzeugs begrenzt. Daher drückt er den Blechzuschnitt beim Aufdrücken des Stempels in die Formelemente. In Abhängigkeit von der Form der Formelemente wird der Blechzuschnitt dabei umgeformt oder gestanzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Stanzen und/oder Umformen von Blechzuschnitten zu schaffen, die bei geringen Werkzeugkosten und kurzen Rüstzeiten die Herstellung von Blechbauteilen aus den Blechzuschnitten fehlerunanfällig, passgenau und kostengünstig ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Formwerkzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, einer Umformvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9, einer Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen entnehmbar.
Dafür wird ein Formwerkzeug zum Stanzen und/oder Umformen eines Blechzuschnitts in ein Blechbauteil geschaffen, das einen Formkörper umfasst, der zumindest zwei Bereiche unterschiedlicher Werkstoffhärte aufweist. Das Formwerkzeug wird als elastisches Werkzeug einer Umformvorrichtung genutzt, die als starres Werkzeug zudem eine Werkzeugmatrize aufweist. Zum Umformen des Blechzuschnittes wird dieser zwischen dem Formkörper und der Werkzeugmatrize angeordnet.
Durch die zumindest zwei Bereiche unterschiedlicher Werkstoffhärte können die beim Umformen auf den Blechzuschnitt wirkenden Kräfte gezielt eingestellt werden.
Dafür ist es bevorzugt, dass ein erster Bereich großer Werkstoffhärte einen Rand des Formkörpers, und ein zweiter Bereich kleiner Werkstoffhärte einen Innenteil des Formkörpers bildet. Vorzugsweise umgibt der Rand das Innenteil außenseitig vollumfänglich.
Beim Umformen unterliegt der Formkörper dem Pressenhub. Der umlaufende Rand großer Werkstoffhärte dichtet das Innenteil kleiner Werkstoffhärte dabei nach außen hin ab. Er verarbeitet den Pressenhub durch Ausbeulen. Da er das Innenteil nach außen hin abdichtet, verhindert er ein Ausbeulen des Innenteils nach außen. Ein Zerquetschen und dadurch Zerstören des Innenteils wird so verhindert. Ein solches Formwerkzeug muss außenseitig nicht durch Seitenwände umschlossen werden. Die für das Stanzen und/oder Umformen des Blechzuschnitts genutzte Umformvorrichtung benötigt daher trotz der Nutzung des elastischen Formkörpers weder im Pressenstempel noch im Pressenuntertisch einen Koffer zur Aufnahme des Formkörpers.
Der Formkörper ist bevorzugt aus Kunststoffen oder Gummi, insbesondere aus Elastomeren, gebildet. Besonders bevorzugt ist er innen aus einem synthetischen Kautschuk, insbesondere Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), gefertigt und weist eine Hülle aus Polyurethan auf. Vorzugsweise weist der erste Bereich großer Werkstoffhärte, insbesondere der Rand des Formkörpers, eine Shore-Härte von etwa 80–100, besonders bevorzugt von etwa 95, auf. Er ist dadurch hart genug, um beim Umformen nicht in als Ausnehmungen oder Durchgangsbohrungen ausgebildete Formelemente der Werkzeugmatrize einzufließen. Zudem wird er zum Verklemmen des Blechzuschnitts genutzt. Alternativ kann die Hülle im ersten Bereich großer Werkstoffhärte, insbesondere am Rand des Formkörpers, auch aus gewebeverstärktem Gummi, beispielsweise Kevlar, Stahlgewebe oder ähnlich, hergestellt sein. Weiterhin bevorzugt weist der zweite Bereich kleiner Werkstoffhärte, insbesondere das Innenteil des Formkörpers, eine Shore-Härte von etwa 20–70, besonders bevorzugt von etwa 50, auf. Dadurch ist der Bereich kleiner Werkstoffhärte beim Umformen in die als Ausnehmungen oder Durchgangsbohrungen ausgebildeten Formelemente hinein fließfähig. Eine Bestimmung der Shore-Härte ist der DIN ISO 7619-1 entnehmbar.
Der Formkörper erstreckt sich bevorzugt in eine erste Erstreckungsrichtung. Vorzugsweise entspricht die erste Erstreckungsrichtung einer Betätigungsrichtung der zum Stanzen und/oder Umformen des Blechzuschnitts genutzten Umformvorrichtung. Besonders bevorzugt ist der Formkörper im Wesentlichen plattenförmig oder quaderförmig ausgebildet. Dabei ist es bevorzugt, dass der erste und der zweite Bereich in einer zweiten und/oder dritten Erstreckungsrichtung, die sich quer zur ersten Erstreckungsrichtung erstrecken, nebeneinander angeordnet sind. Eine Betätigungsseite und eine dieser gegenüber liegende Befestigungsseite sind daher nicht vom Rand umgeben.
Der Formkörper kann entweder einstückig oder mehrstückig gebildet sein. Eine einstückige Ausführungsform ist beispielsweise durch einen Mehrkomponentenspritzguss herstellbar. Es ist aber bevorzugt, dass er mehrstückig gebildet ist, vorzugsweise aus zumindest einem ersten Formstück für den ersten Bereich und einem zweiten Formstück für den zweiten Bereich. Zudem kann der erste Bereich aus mehreren, in der zweiten und/oder dritten Erstreckungsrichtung aneinander angrenzenden ersten Formstücken gebildet sein. Weiterhin kann der zweite Bereich aus mehreren in der ersten Erstreckungsrichtung mehrlagig geschichteten zweiten Formstücken gebildet sein. Eine solche mehrstückige Ausbildung des Formkörpers hat den Vorteil, dass die Formstücke für Formkörper verschiedener Blechzuschnitte wieder verwendbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Formkörper zumindest einen Bereich, insbesondere ein weiteres Formstück, einer anderen Werkstoffhärte auf. Prinzipiell können sowohl der Rand als auch das Innenteil aus Bereichen verschiedener Werkstoffhärte gebildet sein. Es ist aber bevorzugt, dass der weitere Bereich gemeinsam mit dem zweiten Bereich zweiter Werkstoffhärte das Innenteil bildet. Da die Werkstoffhärte die Fließeigenschaften des Formkörpers bestimmt, kann die Stärke, mit der der Formkörper in Formelemente, insbesondere Ausnehmungen oder Durchgangsbohrungen, der Werkzeugmatrize einfließt, dadurch beeinflusst werden. Vorzugsweise weist der weitere Bereich anderer Werkstoffhärte eine größere Werkstoffhärte als der zweite Bereich auf. Dadurch ist er weniger fließfähig als der zweite Bereich. Durchgangsbohrungen oder Ausnehmungen im Blechzuschnitt können so abgedeckt werden, ohne dass das Innenteil beim Umformen in die Durchgangsbohrungen oder Ausnehmungen einfließt.
Um die Fließfähigkeit des Formkörpers und/oder die auf den Blechzuschnitt beim Umformen wirkenden Kräfte gezielt zu beeinflussen, ist es ebenfalls bevorzugt, dass sich eine Stärke des Formkörpers in der ersten Erstreckungsrichtung und/oder die Werkstoffhärte des Formkörpers, insbesondere des Innenteils, zumindest bereichsweise stufig oder kontinuierlich ändern. Eine solche Ausbildung des Formkörpers ermöglicht beispielsweise einen während des Umformens gezielt etwa gleichbleibenden Druck oder einen gezielt zu- oder abnehmenden Druck auf den Blechzuschnitt. Bei der Ausbildung großer Kavitäten im Blechzuschnitt kann, insbesondere durch eine zur Mitte der Kavität hin zunehmende Werkstoffhärte, durch die der Druck auf den Blechzuschnitt zur Mitte hin abnimmt, sichergestellt werden, dass diese nicht beim Umformen reißt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Formwerkzeug zudem einen Niederhalterahmen auf, der an der Betätigungsseite des Formkörpers angeordnet ist. Beim Umformen liegt die Betätigungsseite des Formkörpers, vorzugsweise vollflächig, am Niederhalterahmen an. Dabei ist es bevorzugt, dass er für alle im Blechzuschnitt auszubildenden Kavitäten und Abkantungen Ausschnitte aufweist. Durch die Ausschnitte kann der Formkörper in die Werkzeugmatrize einfließen und den Blechzuschnitt dabei mitnehmen. Es ist dabei bevorzugt, dass der Niederhalter und der Blechzuschnitt bündig miteinander abschließen. Der Niederhalter verhindert dadurch die Bildung von Falten im Blech. Diese Ausführungsform des Formwerkzeugs ermöglicht die Verwendung von final beschnittenen Blechzuschnitten. Nach dem Umformen des Blechzuschnitts in das Blechbauteil ist daher keine Nachbearbeitung des Blechbauteils mehr erforderlich.
Das Formwerkzeug weist weiterhin bevorzugt einen Befestigungsrahmen auf, der an einer der Betätigungsseite gegenüber liegenden Befestigungsseite angeordnet und zum Befestigen des Formwerkzeugs an der Presse, insbesondere einem Pressenstempel oder einem Pressenuntertisch, vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Formkörper zwischen dem Niederhalterrahmen und dem Befestigungsrahmen angeordnet. Bei einer mehrstückigen Ausbildung des Formkörpers ist es bevorzugt, dass sowohl der Niederhalterahmen als auch der Befestigungsrahmen eine, insbesondere vollumfänglich vorgesehene, abgekanteten Leiste aufweisen. Die Leiste hält den Formkörper außenseitig. Dadurch müssen die Formstücke des Formkörpers nicht aneinander befestigt werden.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer Umformvorrichtung zum Herstellen eines Blechbauteils aus einem Blechzuschnitt. Die Umformvorrichtung weist ein solches Formwerkzeug auf. Zudem weist sie eine Werkzeugmatrize auf, die zumindest ein Formelement, insbesondere eine Ausnehmung oder eine Anformung, aufweist. Eine solche Ausnehmung ist zur Ausbildung von Kavitäten oder Abkantungen, die Anformung zur Ausdehnung des Blechzuschnitts vorgesehen.
Die Werkzeugmatrize ist bevorzugt als Lamellenpaket gefertigt, insbesondere aus mehreren miteinander verstifteten oder vernieteten, insbesondere gestanzten oder gelaserten, Blechplatinen. Sie kann aber auch gegossen sein. Zudem kann sie aus einem harten Kunststoff oder Harz hergestellt sein. In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist sie aus Holz oder Beton hergestellt.
Weiterhin weist die Umformvorrichtung den Pressenstempel auf, der in und gegen die erste Erstreckungsrichtung verfahrbar ist. Durch das Verfahren des Pressenstempels wird das Formwerkzeug auf die Werkzeugmatrize gedrückt. Zudem ist es bevorzugt, dass die Umformvorrichtung den Pressenuntertisch aufweist.
Vorzugsweise ist der Pressenstempel relativ zur Werkzeugmatrize und/oder dem Formwerkzeug verfahrbar. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Formwerkzeug am Pressenstempel angeordnet. Dabei ist die Werkzeugmatrize bevorzugt auf dem Pressenuntertisch angeordnet.
Der Niederhalterahmen ist in der Umformvorrichtung bevorzugt in und gegen die erste Erstreckungsrichtung beweglich vorgesehen. Dadurch kann sich ein Abstand des Niederhalterahmens vom Pressenstempel während des Umformens ändern. Besonders bevorzugt ist dafür eine Kette oder ein Band vorgesehen.
Die Umformvorrichtung ist in einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform vollumfänglich offen ausgebildet. Es können daher herkömmliche, insbesondere alte, Pressen verwendet werden.
Dabei ist es bevorzugt, dass der Rand den Innenteil außenseitig vollumfänglich umgibt. Die Umformvorrichtung erfordert dann keine Aufnahme für den Formkörper im Pressenstempel oder Pressenuntertisch. Dadurch ist kein positionsgenaues Verfahren des Pressenstempels relativ zum Pressenuntertisch erforderlich. Trotzdem ist mit der Umformvorrichtung ein hochgenau gefertigtes Blechbauteil herstellbar.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer Anordnung mit einer Umformvorrichtung, insbesondere mit einer solchen Umformvorrichtung, zum Herstellen eines solchen Blechbauteils aus einem Blechzuschnitt, und mit dem Blechzuschnitt. Der Blechzuschnitt ist bevorzugt zwischen der Werkzeugmatrize und dem Formwerkzeug angeordnet. Vorzugsweise ist er an der Werkzeugmatrize angeordnet, so dass er das Formelement abdeckt. Dabei ist das Formwerkzeug zwischen dem Blechzuschnitt und dem Pressenstempel angeordnet. Besonders bevorzugt ist es am Pressenstempel befestigt und wird beim Umformen mit diesem relativ zur Werkzeugmatrize verfahren.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Blechbauteils aus einem Blechzuschnitt mit einer solchen Umformvorrichtung. Die Umformvorrichtung weist den Pressenstempel und die Werkzeugmatrize auf. Das Verfahren sieht vor, dass der Pressenstempel relativ zur Werkzeugmatrize, die Formelemente aufweist, und an der der Blechzuschnitt, die Formelemente abdeckend, angeordnet ist, in die erste Erstreckungsrichtung verfahren wird. Zwischen dem Blechzuschnitt und dem Pressenstempel ist dabei das Formwerkzeug angeordnet. Das Formwerkzeug weist den Formkörper auf. Beim Verfahren des Pressenstempels wird der Formkörper verformt.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Blechzuschnitt mit dem Rand des Formkörpers an der Werkzeugmatrize verklemmt wird. Zudem wird er mit dem Innenteil des Formkörpers verformt, insbesondere gestanzt und/oder umgeformt.
Es hat sich gezeigt, dass der Niederhalterahmen bereits bei geringem Pressenhub ausreichend auf den Blechzuschnitt gedrückt wird, um den Blechzuschnitt zu verklemmen und festzuhalten. Sofern der Niederhalterahmen bündig mit dem Blechzuschnitt abschließt, bleibt eine Außenkontur des Blechzuschnitts auch beim Umformen erhalten. Eine Nachbearbeitung des Blechbauteils nach dem Umformen ist dann nicht erforderlich.
Dabei wird der Rand des Formkörpers beim Umformen durch den Pressenhub ballig nach außen verformt, wobei er das Innenteil nach außen hin abdichtet. Dadurch wird das Innenteil beim Umformen nicht gequetscht oder sogar zerstört.
Um die Tiefe von in das Blechbauteil geformten Kavitäten zu beeinflussen, die Gefahr von Bodenreißern zu verringern, oder Durchgangsbohrungen oder Ausnehmungen vor einem Verformen zu schützen, ist es zudem bevorzugt, dass die beim Stanzen und/oder Umformen des Blechzuschnitts vom Formkörper, insbesondere in die erste Erstreckungsrichtung, auf den Blechzuschnitt wirkenden Kräfte durch Bereiche unterschiedlicher Werkstoffhärte und/oder unterschiedlicher Stärke des Formkörpers gezielt eingestellt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren erläutert. Die Figuren sind beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein. Es zeigen:
1 in (a) eine Anordnung aus einer Umformvorrichtung, die einen Formkörper umfasst, und einem in die Umformvorrichtung eingelegten Blechzuschnitt in einer Ruhelage, und in (b) die Anordnung in einer Arbeitslage;
2 in (a) und (b) den Formkörper der Anordnung aus 1(a), und zwar in (a) einen Schnitt A-A durch (b), und in (b) eine Betätigungsseite des Formkörpers, sowie in (c) die Betätigungsseite einer weiteren Ausführungsform des Formkörpers;
3 eine Ausführungsform des Niederhalterahmens eines Formwerkzeugs der Umformvorrichtung;
4 beispielhaft einen Blechzuschnitt;
5 eine Ausführungsform einer Werkzeugmatrize der Umformvorrichtung;
6 in (a) ein Formwerkzeug und eine Werkzeugmatrize in einer explosionsartigen Ansicht, in (b) das an einen Pressenstempel der Umformvorrichtung montierte Formwerkzeug, und in (c) die an einen Pressenuntertisch montierte Werkzeugmatrize; und
7 in (a) ein Schnittbild eines mit der Umformvorrichtung hergestellten Blechbauteils schematisch, und in (b)–(d) verschiedene mit der Umformvorrichtung hergestellte Blechbauteile.
1 zeigt in (a) eine Anordnung 1 aus einer Umformvorrichtung 10 und einem in die Umformvorrichtung 10 eingelegten Blechzuschnitt 3.
Die Umformvorrichtung10 weist einen Pressenstempel 11 und ein Pressenuntertisch 13 auf. Am Pressenuntertisch 13 ist eine Werkzeugmatrize 12 angeordnet. Eine Werkzeugkontur (nicht bezeichnet) der Werkzeugmatrize 12 ist formbestimmend für eine Blechstruktur (nicht bezeichnet) eines aus dem Blechzuschnitt 3 herzustellenden Blechbauteils 30 (s. 1(b)).
Dafür weist die Werkzeugmatrize 12 Formelemente 20, 21 auf, insbesondere Ausnehmungen 20 zur Herstellung von Abkantungen und Kavitäten 35 im Blechbauteil 30 und Anformungen 21 zur Ausdehnung des Blechbauteils 30. Die Werkzeugmatrize 12 ist aus geschichteten Blechplatinen 2 hergestellt und verstiftet.
Zudem weist die Umformvorrichtung 10 ein Formwerkzeug 14 auf. Das Formwerkzeug 14 besteht hier aus einem Formkörper 5 aus einem elastischen Kunststoff oder Gummi (Gummikissen), und aus einem Niederhalterahmen 4. Dabei liegt der Formkörper 5 am Niederhalterahmen 4 an.
Der Formkörper 5 weist zwei Bereiche 51, 52 unterschiedlicher Werkstoffhärte B1, B2 auf. Ein erster Bereich 51 großer Werkstoffhärte B1 bildet einen Rand 51 des Formkörpers 5. Ein zweiter Bereich 52 kleiner Werkstoffhärte B2 bildet einen Innenteil 52 des Formkörpers 5. Der Rand 51 umgibt das Innenteil 52 außenseitig 503 vollumfänglich. Er ist mehrstückig aus zumindest einem ersten Formstück 511 für den ersten Bereich 51 und einem zweiten Formstück 521 für den zweiten Bereich 52 gefertigt. Prinzipiell kann er aber auch, beispielsweise mittels Mehrkomponenten-Spritzguss, einstückig hergestellt werden.
Der Formkörper 5 erstreckt sich in eine erste Erstreckungsrichtung 60, die einer Betätigungsrichtung der Umformvorrichtung 10 entspricht. In der ersten Erstreckungsrichtung 60 weist er eine Stärke 50 von etwa 20–150 mm, insbesondere von 60–100 mm, auf. Zudem erstreckt er sich in eine zweite und eine dritte Erstreckungsrichtung 61, 62, die sich quer zur ersten Erstreckungsrichtung 60 und quer zueinander erstrecken. Der erste und der zweite Bereich 51, 52 sind in der zweiten und/oder dritten Erstreckungsrichtung 61, 62 nebeneinander angeordnet. Der Formkörper 5 ist hier im Wesentlichen plattenförmig, und zwar etwa quaderförmig ausgebildet.
Da der Formkörper 5 den Rand 51 großer Werkstoffhärte B1 aufweist, können ein Pressenstempel 11 und ein Pressenuntertisch 13 verwendet werden, die zu den Seiten hin offen sind.
An einer Betätigungsseite 502 des Formkörpers 5 ist der Niederhalterahmen 4 angeordnet. Formkörper 5 und Niederhalterahmen 4 liegen insbesondere vollflächig aneinander an.
Bei der dargestellten Umformvorrichtung 10 sind der Niederhalterahmen 4 des Formwerkzeugs 14 unmittelbar am Blechzuschnitt 3 und der Blechzuschnitt 3 unmittelbar an der Werkzeugmatrize 12 angeordnet. Der Blechzuschnitt 3 ist daher zwischen den beiden Werkzeugen 12, 14 der Umformvorrichtung 10 angeordnet. Dabei schließt der Niederhalterahmen 4 bündig mit dem Blechzuschnitt 3 ab, um eine Faltenbildung im Blechzuschnitt 3 beim Umformen zu verhindern.
Als Werkstück wird ein final beschnittener Blechzuschnitt 3 verwendet, der eine Stärke (nicht bezeichnet) von bis zu 10 mm aufweisen kann.
Der Pressenstempel 11 ist hier vom Formwerkzeug 14 beabstandet angeordnet. Das Formwerkzeug 14 kann aber auch am Pressenstempel 11 befestigt sein. Prinzipiell ist es auch denkbar, das Formwerkzeug 14 am Pressenuntertisch 13 anzuordnen, und die Werkzeugmatrize 12 an der dem Pressenstempel 11 zugewandten Oberseite 301 des Blechzuschnitts 3 oder am Pressenstempel 11.
1a zeigt die Umformvorrichtung 10 in einer Ruhelage R. Zum Umformen oder Stanzen des Blechzuschnitts 3 in das Blechbauteil 30 wird der Pressenstempel 11 in die erste Erstreckungsrichtung 60 verfahren. Dabei legt er sich an den Formkörper 5 an und drückt diesen dann in die erste Erstreckungsrichtung 60. Der Formkörper 5 wird dabei verformt.
Der Rand 51 des Formkörpers 5 drückt den Niederhalterrahmen 4 mit einer dem Pressenhub d7 (s. 1(b)) entsprechenden Kraft 8 an den Blechzuschnitt 3, und diesen an die Werkzeugmatrize 12. Der Blechzuschnitt 3 wird dadurch zwischen dem Niederhalterahmen 4 und der Werkzeugmatrize 12 verklemmt.
Zudem verformt sich dabei der Rand 51 des Formkörpers 5 nach außen. Da er das Innenteil 52 außenseitig 503 (s. 2) vollumfänglich umgibt, dichtet er es nach außen hin ab. Dadurch wird das Innenteil 52 mit der dem Pressenhub d7 entsprechenden Kraft 8 auf den Blechzuschnitt 3 gedrückt. Durch den Druck des Innenteils 52 wird der Blechzuschnitt 3 in oder an die Formelemente 20, 21, insbesondere in die Ausnehmungen 20, der Werkzeugmatrize 12 gedrückt. Der Blechzuschnitt 3 formt sich dabei im Wesentlichen entsprechend der Werkzeugkontur der Werkzeugmatrize 12 frei aus. Dabei ist die Gefahr eines Überstreckens aufgrund der Selbstorganisation des Blechgefüges und einer Kaltverfestigung beim Umformen gering. Die Werkzeugkontur der Werkzeugmatrize 12 definiert daher die finale Blechstruktur des Blechbauteils 30.
1(b) zeigt die Anordnung 1 mit der Umformvorrichtung 10 in der Arbeitslage A und dem ausgeformten Blechbauteil 30. Der Formkörper 5 ist entsprechend dem Pressenhub d7 verformt. Das Innenteil 52 ist in die Ausnehmungen 20 der Werkzeugmatrize 12 eingeflossen und hat den Blechzuschnitt 3 dabei mitgenommen, so dass sich dieser zum Blechbauteil 30 verformt hat.
2 zeigt in (a) und (b) den Formkörper 5 der Anordnung 1 aus 1(a), und zwar in (a) einen Schnitt A-A durch (b), und in (b) eine Betätigungsseite 502 des Formkörpers 5.
Der Formkörper 5 ist quaderförmig ausgebildet und weist einen ihn an einer Außenseite 503 vollumfänglich umgebenden Rand 51 großer Werkstoffhärte B1 und ein Innenteil 52 einer gegenüber dem Rand 51 kleineren Werkstoffhärte B2 auf. Das Innenteil 52 und der Rand 51 sind jeweils aus einem Formstück 521, 522 hergestellt. An der Betätigungsseite 502 und einer dieser gegenüber liegenden Befestigungsseite 501 sind bei den Ausführungsformen der 2(a) und (b) keine weiteren Bereiche 53, 54 größerer Werkstoffhärte B3, B4 vorgesehen.
Jedoch weist der Formkörper 5 der Ausführungsform der 2(c) mehrere weitere Bereiche 53, 54 einer anderen, insbesondere hier größeren, Werkstoffhärte B3, B4 auf. Diese weiteren Bereiche 53, 54 sind zum Abdecken von im Blechzuschnitt 3 (s. 4) angeordneten Durchgangsbohrungen 32 und Langlöchern 33 vorgesehen. Durch sie kann das Innenteil 51 kleiner Werkstoffhärte B1 nicht in die Durchgangsbohrungen 32 und Langlöcher 33 einfließen
3 zeigt beispielhaft einen Niederhalterahmen 4 zum Herstellen eines Blechbauteils 30 mit einer etwa quaderförmigen Kavität 35. Der Niederhalterahmen 4 weist einen Boden 42 auf, in dem im Bereich einer im Blechbauteil 3 herzustellenden Kavität 35 ein Ausschnitt 43 vorgesehen ist. Durch den Ausschnitt 43 kann sich das Innenteil 52 des Formkörpers 5 an den Blechzuschnitt 3 anlegen und diesen in die Ausnehmung 20 der Werkzeugmatrize 12 eindrücken.
Zudem weist er abgekantete Leisten 41 auf, die sich in einem Winkel (nicht bezeichnet) zum Boden 42 erstreckt. Die Leisten 41 halten den Formkörper 5 in seiner Position.
4 zeigt beispielhaft eine Oberseite 301 des Blechzuschnitts 3. Der Blechzuschnitt 3 weist eine final beschnittene Außenkontur 31 auf, so dass er nach dem Umformen in das Blechbauteil 30 nicht mehr nachbearbeitet werden muss.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind einige Durchgangsbohrungen 32 und ein Langloch 33 im Blechzuschnitt 3 vorgesehen. Damit sich diese beim Umformen nicht mit verformen, werden sie durch ein Formstück oder einen Bereich 53, 54 großer Werkstoffhärte B3, B4 abgedeckt. Der zweite Bereich 52 kleiner, zweiter Werkstoffhärte B2 kann dann nicht in die Durchgangsbohrungen 32 oder das Langloch 33 einfließen und den Blechzuschnitt 3 dort ungewollt verformen.
Alternativ zu einer Verwendung des Formkörpers 5 der 1(c) kann dabei auch ein Formkörper 5 der 2(a), (b) (ohne Bereiche 53, 54 größerer Werkstoffhärte B3, B4 im Innenteil 51) verwendet werden. Die Durchgangsbohrungen 32 und das Langloch 33 werden dann vor dem Umformen beispielsweise mit einem Blechstück (nicht gezeigt) abgedeckt.
5 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform einer Werkzeugmatrize 12. Die Werkzeugmatrize 12 ist als Lamellenpaket aus einer Vielzahl Blechplatinen 2 hergestellt. Diese sind mittels Stiften 23 aneinander befestigt. Die Werkzeugmatrize 12 weist als Formelemente eine Ausnehmung 20 auf, in der als weitere Formelemente mehrere Anformungen 21 zur Ausdehnung angeordnet sind.
Die Ausnehmung 20 ist vollumfänglich von einem Halterand 22 umgeben. Der Blechzuschnitt 3 wird beim Umformen zwischen dem Halterand 22 und dem Niederhalter 4 verklemmt.
6(a) zeigt die Bestandteile eines Formwerkzeugs 14 und einer Werkzeugmatrize 12 zum Herstellen einer Motorabdeckung in einer explosionsartigen Darstellung.
Die Werkzeugmatrize 12 ist als Lamellenpaket aus zwei gelaserten Blechplatinen 2 aus einem Flachbandmaterial, insbesondere Schwarzblech, hergestellt.
Das Formwerkzeug 14 umfasst den Niederhalterahmen 4 und einen Befestigungsrahmen 15. Auch diese sind aus gestanzten Blechen eines Flachbandmaterials gefertigt. Sie weisen jeweils eine umlaufende Leiste 41, 151 auf, um den mehrstückig hergestellten Formkörper 5 zu halten.
Der Formkörper 5 ist zwischen dem Niederhalterahmen 4 und dem Befestigungsrahmen 15 angeordnet. Er weist einen Rand 51 großer Werkstoffhärte B1 und zwei Innenteile 52 kleiner Werkstoffhärte B2 auf. Der Rand 51 ist aus einer Vielzahl kantenförmiger Formstücke 511 gebildet, die in zweiter und/oder dritter Erstreckungsrichtung 61, 62 nebeneinander angeordnet sind. Die Innenteile 52 sind jeweils aus mehreren in der ersten Erstreckungsrichtung 60 übereinander geschichteter Formstücken 521 gebildet.
Zur Herstellung der Motorabdeckung wird der final beschnittene Blechzuschnitt 3 zwischen der Werkzeugmatrize 12 und dem Formwerkzeug 14 angeordnet. Dies ist in 6(a) schematisch durch eine gestrichelte Linie für den Blechzuschnitt 3 schematisch gezeigt.
In den Bereichen, in denen das Blechbauteil 30, hier die Motorabdeckung, Kavitäten 35 ausweisen soll, weisen der Niederhalter 4 und die Blechplatinen 2 der Werkzeugmatrize 12 Ausschnitte 20 auf.
6(b) zeigt den Pressenstempel 11 der Umformvorrichtung 10 mit am Pressenstempel 11 angeordnetem Formwerkzeug 14. Der Befestigungsrahmen 15 ist am Pressenstempel 11 festgelegt. Zwischen Befestigungsrahmen 15 und Niederhalterahmen 4 ist der Formkörper 5 angeordnet. Der Niederhalterahmen 4 ist mittels Ketten 16 am Befestigungsrahmen 15 befestigt. Dadurch ist er in und gegen die erste Erstreckungsrichtung 60 beweglich. Die Ketten 16 geben beim Umformen nach und ermöglichen so das Verformen des Formkörpers 5.
6(c) zeigt die am Pressenuntertisch 13 befestigte Werkzeugmatrize 12. Das Lamellenpaket aus den Blechplatinen 2 ist an einer Halteplatte 121, die am Pressenuntertisch 13 festgelegt ist, befestigt.
Durch die Verwendung von gesägten, gestanzten oder Laser- geschnittenen Blechplatinen 2 für die Werkzeugmatrize 12 ist diese sehr kostengünstig herstellbar. Die Herstellung einer Werkzeugmatrize 12 ist in einem sehr kurzen Zeitrahmen von wenigen Wochen oder sogar nur Tagen möglich. Dadurch lassen sich Konstruktionsänderungen in der Werkzeugmatrize 12 sehr schnell und kostengünstig umsetzen.
7(a) zeigt schematisch einen Schnitt durch eine mit der Umformvorrichtung 10 hergestellte, etwa kreisrund ausgebildete Kavität 35.
Durch eine zur Mitte M der Kavität 35 hin zunehmende Werkstoffhärte B1–B4 nimmt der Druck beziehungsweise die beim Umformen wirkende Kraft 8 auf den Blechzuschnitt 3 zur Mitte M hin ab. Der Blechzuschnitt 3 formt sich frei aus. Aufgrund der Selbstorganisation des Blechgefüges und einer Kaltverfestigung während des Umformens kann auch bei tiefen Kavitäten 35 sichergestellt werden, dass der Blechzuschnitt 3 dabei nicht im reißt.
Mit der Umformvorrichtung sind so Kavitäten 35 mit einer Tiefe T von bis zu 200 mm herstellbar.
In 7(b)–(d) sind beispielhaft mehrere Blechbauteile 30 dargestellt, die mit der Umformvorrichtung 10 hergestellt sind. 7(b) zeigt beispielhaft eine etwa kreisrunde Kavität 35, 7(c) zeigt eine bogenförmige Kavität 35, die beispielsweise als Teil eines Hydrauliktanks nutzbar ist, und 7(d) zeigt eine weitere Ausführungsform einer Motorabdeckung mit mehreren flachen Kavitäten 35.
In Abhängigkeit vom Pressenhub d7, der Werkstoffhärte B1–B4 der Bereiche 51–54 des Formkörpers 5, insbesondere des Innenteils 52, sowie der Werkzeugkontur der Werkzeugmatrize 12 wird der Blechzuschnitt 3 mehr oder weniger in oder an die Formelemente 20, 21 der Werkzeugmatrize 12 gedrückt. Dadurch können scharfe oder fließende Kanten 34 des Blechbauteils 30 hergestellt werden. Die Umformvorrichtung 10 ermöglicht so auch ein Ausstanzen.
Durch eine gezielte Gestaltung von Bereichen 51–54 verschiedener Werkstoffhärte B1–B4 im Formkörper 5 kann die Blechstruktur des Blechbauteils 30 daher gezielt beeinflusst werden. In den Blechzuschnitt 3 können Durchgangsbohrungen 32 vor dem Umformen eingebracht und das Blechbauteil 30 vor dem Umformen final beschnitten werden. Die Variation der Werkstoffhärte B1–B4 und/oder der Stärke 50 des Formkörpers 5 ermöglicht auch ein gleichzeitiges Umformen und Stanzen des Blechzuschnitts 3.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
10: Umformvorrichtung
11: Pressenstempel
12: Werkzeugmatrize
13: Pressenuntertisch
14: Formwerkzeug
15: Befestigungsrahmen
151: Befestigungsleiste
16: Befestigungsmittel, Kette
2: Blechplatine
201: Oberseite
202: Unterseite
20: Formelement, Ausnehmung
21: Formelement, Ausdehnung
22: Halterand
23: Stift
B1–B4: Erste – vierte Werkstoffhärte (Shore-Härte)
3: Blechzuschnitt
30: Blechbauteil
301: Oberseite
302: Unterseite
31: Außenkontur
32: Durchgangsbohrung
33: Langloch
34: Kante
35: Kavität
4: Niederhalterahmen
401: Oberseite
402: Unterseite
41: Rahmenleiste
42: Boden
43: Ausschnitt
5: Formkörper, Elastomerkörper, Gummikissen
50: Stärke des Formkörpers
501: Befestigungsseite
502: Betätigungsseite
503: Außenseite
51: Erster Bereich, Rand
511: Erstes Formstück
52: Zweiter Bereich, Innenteil
521: Zweites Formstück
53, 54: Dritter, vierter Bereich, Lochabdeckung
60: Erste Erstreckungsrichtung, Betätigungsrichtung
61: Zweite Erstreckungsrichtung
62: Dritte Erstreckungsrichtung
d7: Arbeitsweg / Hub des Pressenstempels
8: Kraft
R: Ruhelage des Formwerkzeugs
A: Arbeitslage des Formwerkzeugs
M: Mitte
T: Tiefe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009047950 A1 [0005]
US 2055077 [0006]
US 2133445 [0006]
US 2190659 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN ISO 7619-1 [0013]

Claims

Formwerkzeug (14) zum Stanzen und/oder Umformen eines Blechzuschnitts (3) in ein Blechbauteil (30), das einen Formkörper (5) umfasst, der zumindest zwei Bereiche (51–54) unterschiedlicher Werkstoffhärte (B1–B5) aufweist.
Formwerkzeug (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Bereich großer Werkstoffhärte (B1) einen Rand (51) des Formkörpers (5), und ein zweiter Bereich (52) kleiner Werkstoffhärte (B2) einen Innenteil (52) des Formkörpers (5) bildet, wobei der Rand (51) das Innenteil (52) außenseitig (503) vollumfänglich umgibt.
Formwerkzeug (14) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (5) aus Elastomeren gebildet ist, wobei der erste Bereich (51) großer Werkstoffhärte eine Shore-Härte von etwa 80–100, insbesondere von etwa 95, und der zweite Bereich (52) kleiner Werkstoffhärte eine Shore-Härte von etwa 20–70, insbesondere von etwa 50, aufweist.
Formwerkzeug (14) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Formkörper (5) in eine erste Erstreckungsrichtung (60) erstreckt, und der erste und der zweite Bereich (51, 52) in einer zweiten und/oder dritten Erstreckungsrichtung (61, 62) quer zur ersten Erstreckungsrichtung (60) nebeneinander angeordnet sind.
Formwerkzeug (14) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (5) • entweder einstückig, • oder mehrstückig aus zumindest einem ersten Formstück (511) für den ersten Bereich (51) und einem zweiten Formstück (521) für den zweiten Bereich (52) gefertigt ist.
Formwerkzeug (14) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich aus mehreren, in der zweiten und/oder dritten Erstreckungsrichtung (61, 62) aneinander angrenzenden ersten Formstücken (511), und/oder dass der zweite Bereich (52) aus mehreren in der ersten Erstreckungsrichtung (60) mehrlagig geschichteten zweiten Formstücken (521) gebildet sind.
Formwerkzeug (14) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er innen aus einem synthetischen Kautschuk, insbesondere Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, gefertigt ist, und dass er eine Hülle aus Polyurethan aufweist, oder zumindest im ersten Bereich großer Werkstoffhärte, insbesondere am Rand des Formkörpers, eine Hülle aus gewebeverstärktem Gummi, insbesondere Kevlar, Stahlgewebe oder ähnlich.
Formwerkzeug (14) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Niederhalterahmen (4) umfasst, der an einer Betätigungsseite (502) des Formkörpers (5) angeordnet ist.
Umformvorrichtung (10) zum Herstellen eines Blechbauteils (30) aus einem Blechzuschnitt (3), die ein Formwerkzeug (14) nach einem der vorherigen Ansprüche, eine Werkzeugmatrize (12) mit zumindest einem Formelement (20, 21), sowie einen Pressenstempel (11), der in und gegen die erste Erstreckungsrichtung (60) relativ zur Werkzeugmatrize (12) verfahrbar ist, aufweist.
Umformvorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (14) am Pressenstempel (11) befestigt ist, wobei der Niederhalterahmen (4) in und gegen die erste Erstreckungsrichtung (60) beweglich ist.
Umformvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9–10, dadurch gekennzeichnet, dass sie vollumfänglich offen ausgebildet ist, und der Rand (51) den Innenteil (52) außenseitig (503) vollumfänglich umgibt.
Anordnung (1) mit einer Umformvorrichtung (10) zum Herstellen eines Blechbauteils (30) aus einem Blechzuschnitt (3) nach einem der Ansprüche 9–11 und dem Blechzuschnitt (3), der, das Formelement (21, 22) abdeckend, an der Werkzeugmatrize (12) angeordnet ist, wobei das Formwerkzeug (14) zwischen dem Blechzuschnitt (3) und dem Pressenstempel (11) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Blechbauteils (30) aus einem Blechzuschnitt (3), bei dem ein Pressenstempel (11) einer Umformvorrichtung (10) relativ zu einer Werkzeugmatrize (12) der Umformvorrichtung (10), die Formelemente (20, 21) aufweist, und an der der Blechzuschnitt (3), die Formelemente (20, 21) abdeckend, angeordnet ist, in eine erste Erstreckungsrichtung (60) verfahren wird, wobei zwischen dem Blechzuschnitt (3) und dem Pressenstempel (11) ein Formwerkzeug (14) nach einem der Ansprüche 1–8 angeordnet ist, das einen Formkörper (5) aufweist, der sich dabei, insbesondere frei, verformt, dadurch gekennzeichnet, dass der Blechzuschnitt (3) dabei mit dem Rand (551) des Formkörpers (5) an der Werkstückmatrize (12) verklemmt wird, und dass er mit dem Innenteil (552) des Formkörpers (5) verformt wird, insbesondere gestanzt und/oder umgeformt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Stanzen und/oder Umformen des Blechzuschnitts (3) vom Formkörper (5), insbesondere in die erste Erstreckungsrichtung (60), auf den Blechzuschnitt (3) wirkenden Kräfte (8) durch Bereiche (51–54) unterschiedlicher Werkstoffhärte (B1–B4) und/oder eine Stärke (50) des Formkörpers (5) gezielt eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (51) des Formkörpers (5) beim Umformen durch den Pressenhub ballig nach außen verformt wird, und das Innenteil (52) nach außen hin abdichtet.