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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geformten, insbesondere flanschbehafteten Blechbauteils, das Verfahren umfassend Vorformen eines Werkstücks zu einem vorgeformten Bauteil und Kalibrieren des vorgeformten Bauteils zu einem im Wesentlichen fertiggeformten Bauteil. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung eines geformten, insbesondere flanschbehafteten Blechbauteils, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem oder mehreren Vorform-Werkzeugen zum Vorformen eines Werkstücks zu einem vorgeformten Bauteil und mit einem oder mehreren Kalibrier-Werkzeugen zum Kalibrieren des vorgeformten Bauteils zu einem im Wesentlichen fertiggeformten Bauteil.
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Durch Blechumformung hergestellte Bauteile, beispielsweise tiefgezogene Bauteile benötigen in der Regel einen finalen Randbeschnitt, bei dem überschüssige Bereiche des beispielsweise tiefgezogenen Bauteils abgeschnitten werden. Bei flanschbehafteten Teilen kann dies beispielsweise durch ein oder mehrere Beschnittwerkzeuge erfolgen, die teilweise oder im Ganzen den Flansch von oben oder schräg in gewünschter Weise beschneiden. Bei flanschlosen Teilen hingegen ist der Beschnitt bereits wesentlich aufwändiger, weil er beispielsweise über Keilschieber geleitet, von der Seite her abgeschnitten werden muss. Die Beschnittoperationen sind jedoch insofern nachteilig, dass der Beschnitt meistens eine oder sogar mehrere separate oft wartungsintensive Operationen erfordert, die zudem häufig eine eigene Werkzeugtechnik und ein eigenes Logistiksystem benötigen. Außerdem erhöhen die abgeschnittenen Bereiche den Schrottanteil, wodurch weitere Kosten entstehen. Beispielsweise kann bei Bauteilen, die mittels Kanten oder Prägen geformt werden, der finale Randbeschnitt auch entfallen.
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Um zumindest die Prozesskette abzukürzen, wurden unterschiedliche Ansätze verfolgt, mit denen unter anderem der Flanschbeschnitt mit in die letzte Formgebungsoperation, beispielsweise Tiefziehoperation integriert wurde. Damit lassen sich zwar schon nennenswerte Kosteneinsparungen erzielen, jedoch verbleiben weiterhin einige Nachteile, wie beispielsweise das Anfallen von Verschnitt, die Erstellung komplizierter Werkzeuge, eine aufwändige Erprobung, ungewollte Rückfederungseffekte, eingeschränkte Maßhaltigkeit und eine Anfälligkeit gegenüber Prozessstörungen.
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Aus diesem Grund wurden Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen, um den Randbeschnitt von insbesondere u-förmigen oder hutprofilartigen Bauteilen einzusparen bzw. stark zu reduzieren
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So beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2007 059 251 A1 ein Verfahren zur Herstellung von hoch maßhaltigen Halbschalen mit einem Bodenbereich und einer Zarge mit geringem apparativen Aufwand. Hierzu wird aus einer Platine zunächst eine vorgeformte Halbschale geformt. Der gesamte Querschnitt der vorgeformten Halbschale weist aufgrund seiner geometrischen Form überschüssiges Platinenmaterial auf. Während des Umformens der vorgeformten Halbschale in ihre Endform durch mindestens einen weiteren Pressvorgang wird der gesamte Querschnitt zur fertigen Halbschale gestaucht und die fertige Halbschale weist über den gesamten Querschnitt eine vergrößerte Wanddicke auf.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2008 037 612 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von hoch maßhaltigen Halbschalen mit einem Bodenbereich, einem Zargenbereich und einem Flanschbereich, wobei zunächst aus einer Platine eine vorgeformte Halbschale geformt wird, welche anschließend zur endgeformten Halbschale umgeformt wird. Die vorgeformte Halbschale weist aufgrund ihrer geometrischen Form überschüssiges Platinenmaterial auf. Durch das überschüssige Material wird während des Umformens der vorgeformten Halbschale in ihre Endform durch mindestens einen weiteren Pressvorgang die Halbschale zur endgeformten Halbschale gestaucht. Die vorgeformte Halbschale weist das überschüssige Platinenmaterial im Übergangsbereich zwischen Zargenbereich und Flanschbereich auf.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2009 059 197 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Halbschalenteils mit einem Ziehstempel und einem Ziehgesenk. Eine prozesssichere und kostengünstige Herstellung wird dadurch erreicht, dass in einem einzigen Arbeitsschritt der Ziehstempel in das Ziehgesenk eingefahren wird, eine Platine zu einem Blechrohteil mit mindestens einem Bodenabschnitt, mindestens einem Zargenabschnitt und optional einem Flanschabschnitt vorgeformt wird, wobei während des Vorformens mit dem Ziehstempel ein Materialüberschuss entweder in den Bodenabschnitt und den Zargenabschnitt oder den optionalen Flanschabschnitt des Blechrohteils eingebracht wird, und das Blechrohteil zu einem Halbschalenteil fertiggeformt und kalibriert wird.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2013 103 612 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von hoch maßhaltigen Halbschalen, wobei eine aus einer Platine vorgeformte Halbschale zu einer fertigen Halbschale umgeformt wird und die vorgeformte Halbschale aufgrund ihrer geometrischen Form überschüssiges Platinenmaterial aufweist. Die Halbschale wird in einem Stauchwerkzeug zur endgeformten Halbschale gestaucht. Es ist vorgesehen, dass die Größe des Stauchspaltes während des Schließens des Stauchwerkzeugs auf die Ist-Wandstärke der Zarge der vorgeformten Halbschale verringert wird.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2013 103 751 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von hochmaßhaltigen Halbschalen aus einer zugeschnittenen Platine, wobei die Halbschale in einem ersten Gesenk vorgeformt wird, und wobei die vorgeformte Halbschale anschließend in einem zweiten Gesenk, insbesondere in einem Kalibrierwerkzeug, endgeformt wird. Die Platine wird unter Berücksichtigung der gewünschten Endform der vorgeformten bzw. endgeformten Halbschale vor dem Umformen mit einer positiven Maßabweichung im vorgegebenen Toleranzbereich zugeschnitten und der Gesenkboden des ersten Gesenkes wird relativ zu der Gesenkauflagefläche bewegt, um die Platine während der Umformung zu führen.
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Den beschriebenen Ansätzen ist gemein, dass in einem ersten oder mehreren (ersten) Verfahrensschritten eine Vorform erzeugt wird, die der Endform oder Fertigform des Bauteils zwar möglichst nahe kommt, jedoch mit dem Unterschied, dass in den Bauteilabschnitten wie Flansch, Zarge, Übergangsbereich zwischen Flansch und Zarge und/oder Boden definierte Materialreserven eingebracht sind, die in einem zweiten Verfahrensschritt durch ein spezielles Stauchen des gesamten Teiles während des Kalibrierens wieder herausgeformt werden.
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Dieses bekannte Verfahren beseitigt zwar die oben genannten Nachteile, hat aber selbst unerwünschte Nebeneffekte.
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Zum einen hat sich herausgestellt, dass das Stauchen des Bleches teilweise leichte Wellen im fertiggeformten Bauteil erzeugen kann, wenn die Beabstandung zwischen Stauchgesenk und Stauchstempel beim Kalibrieren nicht exakt der Blechdicke entspricht. Diese Wellen können einen optischen oder auch maßlichen Mangel darstellen.
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Weiterhin hat sich herausgestellt, dass sich durch den Stauchvorgang auch die lokalen Blechdicken verändern können. Hierdurch entstehen Welligkeiten, die ebenfalls optische Einschränkungen darstellen können. Bisherige Bemühungen gehen dahin, die Stauchanteile dann möglichst zu reduzieren.
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Zum anderen benötigt das Stauchen des vorgeformten Bauteils vor allem bei großen Teilen, Wanddicken oder/und hochfesten Stählen sehr massive Werkzeuge, um eine unerwünschte Deformation zu vermeiden. Dabei sind auch sehr hohe Pressenkräfte erforderlich, die vorhandene Pressenkapazitäten überschreiten können und damit zu Einschränkungen in der Umsetzbarkeit führen.
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Wie sich in Simulationen herausstellte, ist es mit dem bereits erwähnten Verfahren zudem nur schlecht möglich, insbesondere wannen- oder topfartige Bauteile herzustellen, da das erwähnte Verfahren zur Erzeugung der Vorform prozesstechnisch so geführt werden sollte, dass keine oder nur geringe Prozessschwankungen durch die Reibungsverhältnisse entstehen und Änderungen an den typischen Prozessgrößen wie Reibung und Niederhalterkraft stark eingeschränkt werden. Unterzieht man solche wannenartige Teile dieser Prozedur, reicht der Zug auf die Zargen nicht aus und das Teil bekommt an diesen Stellen mehr oder weniger starke Falten, die im Kalibrierschritt jedoch nicht in gewünschtem Maße wieder geglättet werden können.
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Weiterhin ist die Materialminimierung bei den oben beschriebenen Verfahren noch nicht ausgereizt, da die Bauteile mit etwa 1 bis 3% Materialzugabe zum eigentlich Bauteildesign (CAD-Teil) hergestellt werden müssen. Sie sind damit auch mindestens um dieses Maß schwerer als mit konventionellem Tiefziehen gefertigte Teile.
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Letztlich ist die Verfestigungsmöglichkeit des Werkstoffs beim vorgenannten Verfahren noch nicht ausgeschöpft. Dies kann zwar Vorteile für das Crashverhalten des Bauteils haben, ist aber nicht für alle Bauteile erwünscht und nicht immer optimal.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich der Erfindung die Aufgabe, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung anzugeben, wobei die eingangs genannten Nachteile verringert oder sogar beseitigt werden, das heißt insbesondere die Verfestigung im Bauteil stärker ist und das Anwendungsspektrum auf Bauteile, die mit den Randbedingungen der Verfahren aus dem Stand der Technik bisher nicht ohne Falten gezogen werden können, also insbesondere auf wannen- oder topfförmige Bauteile, insbesondere mit kleiner Blechdicke, erweitert wird.
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Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass das Kalibrieren des vorgeformten Bauteils zu dem fertiggeformten Bauteil ein zumindest bereichsweises Dehnen des vorgeformten Bauteils umfasst.
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Es hat sich gezeigt, dass dadurch, dass falls das Kalibrieren des vorgeformten Bauteils zu dem fertiggeformten Bauteil nicht auf einen Stauchvorgang beschränkt wird, sondern zudem ein Dehnen des vorgeformten Bauteils durchgeführt wird, sehr maßhaltige und damit im Wesentlichen endformnahe Bauteile gefertigt werden können. Insbesondere hat sich gezeigt, dass durch das Dehnen während des Vorformens eingebrachte Materialerhebungen wieder ausgeglichen respektive geglättet werden können. Insofern lässt sich auf diese Weise ein Bauteil fertigen, welches keinen oder nur noch einen geringen Randbeschnitt benötigt. Dadurch, dass zudem die gedehnten Bereiche zumindest teilweise nicht unbedingt gestaucht zu werden brauchen, ist zudem eine geringere Kraft zu den Verfahren gemäß dem Stand der Technik ausreichend. Unter Dehnen ist gemeint, dass eine richtungsunabhängige plastische Verformung erfolgt und dadurch eine Neuausrichtung des inhomogenen Spannungszustandes der Vorform erreicht wird und dadurch hoch maßhaltige, möglichst endformnahe Bauteile erzeugt werden können.
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Das Verfahren ist insbesondere bei wannenförmigen, topfförmigen oder napfförmigen Bauteilen vorteilhaft, da diese den bisher beschriebenen Verfahren nicht oder nicht in wirtschaftlichem Maße zugänglich waren. Das Bauteil weist daher bevorzugt einen Bodenbereich, einen Zargenbereich und/oder einen Flanschbereich auf. Der Zargenbereich verläuft beispielsweise schräg oder im Wesentlichen senkrecht zum Bodenbereich und/oder zum Zargenbereich.
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Das Werkstück ist beispielsweise eine im Wesentlichen ebene Platine. Bevorzugt ist das Werkstück aus einem oder mehreren Stahlwerkstoffen hergestellt. Alternativ können auch Aluminiumwerkstoffe oder andere Metalle verwendet werden.
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Die Herstellung der Vorform kann dabei mittels beliebig kombinierbaren Formgebungsverfahren in einem oder mehreren Schritten hergestellt werden. Das Vorformen kann beispielsweise einen tiefziehartigen Formgebungsschritt umfassen. Insbesondere kann auch eine mehrstufige Formgebung umfassend beispielsweise ein Prägen des zu erstellenden Bodens und Hochstellen der zu erstellenden Zargen bzw. optional Abstellen der zu erstellenden Flansche erfolgen. Denkbar sind auch beliebige Kombinationen aus Abkanten und/oder Biegen und/oder (Ver-)Prägen. Das zum Vorformen beispielsweise durchgeführte Tiefziehen wird beispielsweise einstufig oder mehrstufig ausgeführt. Das durch das Vorformen erhaltene vorgeformte Bauteil kann insbesondere als ein möglichst endformnahes Bauteil angesehen werden, welches der beabsichtigten Fertigteilgeometrie unter Berücksichtigung gegebener Randbedingungen wie Rückfederung und Umformvermögen des verwendeten Werkstoffes möglichst gut entspricht.
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Unter dem Kalibrieren kann insbesondere ein Fertigformen oder Endformen des vorgeformten Bauteils verstanden werden, welches beispielsweise durch einen oder mehrere Pressvorgänge erreicht werden kann. Das im Wesentlichen fertiggeformte Bauteil kann insofern als endgeformtes Bauteil verstanden werden. Allerdings ist es möglich, dass das im Wesentlichen fertiggeformte Bauteil noch weiteren, das Bauteil modifizierenden Verarbeitungsschritten unterzogen werden kann, wie etwa einem Einbringen von Anbindungslöchern oder einem (geringen) Beschnittvorgang. Allerdings wird angestrebt, die Kalibrierform derart zu gestalten, dass keine weiteren Umformungsschritte mehr notwendig sind.
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Das beschriebene Vorformen und Kalibrieren erfolgt vorzugsweise nacheinander. Es ist jedoch auch denkbar, dass eine zeitliche Überlappung zwischen dem Vorformen und Kalibrieren besteht.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Bereich, insbesondere ein Zargenbereich des vorgeformten Bauteils in Bezug auf das fertiggeformte Bauteil mit einem Materialmangel ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass entgegen den bisherigen Ansätzen aus dem Stand der Technik das vorgeformte Bauteil nicht mit einem zusätzlichen Materialvorrat (Materialüberschuss) ausgestattet zu werden braucht, um eine ausreichende Maßhaltigkeit zu erreichen. Vielmehr wendet sich das erfindungsgemäße Verfahren hiervon ab und sieht vor, bereichsweise einen Materialmangel vorzusehen. Unter einem Materialmangel wird dabei verstanden, dass in der herzustellenden Vorform in lokalen Bereichen die Abwicklung des Blechs kleiner ist als die korrespondierende Fläche im fertiggeformten Bauteil. Während der Kalibrierung wird das Material entsprechend gedehnt, wobei der Materialmangel in der Fläche durch eine Verringerung der Materialdicke ausgeglichen wird. Insbesondere im Zargenbereich hat sich ein Materialmangel im Vergleich zum fertiggeformten Bauteil als vorteilhaft erwiesen. Alternativ oder zusätzlich kann bei Bedarf auch ein Bodenbereich des vorgeformten Bauteils mit einem Materialmangel ausgebildet werden. Entgegen der Erwartung kann trotz des Materialmangels ein ausreichend festes und maßhaltiges Bauteil gefertigt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Bereich, insbesondere ein Zargenbereich, des vorgeformten Bauteils im Vergleich mit dem im Wesentlichen fertiggeformten Bauteil hinsichtlich einer geometrischen Größe kleiner dimensioniert. Hierdurch kann vorteilhaft und ohne großen prozesstechnischen Aufwand ein Materialmangel in dem entsprechenden Bereich vorgesehen werden. Beispielsweise ist der Zargenbereich des vorgeformten Bauteils hinsichtlich des Umfangs kleiner dimensioniert. Mit anderen Worten weißt das vorgeformte Bauteil einen geringeren Innenumfang auf als das im Wesentlichen fertiggeformte Bauteil. Bei Bedarf kann alternativ oder zusätzlich der Bodenbereich kleiner dimensioniert sein, beispielsweise hinsichtlich seines Durchmessers. Beispielsweise ist der Bereich hinsichtlich der geometrischen Größe etwa 0,1 bis 10%, insbesondere etwa 1 bis 10% kleiner dimensioniert.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während des Vorformens des Werkstücks zu dem vorgeformten Bauteil (beispielsweise durch Tiefziehen) Materialerhebungen zugelassen. Im Unterschied zum Stand der Technik wird also nicht versucht, jegliche Materialerhebungen zum Beispiel durch das Einbringen von Zugspannungen zu unterdrücken. Vielmehr werden diese Materialerhebungen nun ausgenutzt, um ein maßhaltiges Bauteil mit reduzierten Pressenkräften herzustellen. Beispielsweise sind die sich bei der Herstellung der Vorform ergebenden Materialerhebungen wellenförmig und/oder faltenförmig ausgebildet. Beispielsweise erstrecken sich die Materialerhebungen in im Wesentlichen radialer Richtung oder in eine hiervon abweichende Richtung. Beispielsweise entstehen während des Vorformens im Flanschbereich, im Zargenbereich und/oder im Bodenbereich Materialerhebungen.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Materialerhebungen durch das beispielsweise Vorsehen eines Luftspaltes und/oder einer Niederhalterdistanz im Bereich der Materialerhebung zugelassen. Durch das beispielsweise Vorsehen eines Luftspalts oder einer Niederhalterdistanz des verwendeten Werkzeugs (Vorform-Werkzeug) kann das Ausbilden einer Materialerhebung vorteilhaft in das beispielsweise pressengestützte Tiefziehen integriert werden. Es hat sich gezeigt, dass durch das beispielsweise Vorsehen eines Luftspaltes oder einer Niederhalterdistanz das Ausbilden der Materialerhebungen kontrolliert geführt werden kann. Beispielsweise wird der Luftspalt zwischen einem Vorform-Gesenk und einem Vorform-Stempel ausgebildet. Beispielsweise beträgt der Luftspalt im Querschnitt gesehen mehr als das 0,1-fache, vorzugsweise mehr als das 0,3-fache, besonders bevorzugt mehr als das 0,5-fache der Blechdicke. Um jedoch keine zu unkontrollierten Materialerhebungen zuzulassen, beträgt beispielsweise der Luftspalt nicht mehr als das 10-fache, vorzugsweise nicht mehr als das 7-fache, vorzugsweise nicht mehr als das 5-fache der Blechdicke.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Materialerhebungen gezielt über das Vorform-Werkzeug oder die Vorform-Werkzeuge eingebracht. Damit ist es vorteilhaft möglich, auch solche Vorformen prozesssicher herzustellen, die bedingt durch ihre geometrische Gestalt verstärkt zur Faltenbildung neigen. Über gezielt eingebrachte Materialerhebungen werden damit auch solche, zum Falten neigende Bauteile dem erfindungsgemäßen Verfahren zugänglich gemacht.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Materialerhebungen im Wesentlichen frei von Materialaufdickungen. Die Materialerhebungen umfassen beispielsweise im Querschnitt gesehen lediglich wellenförmige und/oder faltenförmige Geometrien, ohne jedoch die Blechdicke in diesem Bereich zu verändern. Es hat sich gezeigt, dass die Materialaufdickungen durch ein Kalibrieren nicht mehr ausreichend herauskalibriert werden können. Zudem sind für die Umformung ohne wesentliche Materialaufdickung keine zusätzlichen Pressenkräfte notwendig.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Materialerhebungen durch das Dehnen des vorgeformten Bauteils abgestreckt. Insbesondere wenn die Materialerhebungen im Zargenbereich vorgesehen sind, werden die Materialerhebungen vorzugsweise in Umfangsrichtung abgestreckt. Dabei wird beispielsweise Material aus dem Zargenbereich und/oder dem Bodenbereich verwendet. Es hat sich gezeigt, dass trotz des Zulassens von Materialerhebungen diese durch das Dehnen wieder beseitigt werden können, ohne dass dies optisch nachteilig für das im Wesentlichen fertiggeformte Bauteil ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Bereich, insbesondere ein Zargenbereich oder ein Flanschbereich, des vorgeformten Bauteils im Vergleich mit dem im Wesentlichen fertiggeformten Bauteil hinsichtlich einer geometrischen Größe größer dimensioniert. Beispielsweise weist der Zargenbereich eine größere Länge (das vorgeformte Bauteil also eine größere Höhe) im Vergleich zu dem im Wesentlichen fertiggeformten Bauteil auf. Beispielsweise weist der Flanschbereich eine größere Länge (der Flansch des vorgeformten Bauteils also eine größere radiale Erstreckung) im Vergleich zu dem im Wesentlichen fertiggeformten Bauteil auf. Dies ermöglicht ein zusätzliches Stauchen des vorgeformten Bauteils während des Kalibrierens, was die Festigkeit und Maßhaltigkeit des Bauteils zusätzlich weiter steigert, ohne jedoch die verfügbaren Pressenkräfte zu übersteigen.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Kalibrieren des vorgeformten Bauteils zu dem im Wesentlichen fertiggeformten Bauteil ein zumindest bereichsweises Stauchen des vorgeformten Bauteils. Wie bereits ausgeführt, kann durch ein Stauchen die Festigkeit und Maßhaltigkeit des Bauteils gesteigert werden. Beispielsweise wird Material des Flanschbereichs zumindest abschnittsweise gestaucht. Das Material wird dabei durch die beschriebenen Materialerhebungen im Flanschbereich oder durch die beschriebene größere Dimensionierung (größere Länge) des Flanschbereichs bereitgestellt. Beispielsweise wird Material des Zargenbereichs zumindest abschnittsweise gestaucht. Das Material wird dabei insbesondere durch die beschriebene größere Dimensionierung (größere Länge) des Zargenbereichs bereitgestellt. Beispielsweise schließt sich das Stauchen an das Dehnen an.
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Trotz des zusätzlichen Stauchens werden bei dem Verfahren vorzugsweise jedoch Bereiche des vorgeformten Bauteils lediglich gedehnt jedoch nicht gestaucht.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das vorgeformte Bauteil durch das Kalibrieren im Wesentlichen im gesamten Bauteil oder nur abschnittsweise einem plastischen Fließvorgang unterzogen. So erfolgt im Zargenbereich vorzugsweise ein Dehnen und/oder Stauchen, im Flanschbereich vorzugsweise ein Stauchen und im Bodenbereich vorzugsweise ein Verpressen. Hierdurch wird ein sehr maßhaltiges Bauteil mit im Wesentlichen geringen bis keinen Rückfederungsabweichungen erreicht.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung zudem dadurch gelöst, dass das Vorform-Werkzeug und das Kalibrier-Werkzeug derart eingerichtet sind, dass das Kalibrieren des vorgeformten Bauteils zu dem im Wesentlichen fertiggeformten Bauteil ein zumindest bereichsweises Dehnen des vorgeformten Bauteils umfasst. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Dimensionierung der Werkzeugteile (beispielsweise der Werkzeugstempel und/oder Werkzeuggesenke) erreicht werden.
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Wie eingangs bereits ausgeführt, können durch das Kalibrieren des vorgeformten Bauteils zu dem im Wesentlichen fertiggeformten Bauteil, welches ein Dehnen des vorgeformten Bauteils umfasst, sehr maßhaltige, fertiggeformte Bauteile gefertigt werden. Dabei hat sich gezeigt, dass durch das Dehnen während des Vorformens eingebrachte Materialerhebungen ausgeglichen werden können, sodass ein optisch nicht beeinträchtigtes Bauteil bereitgestellt werden kann. Weiterhin kann das Kalibrieren mit einer geringeren Kraft erreicht werden und es ist kein oder nur noch ein geringer Randbeschnitt notwendig.
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Zur kontrollierten Ausbildung der Materialerhebungen ist gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Vorform-Werkzeug dazu ausgebildet, während des Vorformens des Werkstücks zu dem vorgeformten Bauteil (beispielsweise durch Tiefziehen) Materialerhebungen zuzulassen, insbesondere mittels eines im geschlossenen Zustand beispielsweise verbleibenden Luftspalts und/oder einer Niederhalterdistanz und/oder der geometrischen Gestaltung des Vorform-Werkzeugs/der Vorform-Werkzeuge. Der Luftspalt bildet sich vorzugsweise zwischen Werkzeughälften oder Werkzeugteilen des Vorform-Werkzeugs aus.
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Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Vorform-Werkzeug einen Vorform-Stempel und ein Vorform-Gesenk und der Luftspalt wird beispielsweise zumindest abschnittsweise zumindest zwischen dem Vorform-Stempel und dem Vorform-Gesenk ausgebildet. Dies ermöglicht insbesondere ein kontrolliertes Ausbilden von Materialerhebungen im Zargenbereich. Werden die Materialerhebungen mittels beispielsweise einer Niederhalterdistanz zugelassen, umfasst das Vorformwerkzeug bevorzugt zumindest ein Vorform-Gesenk und einen Vorform-Niederhalter, wobei der Vorform-Niederhalter während des Vorformens auf einer Distanz größer als die Blechdicke von dem Vorform-Gesenk gehalten wird.
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Vorzugsweise umfasst das Vorform-Gesenk einen ersten (äußeren) Vorform-Gesenkabschnitt und einen relativ hierzu beweglichen zweiten (inneren) Vorform-Gesenkabschnitt, welcher den Vorform-Gesenkboden bildet. Dies ermöglicht ein für die unterschiedlichen Bereiche (insbesondere des Bodenbereichs im Vergleich zu den übrigen Bereichen) des Bauteils individuelle und zeitlich abgestimmte Kraftbeaufschlagung während des Vorformens. Insbesondere kann das Werkstück zwischen dem Vorform-Stempel und dem Vorform-Gesenkboden eingespannt oder verprägt werden und durch Vorform-Stempel und Vorform-Gesenkboden in den ersten Vorform-Gesenkabschnitt eingefahren werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Kalibrier-Werkzeug einen Kalibrier-Stempel und ein Kalibrier-Gesenk, wobei der Kalibrier-Stempel einen ersten (äußere) Kalibrier-Stempelabschnitt und einen relativ hierzu beweglichen zweiten (inneren) Kalibrier-Stempelabschnitt, welcher den Kalibrier-Stempelboden bildet, umfasst und/oder wobei das Kalibrier-Gesenk einen ersten (äußeren) Kalibrier-Gesenkabschnitt und einen relativ hierzu beweglichen zweiten (inneren) Kalibrier-Gesenkabschnitt, welcher den Kalibrier-Gesenkboden bildet, umfasst. Dies ermöglicht ein für die unterschiedlichen Bereiche (insbesondere des Bodenbereichs im Vergleich zu den übrigen Bereichen) des Bauteils individuelle und zeitlich abgestimmte Kraftbeaufschlagung während des Kalibrierens. Damit kann das Kalibrieren zudem vorteilhaft insbesondere innerhalb nur eines Kalibrier-Werkzeugs durchgeführt werden.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung derart eingerichtet, dass der Kalibrier-Stempelboden und der Kalibrier-Gesenkboden während des Dehnens distanziert sind, was insbesondere einen Materialfluss vom Bodenbereich in den Zargenbereich ermöglicht.
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In Bezug auf weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
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Durch die vorherige und folgende Beschreibung von Verfahrensschritten gemäß bevorzugter Ausführungsformen des Verfahrens sollen auch entsprechende Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte durch bevorzugte Ausführungsformen der 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 eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
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1–4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorform-Werkzeugs zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Vorformens;
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5 ein Ausführungsbeispiel eines vorgeformten Bauteils;
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6–10 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrier-Werkzeugs zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kalibrierens; und
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11 ein Ausführungsbeispiel eines im Wesentlichen fertiggeformten Bauteils.
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Die 1 bis 4 zeigen zunächst ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorform-Werkzeugs 1. Das beispielhafte Vorform-Werkzeug 1 bildet zusammen mit dem beispielhaften Kalibrier-Werkzeug 2 (siehe 6 bis 10) ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Mit dem Vorform-Werkzeug 1 kann ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorformens durchgeführt werden. Ebenfalls ist möglich, dass bei Bedarf (wenn mehrere Vorform-Operationen vorgesehen sind) auch mehrere einzelne Vorform-Teilwerkzeuge vorgesehen werden können.
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In das Vorform-Werkzeug 1 wird zunächst ein Werkstück 3a, hier ein ebenes Stahlblech, eingelegt und optional lagefixiert (1). Das Vorform-Werkzeug 1 umfasst einen Vorform-Niederhalter 4, ein Vorform-Gesenk 6 und ein Vorform-Stempel 8. Das Vorform-Gesenk 6 umfasst zudem einen ersten, äußeren Vorform-Gesenkabschnitt 6a, welcher unter anderem eine Vorform-Gesenkauflage bereitstellt, und einen relativ hierzu beweglichen zweiten inneren Vorform-Gesenkabschnitt 6b oder Vorform-Gesenkboden. Der Vorform-Gesenkboden 6b ist dabei auf die Höhe des Werkstücks 3a angehoben.
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Die einzelnen Werkzeugteile des Vorform-Werkzeugs 1 sind dabei für die Aufnahme in einer Presse konzipiert. Sofern keine weiteren Hilfsantriebe benutzt werden, steht der Vorform-Stempel 8 beispielsweise auf einer Pressengrundplatte, der Vorform-Niederhalter 4 wird beispielsweise durch Pinolen der Unterluft, der Vorform-Gesenkboden 6b wird beispielsweise durch Pinolen der Oberluft und der erste Vorform-Gesenkabschnitt 6a wird beispielsweise durch eine Stempelplatte der Presse angetrieben. Im Einzelfall können aber auch die Antriebe der Unter- und Oberluft sowie Gesenk und Stempel vertauscht sein.
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Anschließend werden der Vorform-Stempel 8 und der Vorform-Niederhalter 4 auf das Werkstück 3a abgesenkt (2). Das Werkstück 3a kann zwischen dem Vorform-Stempel 8 und dem Vorform-Gesenkboden 6b verprägt werden, während der Vorform-Niederhalter 4 jedoch von dem Werkstück 3a distanziert bleibt. Der Vorform-Niederhalter 4 ist soweit zum Werkstück 3a distanziert, dass sich eine konstante Niederhaltedistanz, welche größer oder gleich der Werkstückdicke ist, ergibt. Nun erfolgt beispielsweise ein Tiefziehen, wobei der Vorform-Stempel 8 und der Vorform-Gesenkboden 6b zusammen in das Vorform-Gesenk 6a fahren und dabei das Werkstück 3a zu einem vorgeformten Bauteil 3b um-/vorformen (3). Alternativ kann das sogenannte Prägen mit Hochstellen angewendet werden, wobei der Niederhalter auch vollständig entfallen kann. Beim Prägen mit Hochstellen wird zunächst das in seiner definierten und wiederholgenauen Lage fixierte, vorher durch Simulation oder Tryout ermittelte Werkstück (Minimalformplatine) mit dem angehobenen Vorform-Gesenkboden 6b verprägt und dieser Verbund der drei Teile wird dann ohne Niederhalter in das Vorform-Gesenk 6a hineingedrückt.
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Vorliegend sind der Vorform-Stempel 8 und das Vorform-Gesenk 6 derart aneinander angepasst, dass ein Luftspalt 10 gebildet wird (4). Normalerweise wird versucht den Luftspalt im Werkzeug so gering wie möglich zu halten, üblicherweise nicht größer als das 0,1-fache der Werkstückdicke. Hier beträgt der Luftspalt 10 jedoch vorzugsweise das 0,5-fache bis 5-fache der Werkstückdicke.
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Dadurch werden beim Vorformen radial oder anders gerichtete Wellen 12 in dem Zargenbereich des vorgeformten Bauteils 3b (und wahlweise auch im Bodenbereich und/oder im Flanschbereich) zugelassen (vgl. 5). Dies wird insbesondere bei vorgeformten Bauteilen mit einem schrägen oder nahezu senkrechten Zargenbreich insbesondere dadurch erreicht, dass der Zug durch die Abbremsung des Flansches wegen des nicht vorhandenen oder distanzierten Vorform-Niederhalters 4 fehlt.
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Dadurch, dass ein Luftspalt 10 und eine Niederhalterdistanz vorgesehen ist, die ein Mehrfaches der Blechdicke annehmen können, werden die Wellen 12 nicht durch den Kontakt mit den Werkzeugteilen 6a, 8 eingeebnet, sodass keine unkontrollierbaren Aufdickungen entstehen.
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Wie in 5 schematisch dargestellt, liegt als Ergebnis des Vorformens ein vorgeformtes Bauteil 3b vor, dessen Zargenbereich in Umfangsrichtung gesehen um ein bestimmtes Maß (beispielsweise 0,1 bis 10%) kleiner ist, als es das gewünschte fertiggeformte Bauteil vorgibt, und das in dem Zargenbereich, im Bodenbereich und/oder im Flanschbereich vorzugsweise radiale Wellen 12 haben kann, die keine oder kaum Aufdickungen besitzen. In dem vorliegenden Beispiel wird insbesondere der Zargenbereich (und bei Bedarf auch der Bodenbereich) des vorgeformten Bauteils 3b im Vergleich mit dem fertiggeformten Bauteil somit nicht mit einem Materialüberschuss ausgestattet, sondern mit einem Materialmangel. Allerdings ist die Höhe des Zargenbereichs des vorgeformten Bauteils 3b etwas größer, als es das fertiggeformte Bauteil vorgibt. Zusätzlich oder alternativ kann die Länge des Flanschbereichs des vorgeformten Bauteils 3b größer sein, als es das fertiggeformte Bauteil vorgibt.
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Wie in Zusammenhang mit den 6 bis 10 näher beschrieben wird, wird das vorgeformte Bauteil 3b anschließend in das Kalibrier-Werkzeug 2 eingelegt und zu einem fertiggeformten Bauteil 3c (11) kalibriert.
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Das Kalibrier-Werkzeug 2 umfasst einen Kalibrier-Stempel 20 und ein Kalibrier-Gesenk 22. Der Kalibrier-Stempel 20 weist einen ersten äußeren Kalibrier-Stempelabschnitt 20a und einen relativ hierzu beweglichen zweiten inneren Kalibrier-Stempelabschnitt 20b oder Kalibrier-Stempelboden auf. Das Kalibrier-Gesenk 22 umfasst einen ersten äußeren Kalibrier-Gesenkabschnitt 22a und einen relativ hierzu beweglichen zweiten inneren Kalibrier-Gesenkabschnitt 22b oder Kalibrier-Gesenkboden. Der erste Kalibrier-Gesenkabschnitt 22a besitzt zudem im Bereich des Flansches des vorgeformten Bauteils 3b eine Absenkung 24, sodass ein am Kalibrier-Stempel 22 vorstehender Absatz 26 formschlüssig in diesen hineinpasst.
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Der Kalibrier-Stempel 20 und das Kalibrier-Gesenk 22 des Kalibrier-Werkzeugs 2 sind so ausgeführt, dass in der Endstellung das fertiggeformte Bauteil vollständig durch den Hohlraum hierzwischen beschrieben wird.
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Auch das Kalibrier-Werkzeug 2 ist für die Aufnahme in einer Presse konzipiert. Sofern keine Hilfsantriebe benutzt werden, wird der Kalibrier-Stempelboden 20b beispielsweise durch Pinolen der Unterluft, der Kalibrier-Gesenkboden 22b beispielsweise durch die Pinolen der Oberluft angetrieben. Der erste Kalibrier-Gesenkabschnitt 22a wird beispielsweise durch die Stempelplatte der Presse angetrieben, der erste Kalibrier-Stempelabschnitt 20a steht beispielsweise auf der Pressengrundplatte. Im Einzelfall können Unter- und Oberluft sowie Gesenk und Stempel vertauscht sein.
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Wie in 6 dargestellt, wird das vorgeformte Bauteil 3b zunächst in definierter Position auf den angehobenen Kalibrier-Gesenkboden 22b oder ein Teil des Kalibrier-Gesenkabschnitts 22a gebracht und dort in geeigneter Weise, zum Beispiel über Führungsstifte oder Formelemente, lagefixiert. Anschließend fährt Kalibrier-Stempelboden 20b auf den Kalibrier-Gesenkboden 22b und verpresst dabei teilweise den Bodenbereich des vorgeformten Bauteils 3b (7). Dies allerdings mit einem geringen, definierten Abstand von etwa der 0,5-fachen bis 5-fachen Werkstückdicke. Im Weiterfahren bewegen sich beide Böden 20b, 22b mit dem vorgeformten Bauteil 3b und ihrem Abstand zueinander in ihre Endlage und verbleiben dort. Das vorgeformte Bauteil ist nun höhenseitig innerhalb des Kalibrier-Gesenks 22 positioniert, was in 8 und vergrößert in 9 gezeigt ist.
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Um das fertiggeformte Bauteil 3c zu erhalten, fährt nun der zweite, äußere Kalibrier-Stempelabschnitt 20a des Kalibrier-Stempels 20 in das vorgeformte Bauteil 3b und weitet diese immer mehr auf. Das Dehnen sorgt dabei dafür, dass bestehende Wellen 12 in dem Zargenbereich des vorgeformten Bauteils 3b in Umfangsrichtung abgestreckt und dabei beseitigt werden und dass der Zargenbereich des vorgeformten Bauteils 3b die Form des Zargenbereichs des fertiggeformten Bauteils 3c annimmt. Das Material für die Aufweitung entnimmt der Vorgang sowohl aus dem Zargenbereich als auch aus dem Bodenbereich, der ja durch die Distanzierung noch nicht final ausgeformt ist.
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Kurz vor Erreichen der in 10 dargestellten Endlage erreicht die äußere Kante des Flanschbereichs des vorgeformten Bauteils 3b die senkrechte Wandung des Kalibrier-Gesenks 22. Damit ist die Aufweitung nahezu abgeschlossen. Ab diesem Zeitpunkt beginnt ein Stauchen, bei dem der Flanschbereich des vorgeformten Bauteils 3b, dessen Länge durch das Vorformen und/oder das Dehnen länger ist als der zugehörige Absatz am Gesenk (oder alternativ der Flanschbereich auch Materialerhebungen aufweist), auf seine finale Solllänge gestaucht wird.
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Gleichzeitig wird damit der Zargenbereich des vorgeformten Bauteils 3b, wenn er gegebenenfalls etwas länger als benötigt ausgeführt wurde, gestaucht. Zeitgleich mit dem Erreichen der Endlage des Kalibrier-Stempels 20 wird auch die Distanzierung des Kalibrier-Stempelbodens 22b zum Kalibrier-Gesenkboden 20b beseitigt, sodass der Bodenbereich des nun fertiggeformten Bauteils 3c zu diesem Zeitpunkt ebenfalls fertig ausgeformt ist (10).
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In der Endlage war demnach das Material aller Bereiche des fertiggeformten Bauteils 3c einem finalen Fließvorgang unterzogen. Es ist somit aufgeweitet, auf Form gestaucht und liegt aufgrund des plastischen Fließens aller Volumenteile sehr maßhaltig und mit geringer oder keiner Rückfederung vor.
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Abschließend wird das Kalibrier-Werkzeug 2 auseinander gefahren und das im Wesentlichen fertiggeformte Bauteil 3c, das keinen oder nur geringen Randbeschnitt mehr benötigt, ausgeworfen. Da bei dem Verfahren größere Bereiche nur aufgeweitet und nicht gestaucht werden, ergibt sich beim Kalibrieren zudem ein geringerer Kraftbedarf als bei den Verfahren aus dem Stand der Technik, bei dem im Wesentlichen alle Flächenbereiche des Teiles gestaucht werden müssen.
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Die Vorrichtung und das Verfahren wurden hier in Bezug auf ein Bauteil in Form eines Napfes mit schrägen Zargen erläutert. Andere Bauteilformen sind jedoch ebenfalls möglich und benötigen entsprechend angepasste Werkzeugkonturen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007059251 A1 [0005]
- DE 102008037612 A1 [0006]
- DE 102009059197 A1 [0007]
- DE 102013103612 A1 [0008]
- DE 102013103751 A1 [0009]
