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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von hochmaßhaltigen Blechteilen mittels Umformen.
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Herkömmlich werden Blechbauteilen, die eine bestimmte dreidimensionale Geometrie abbilden sollen, mittels Verfahren zur Blechumformung, z.B. Tiefziehen, Karosserieziehen, Crashformen und Abkanten oder dergleichen, hergestellt. Beim Tiefziehen wird zum Beispiel eine ebene Blechplatine zwischen einer Matrize und einem Niederhalter gehalten und über einen Stempel in eine entsprechend ausgebildete Ausnehmung der Matrize gezogen. Hierbei kann ein oder mehrere dieser Umformvorgänge hintereinander ausgeführt werden, um die fertige Form des Blechbauteils zu erhalten.
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Nachteilig ist bei diesen herkömmlichen Verfahren die Neigung des Blechbauteils, bei Entnahme aus dem Werkzeug ein gewisses Maß zurück- bzw. aufzufedern. Dieses Rückfedern ist einem inhomogenen Spannungszustand in dem Material nach dem Tiefziehen geschuldet. Zwar kann diesem Rückfedern nach dem Umformen dadurch entgegengewirkt werden, dass die Werkzeuge derart ausgelegt werden, dass sie das Bauteil über einen Sollzustand hinaus umformen, so dass sich über das Rückfedern der Sollzustand einstellt, trotz des immer noch inhomogenen Spannungszustandes. Mit diesen Maßnahmen ist es jedoch nicht möglich, Parameterschwankungen zwischen unterschiedlichen Blechchargen auszugleichen. Auch können Prozessparameter schwanken, was ebenfalls Einfluss auf die Maßhaltigkeit hat. Auch finden diese Maßnahmen ihre Grenzen bei Tiefziehprozessen an hochfesten Werkstoffen, bei dem Einsatz von Aluminium oder auch bei geringen Blechdicken. Dies ist insbesondere dann ein Problem, wenn Verstärkungsteile aus hochfestem Stahlblech oder Aluminium beispielsweise für Kraftfahrzeugkarosserien gefertigt werden sollen. Zum herkömmlichen Tiefziehen gilt es noch zu bemerken, dass zum Zwecke der Materialflusssteuerung während des Prozesses die Blechplatine einen Abfallbereich aufweist, der nach der eigentlichen Tiefziehoperation entfernt werden muss, was in der Regel durch einen Beschnitt des tiefgezogenen Bauteils erfolgt. Dieser Beschnitt infolge der erforderlichen Materialflusssteuerung bedeutet aber, dass die eingesetzte Blechplatine im Vergleich zu dem umgeformten und fertig beschnittenen Bauteil ein Mehr an Blechmaterial haben muss, welches letztlich nicht nur ungenutzt bleibt, sondern auch den Verfahrensschritt Beschneiden und eine Entsorgung erfordert.
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Als weitere Maßnahmen, um die Maßhaltigkeit von tiefgezogenen Blechbauteilen zu gewährleisten, können an dem Bauteil Kalibrier- oder Richtprozesse durchgeführt werden. Bei einem Kalibrierprozess wird das Bauteil einer Stauchung unterzogen, wodurch den inhomogenen Spannungen im Material Druckspannungen überlagert werden, so dass sich der Spannungsverlauf insgesamt glättet bzw. egalisiert. Die Rückfederungseffekte werden hierdurch minimiert, was für die praktische Anwendung in der Regel ausreicht. Man redet bei diesen Kalibrierverfahren auch von der Anwendung des Prinzips der Druckspannungsüberlagerung.
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Zu einem Blechbauteil mit einer guten Maßhaltigkeit kommt man demnach über ein zumindest zweistufiges Verfahren, bei dem mit einem ersten Werkzeug über ein herkömmliches Umformverfahren ein Vorformbauteil erzeugt wird und das Vorformteil anschließend in einem zweiten Werkzeug zu einem maßhaltigen Fertigbauteil kalibriert wird. Zu nennen ist hier beispielsweise die
EP 2 217 393 A1 .
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein alternatives oder verbessertes Umformverfahren bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von hochmaßhaltigen Blechteilen, bei dem eine Blechplatine, versehen mit einem über eine größere abgewickelte Länge bezogen auf das umgeformte und gestauchte Blechteil erzeugten Materialüberschuss, bereitgestellt wird und die Blechplatine mit zumindest bereichsweise arretierten Blechkanten zu dem gestauchten Blechteil umgeformt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die eingesetzte Blechplatine in einem geometrischen Sinne ein Mehr an Material aufweist. Dieser geometrische Materialüberschuss führt zu einer größeren abgewickelten Länge der eingesetzten Blechplatine verglichen mit dem umgeformten Bauteil und kann als Stauchzugabe oder als Materialbevorratung bezeichnet werden. Diese Stauchzugabe wird erfindungsgemäß parallel zu dem eigentlichen Umformvorgang in eine Materialstauchung und damit Aufdickung des Platinenmaterials überführt, so dass es unmittelbar zu dem Effekt der Druckspannungsüberlagerung kommt und im Ergebnis ein maßhaltiges Bauteil entsteht und dem Werkzeug entnommen werden kann.
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Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass die Blechplatine mit arretierten Blechkanten über die Umformung zumindest bereichsweise gestaucht wird. Ein lediglich bereichsweises Stauchen kann beispielsweise dann zweckmäßig sein, wenn das umgeformte Bauteil anschließend einer weiteren Bearbeitung zugeführt werden soll und hier eine Stauchung von gewissen Bereichen nicht erforderlich ist. Auch könnte aus prozesstechnischer Sicht der Fall eintreten, dass infolge beispielsweise komplexer Bauteilgeometrien einige Bereiche keiner Stauchung unterliegen. Bevorzugt kann auch eine Verfahrensausgestaltung vorgesehen sein, bei der das umgeformte und gestauchte Blechteil zumindest bereichsweise beschnitten wird. Die ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn es eine Außenkontur des umgeformten Bauteils geometrisch zu harmonisieren gilt. Auch kann ein Beschnitt für Lochausschnitte oder sonstige Einschnitte vorgesehen sein.
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In bevorzugter Verfahrensausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass die Blechplatine in einem Werkzeug umgeformt wird. Folglich muss nur ein Umformwerkzeug bereitgestellt werden und es kann auf eine Handhabung zwischen mehreren Werkzeugen verzichtet werden.
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Hierbei ist in bevorzugter konkreter Ausgestaltung vorgesehen, dass die Blechplatine in einem Prozessschritt zu dem Blechteil umgeformt wird. Hierbei ist unter einem Prozessschritt der eine Arbeitsgang beginnend mit dem geöffneten Werkzeug und Einlegen der Blechplatine bis zum endgültigen geschlossenen Werkzeug im unteren Totpunkt zu verstehen. Es kann bei einem Prozessschritt durchaus vorgesehen sein, dass das Werkzeug in seiner Bewegung von der geöffneten Stellung hin zum unteren Totpunkt ein oder mehrere Male in seine Bewegung angehalten wird. In einer einfachsten Form ist allerdings auch denkbar, dass das Umformen einstufig in einer durchgängigen Bewegung erfolgt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der erste Teilverlauf des Umformens aus einem Vorkrümmen der Blechplatine besteht. Durch ein Vorkrümmen der Blechplatine reduzieren sich zunächst die äußeren Abmessungen bzw. der Umfang der Blechplatine. Das Vorkrümmen kann durch einen Kontakt der Blechplatine mit mehreren Werkzeugkomponenten, also Werzeugoberteil und Werkzeugunterteil, erfolgen. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Vorkrümmen bereits mit arretierten Blechkanten erfolgt, so dass sich die Blechplatine innerhalb des Werkzeugs bereits zu Beginn richtig platziert. Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die Blechplatine in ihrem Ausgangszustand hauptsächlich ebenflächig ist und keine zuvor eingebrachten 3D-Konturen aufweist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Blechplatine über ein seitliches Anstoßen der Blechkanten an zumindest eine werkzeugseitige Stoßfläche arretiert wird. Durch dieses seitliche Anstoßen der Blechkante bzw. seitliche Arretieren wird verhindern, dass bei dem fortgesetzten Umformprozess sich die Stauchzugabe, also das Mehr an Platinenmaterial, nach Außen verliert. Es wird folglich verhindert, dass die Stauchzugabe nach Außen wegfließt, sondern weiterhin dem Bereich, in dem die Umformarbeit im Werkzeug verrichtet wird, zur Verfügung steht. Hierüber wird dann in vorteilhafterweise erreicht, dass die Blechplatine über das Arretieren der Blechkanten zumindest über einen Teilverlauf des Umformens gestaucht wird.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung von hochmaßhaltigen Blechteilen, mit einem Werkzeugunterteil, einem zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung bezüglich des Werkzeugunterteils bewegliches Werkzeugoberteil, wobei ein als Blechplatine ausgebildetes und zwischen Werkzeugunterteil und Werkzeugoberteil eingelegtes Werkstück zu einem Blechteil umformbar ist, und einer Arretierschieberanordnung, die mit der Bewegung des Werkzeugoberteils zwischen der geöffneten und der geschlossenen Stellung derart gekoppelt ist, dass die Arretierschieberanordnung sich vorlaufend zu der Schließbewegung des Werkzeugoberteils von einer Freigabestellung in eine Arretierstellung bewegt und in der Arretierstellung den zwischen dem Werkzeugunterteil und dem Werkzeugoberteil gebildeten Abstandsspalt seitlich begrenzt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist ein zwischen der Arretierschieberanordnung und dem Werkzeugoberteil und/oder dem Werkzeugunterteil wirksamer Verriegelungsmechanismus vorgesehen, der die Arretierschieberanordnung in der Arretierstellung gegenüber dem Werkzeugoberteil und/oder dem Werkzeugunterteil verriegelt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung bildet die Arretierschieberanordnung einen Werkzeugabschnitt aus, der zumindest in der Arretierstellung mit dem Werkzeugunterteil eine funktional zusammenhängende Werkzeugoberfläche bildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen
- 1a) bis 2b) eine Abfolge von vier unterschiedlichen Stellungen in einem Umformprozess mit einem Umformwerkzeugs;
- 3a) bis 4b) eine Abfolge von vier unterschiedlichen Stellungen in einem Umformprozess mit einem Umformwerkzeugs in einer alternativen Ausgestaltung und
- 5 eine Detaillierung des Umformwerkzeugs gemäß 3 und 4.
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Die 1a), 1b) und 2a), 2b) zeigen eine Abfolge von vier unterschiedlichen Stellungen eines Umformwerkzeugs 10, welches vorliegend lediglich schematisiert als Paarung aus Werkzeugoberteil 12 und Werkzeugunterteil 14 und mit einer seitlichen Arretierschieberanordnung 16 dargestellt ist. Das Werkzeugoberteil 12 und das Werkzeugunterteil 14 haben in der 1a) einen deutlichen vertikalen Abstand zueinander, der folglich als geöffnete Stellung beider Werkzeugteile 12, 14 zueinander bezeichnet werden kann und in dem das Werkstück, beispielsweise als ebene Blechplatine, in das Werkzeug 10 eingelegt werden kann. Die 1b) zeigt eine Stellung der beiden Werkzeugteile 12, 14 zueinander, in der das Werkzeugoberteil 12 auf einer Position beispielsweise 15mm vor seinem unteren Totpunkt - abgekürzt als UT - steht. Das Werkzeugunterteil 14 liegt in der Regel unbeweglich in UT. Weiterhin ist in der 1b) zu erkennen, dass die seitliche Arretierschieberanordnung 16 gegeneinander zugestellt wurde, so dass die jeweilige Blechkante bzw. den jeweiligen Blechkantenbereich zunächst berührt wird und bei fortgesetzter Zustellung gegeneinander die Blechplatine ein gewisses Maß vorgekrümmt wird.
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Die 2a) zeigt eine Stellung der Werkzeugteile 12, 14, in der das Werkzeugoberteil 12 auf beispielsweise 5mm vor UT steht. Weiterhin ist die Arretierschieberanordnung 16 weiter zugestellt worden, so dass sie sich nunmehr in einer Arretierstellung befinden. In dieser Arretierstellung befindet sich die Arretierschieberanordnung 16 bezogen auf die beiden Werkzeugteile genau auf den Bauteilkanten des späteren fertig umgeformten Werkstücks. Die Bauteilkanten sind vorliegend mit dem Bezugszeichen 18 symbolisiert. Hieran ist auch zu erkennen, dass die eingesetzte Blechplatine rein geometrisch ein gewisses Maß größer ist, als das fertig umgeformte und kalibrierte Werkstuck. Es ist ferner zu erkennen, dass die Blechplatine zwischen den beiden Werkzeugteilen 12, 14 und der Arretierschieberanordnung 16 sich in Wellen legt. Anhand dieser Wellen lässt sich die Stauchzugabe bzw. Materialbevorratung der ursprünglichen Blechplatine erkennen.
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Die 2b) zeigt das Werkzeugoberteil 12 in der Stellung beispielsweise 2mm vor UT. Immer noch ist zu erkennen, dass die Blechplatine Wellen zwischen den beiden Werkzeugteilen 12, 14 bildet. Aus den 2a) und 2b) ist auch ersichtlich, dass unter dem Begriff „arretieren der Blechkanten“ der Blechplatine ein Abstützen bzw. ein Gegenhalten der Blechkanten verstanden werden soll, so dass die Blechkanten nicht nach Außen wandern können und die Wellen der Blechplatine, in denen sich wie beschrieben die Materialbevorratung manifestiert, sich auflösen. Die Arretierschieberanordnung 16 bildet hierfür seitliche Stoßflächen 20 aus. Ab in etwas der in der 2b) gezeigten Stellung des Werkzeugoberteils, das heißt bei weiterer Bewegung in Richtung UT, erfolgt das Stauchen bzw. das Kalibrieren des Bauteils, mit der bereits zuvor beschriebenen Überlagerung der inhomogenen Spannungen im Material durch Druckspannungen, so dass sich der Spannungsverlauf im Material egalisiert.
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Die 3a), 3b) und 4a), 4b) zeigen eine Abfolge von vier unterschiedlichen Stellung einer weiteren Ausgestaltung eines Umformwerkzeugs 100. Die Bezugszeichen sind gegenüber der Ausgestaltung der 1a) bis 2b) um 100 hochgesetzt. Wiederum ist die Paarung aus Werkzeugoberteil 112 und Werkzeugunterteil 114 und die seitliche Arretierschieberanordnung 116 lediglich schematisch dargestellt. Grundsätzlich verläuft der Umformprozess gleichermaßen, wie im Zusammenhang mit den 1a) bis 2b) beschrieben. Bei der Ausgestaltung der 3a) bis 4b) ist eine Werkzeugtrennung zwischen Werkzeugunterteil 114 und Arretierschieberanordnung 116 realisiert, die darin besteht, dass die Arretierschieberanordnung 116 einen Werkzeugabschnitt 120 ausbildet, der zumindest in der Arretierstellung der Arretierschieberanordnung 16 mit dem Werkzeugunterteil 114 eine funktional zusammenhängende Werkzeugoberfläche 122 bildet. Die 3a) lässt erkennen, dass die Arretierschieberanordnung 116 im unteren Bereich eine Stufe bzw. einen Absatz ausbildet, wobei diese zunächst noch einen seitlichen Abstand zu dem Werkzeugunterteil 114 hat. Bei der Stellung der Werkzeugteile 112, 114 der 3a) kann es sich beispielsweise um die geöffnete Stellung der Werkzeugteile 112, 114 handeln. Die 3b) zeigt beispielsweise die Werkzeugteile 112, 114 in der Position 10mm vor UT, in der die Arretierschieberanordnung 116 sich kurz vor der Arretierstellung befindet, folglich bezüglich der Werkzeugteile 112, 114 noch nicht geschlossen ist.
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Die 4a) zeigt beispielsweise die Werkzeugteile 112, 114 in der Position 5mm vor UT, in der die Arretierschieberanordnung 116 sich in der Arretierstellung befindet, folglich bezüglich der Werkzeugteile 112, 114 geschlossen ist. Bei der gezeigten Ausgestaltung des Werkzeugs 100 fluchtet nunmehr die Stufe bzw. der Absatz der Arretierschieberanordnung 116 derart mit dem Werkzeugunterteil 114, dass sich eine zusammenhängende Werkzeugoberfläche 122 zur Anlage des Werkstücks bildet. Die 4b) zeigt die Stellung 2mm vor UT der Werkzeugteile 112, 114 zueinander.
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Die 5 zeigt eine Detaillierung der Ausgestaltung des Werkzeugs 100 der 3a) bis 4b). Zu erkennen ist eine Stellung der Werkzeugteile 112, 114 auf beispielsweise 10mm vor UT. In dieser Position ist die Arretierschieberanordnung 116 bereits in die Arretierstellung zugestellt worden, so dass der Abstandsspalt 124 zwischen Werkzeugoberteil 112 und Werkzeugunterteil 114 seitlich bereits geschlossen ist. Zu erkennen ist ferner, wie sich die Blechplatine 2 zwischen den Werkzeugteilen 112, 114 in eine Wellenform legt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren und das entsprechende Umformwerkzeug kann ein verglichen mit der herkömmlichen Verfahrensausgestaltung kostengünstigeres Werkzeugkonzept realisiert werden. Insgesamt lässt sich das vorrangige Ziel der Minimierung des Rückfederns des fertigen Werkstücks bei Entnahme aus dem Werkzeug realisiert werden. Das Werkzeug kann einfacher gestaltet sein, was einen reduzierten Werkzeuginvest bedeutet. Für den Fall der Beschnittfreiheit ist verglichen mit der herkömmlichen Verfahrensausgestaltung ein reduzierter Materialeinsatz möglich und Beschnittoperationen und entsprechende Handhabungen können entfallen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Blechplatine
- 4
- Blechkante
- 10
- Umformwerkzeug
- 12
- Werkzeugoberteil
- 14
- Werkzeugunterteil
- 16
- Arretierschieberanordnung
- 18
- Bauteilkante
- 20
- Stoßfläche
- 22
- Werkzeugoberfläche
- 24
- Abstandsspalt
- 120
- Werkzeugabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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