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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines flächigen, ebenen Werkstücks, wobei das Werkstück durch einen zwischen einem Walzenpaar gebildeten Walzenspalt hindurchgeführt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines flächigen, ebenen Werkstücks mit einem einen Walzenspalt bildenden Walzenpaar.
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Flächige, ebene Werkstücke, wie beispielsweise Blechbauteile, werden häufig als Verkleidungs-, Struktur- oder funktionale Bauteile eingesetzt. Die sich meist aus dem Einsatzzweck ergebenden Anforderungen an die Eigenschaften dieser Bauteile lassen sich fertigungstechnisch meist nur durch die Kombination mehrerer unterschiedlicher Bauteile oder zusätzlicher Bearbeitungsschritte erfüllen. Beispielsweise können durch makroskopische Eindrücke, wie z. B. oberflächennahe Strukturen oder Sicken in der Blechebene, die statisch-mechanischen, elektromagnetischen oder aerodynamischen Eigenschaften von Blechhalbzeugen und fertigen Blechbauteilen maßgeblich beeinflussen.
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Im Hinblick auf unterschiedliche Verfahren zum Herstellen von strukturierten Materialbahnen wird beispielsweise auf die
EP 1 728 936 A2 , die
EP 2 125 262 B1 , die
DE 10 2013 017 644 B4 oder die
DE 10 2014 006 096 B4 verwiesen. Die dort beschriebenen Verfahren sind jedoch vergleichsweise komplex und die mit den Verfahren hergestellten Materialbahnen besitzen nicht die gewünschten Eigenschaften.
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Die
EP 1 584 383 B2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Profilen mit in Längsrichtung veränderlichem Querschnitt.
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Aus der
DE 10 2013 109 229 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines eine 3D-Strukturierung aufweisenden Bauteils aus einem Halbzeug in Form eines im Wesentlichen ebenen oder zumindest bereichsweise vorgeformten Bleches, unter Verwendung eines ersten Werkzeugelements mit einer Gravur zur Ausbildung einer 3D-Strukturierung in dem Bauteil bekannt.
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Aus der
DE 10 2006 055 657 A1 geht ein Bauteil hervor, welches aus einem Flachmaterial mit einer zwischen zwei zueinander parallelen Hauptflächen gelegenen Mittelfläche besteht. Das Flachmaterial ist hierbei mit einer Verformungsstruktur versehen, die sich nach Art einer Pressung teilweise senkrecht zur Mittelfläche erstreckt.
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Gemäß weiteren, aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Lösungen werden geometrisch definierte, mikroskopische oder makroskopische Oberflächenstrukturierungen sowie dreidimensionale Umformungen, wie beispielsweise Sicken oder Wölbstrukturen, durch diskontinuierliches Gesenkprägen unter Verwendung einer translatorischen Werkzeugkinematik oder durch kontinuierliches Walzstrukturieren unter Verwendung einer rotatorischen Werkzeugkinematik umgesetzt. In der Kleinserienfertigung, dem Prototypenbau oder der Forschung werden außerdem Verfahren eingesetzt, mit denen einzelne Indentierungen mittels inkrementeller Verfahren eingebracht werden.
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Diese Verfahren haben jedoch meist eine stark erhöhte Prozessdauer, so dass sie nicht wirtschaftlich durchgeführt werden können. Zudem stellen die bekannten Lösungen häufig nur Ansätze dar und können sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter technologischen Gesichtspunkten in der Serienfertigung nicht eingesetzt werden.
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Des Weiteren stößt das Gesenkprägen insbesondere bei höherfesten Stahlblechwerkstoffen und großflächigen, in die Bauteile einzubringenden Strukturierungen an die technologischen Grenzen der Werkzeugwerkstoffe und, aufgrund der sehr hohen erforderlichen Umformkräfte, des Arbeitsvermögens der dafür eingesetzten Umformmaschinen. Dieser beim konventionellen Gesenkprägen großflächiger Strukturen erforderliche hohe Kraftbedarf kann bisher nur durch inkrementelle Verfahren und durch eine sequentielle Einzel-Indentierung reduziert werden, was jedoch die oben erwähnten Probleme einer höheren Prozesszeit und einer dadurch verringerten Wirtschaftlichkeit mit sich bringt.
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Mit dem kontinuierlichen Walzstrukturieren ist zwar eine wirtschaftliche und kontinuierliche Fertigung von strukturierten Blechbauteilen möglich, jedes Bauteil benötigt jedoch eine eigens angefertigte und nicht flexibel anpassbare Strukturwalze mit einer Positiv- und einer entsprechenden Negativform, wodurch sehr hohe Werkzeugkosten entstehen. Ein weiterer Nachteil des Walzstrukturierens besteht darin, dass sich häufig Spannungszustände in den Blechbauteilen ergeben, die sich unmittelbar nach dem Strukturiervorgang durch Rückfederungen als Wölbungen im Blech abbauen. Daher müssen die mit diesem Verfahren hergestellten Werkstücke meist in einem zweiten Prozessschritt gerichtet werden, was die Kosten des Verfahrens und somit auch der damit hergestellten Bauteile nochmals erhöht.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von flächigen, ebenen Werkstücken zu schaffen, die einen geringeren Aufwand als bislang bekannte Verfahren bzw. Vorrichtungen erfordern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, das Werkstück in einem formgebenden Werkzeug zu positionieren und zusammen mit dem Werkzeug durch das Walzenpaar hindurchzuführen. Dabei übt das Walzenpaar eine Kraft auf das Werkzeug aus, die zu einer Umformung und/oder Strukturierung des Werkstücks genutzt wird. Für diese Bearbeitung des Werkstücks ist lediglich eine Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Walzenpaar notwendig, die durch das Hindurchführen des Werkzeugs durch das Walzenpaar stattfindet, wohingegen zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug keine Relativbewegung stattfindet, da das Werkstück in dem Werkzeug bzw. mittels des Werkzeugs positioniert wird und sich somit nicht gegenüber dem Werkzeug bewegen kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet also ein linienförmiger Krafteingriff innerhalb des Walzenspalts statt, der von den Walzen über das Werkzeug auf das relativ zu dem Walzenpaar bewegte Werkstück einwirkt. Dabei wird das Verfahren diskontinuierlich durchgeführt, d. h. jedes Werkstück wird einzeln relativ gegenüber dem Walzenpaar bewegt.
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Die durch den Umformprozess mittels des Werkzeugs hervorgerufene Oberflächenstrukturierung ergibt sich damit durch eine Kombination aus einem rotatorischen Walzprozess und einem translatorischen Gesenkprägeprozess.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, anforderungsgerechte und insbesondere großflächige Strukturierungen und/oder Umformungen in flächige, ebene Werkstücke einzubringen, wobei die erforderlichen Prozesskräfte niedrig gehalten werden können, wodurch unter anderem kleinere Maschinen verwendet werden können. Dabei werden bestimmte Bereiche des Werkstücks lokal strukturiert und damit verfestigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umgeht des Weiteren die Nachteile bekannter Lösungen, wie hoher Kraftbedarf, aufgrund der Rückfederung des Werkstücks erforderliches Richten und hohe Werkzeugkosten. Bei den Bearbeitungen kann es sich um oberflächennahe Strukturen in der Blechebene handeln, welche die statisch-mechanischen, elektromagnetischen oder aerodynamischen Eigenschaften des Werkstücks beeinflussen können.
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Die großflächige Einbringung von Strukturen jeglicher Art ermöglicht des Weiteren eine erhebliche Verkürzung der Bearbeitungszeiten gegenüber bekannten Verfahren. Dadurch können Bauteile sowohl aus technischen als auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten in einer Serienfertigung hergestellt werden, die zuvor nur mit sehr aufwändigen Prozessen oder sehr großen Maschinen und Werkzeugen hergestellt werden konnten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet damit die unterschiedlichsten Möglichkeiten zur Bearbeitung des Werkstücks, unter anderem eine lokale Verfestigung desselben. Vorteilhafterweise lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren auch die Herstellungskosten für die zu bearbeitenden Werkstücke senken.
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Auch ein aufwändiges Richten der Werkstücke nach der Bearbeitung, wie es bei anderen Anwendungen erforderlich ist, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren entfallen. Aufgrund der wälzenden Umformkinematik können außerdem höhere Umformgrade als beispielsweise beim Gesenkprägen erzielt werden.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug lediglich ein Werkzeugteil aufweist und das Werkstück bei der Hindurchführung durch den Walzenspalt auf einer Seite mit dem Werkzeug und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Walze des Walzenpaars in Kontakt ist. Auf diese Weise ist zwar nur eine einseitige Bearbeitung des Werkstücks möglich, es kann jedoch vorteilhafterweise ein einfacheres Werkzeug zum Einsatz kommen als dies bei bekannten Lösungen der Fall ist. Des Weiteren lässt sich dadurch eine definierte Krümmung bzw. Wölbung der bearbeiteten Werkstücke erreichen, was in bestimmten Anwendungsfällen ein Vorteil sein kann.
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Eine größere Flexibilität bezüglich der mit dem Verfahren herstellbaren Bauteile ergibt sich, wenn das Werkzeug zwei Werkzeugteile aufweist, zwischen denen das Werkstück positioniert ist, wobei beide Werkzeugteile bei der Hindurchführung durch den Walzenspalt jeweils mit einer Walze des Walzenpaars in Kontakt sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass wenigstens eine Walze des Walzenpaars angetrieben wird. Auf diese Weise kann die Hindurchführung des Werkzeugs durch den Walzenspalt sehr einfach erreicht werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch auch möglich, dass das Werkzeug angetrieben wird. In diesem Fall können sich die Walzen des Walzenpaars im Leerlauf befinden, es ist jedoch auch möglich, sowohl wenigstens eine der Walzen als auch das Werkzeug anzutreiben.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung eines flächigen, ebenen Werkstücks ist in Anspruch 6 angegeben.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich das oben beschriebene Verfahren sehr prozesssicher ausführen. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass diese aufgrund der relativ geringen erforderlichen Prozesskräfte gegenüber bekannten Lösungen eine vergleichsweise geringe Größe aufweisen kann. Auch die Komplexität der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist sehr viel geringer als diejenige der bekannten Lösungen.
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Wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Werkzeug lediglich ein Werkzeugteil aufweist, an dem das Werkstück mittels der wenigstens einen Positioniereinrichtung positioniert ist, so ergibt sich eine sehr einfache und damit kostengünstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das Werkzeug zwei Werkzeugteile aufweist, zwischen denen das Werkstück mittels der wenigstens einen Positioniereinrichtung positioniert ist. Mit einer derart ausgestalteten Vorrichtung können an beiden Seiten des ebenen, flächigen Werkstücks Bearbeitungen vorgenommen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann darin bestehen, dass das Werkzeug wenigstens eine Aufnahme aufweist, in der die wenigstens eine Bearbeitungseinrichtung austauschbar gehalten ist. Dadurch ergibt sich eine modulartige Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die der jeweilige Nutzer in vergleichsweise kurzer Zeit an eine jeweils gewünschte Bearbeitung eines bestimmten Werkstücks anpassen kann.
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Ein zuverlässiges Positionieren des Werkstücks gegenüber dem Werkzeug und somit eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit ergibt sich, wenn die Positioniereinrichtung mehrere Positionierelemente aufweist.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt:
- 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
- 2 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 4 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Bearbeitung eines flächigen, ebenen Werkstücks 2. Mit der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung 1 kann ein nachfolgend ebenfalls beschriebenes Verfahren zur Bearbeitung des flächigen, ebenen Werkstücks 2 durchgeführt werden.
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Bei dem Werkstück 2 handelt es sich im vorliegenden Fall um ein Stahlblech, insbesondere aus einem höherfesten Material. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Werkstoffe zur Bildung des Werkstücks 2 geeignet, beispielsweise Aluminium- oder andere Leichtmetallwerkstoffe.
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Die Vorrichtung 1 weist ein Walzenpaar 3 auf, von dem in 1 lediglich eine obere Walze 3a dargestellt ist. In den 2, 3 und 4 ist zusätzlich zu der oberen Walze 3a auch eine untere Walze 3b dargestellt, die gemeinsam mit der oberen Walze 3a das Walzenpaar 3 bildet. Das Walzenpaar 3 bildet wiederum einen Walzenspalt 4, dessen Größe durch Bewegen der Walzen 3a und/oder 3b gemäß der Pfeile Z eingestellt werden kann. Durch die Pfeile Z wird nicht nur eine Verstellrichtung zur Verstellung der Walzen 3a und 3b und somit zur Einstellung der Größe des Walzenspalts 4 angedeutet, sondern auch eine durch die Walzen 3a und 3b aufgebrachte Kraft.
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Zusätzlich zu dem Walzenpaar 3 weist die Vorrichtung 1 ein von dem Walzenpaar 3 unabhängiges Werkzeug 5 auf. Bei der Ausführungsform gemäß 2 weist das Werkzeug 5 lediglich ein Werkzeugteil 5a auf, wohingegen bei den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen der Vorrichtung 1 das Werkzeug 5 jeweils zwei Werkzeugteile 5a und 5b aufweist.
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Das Werkzeug 5 weist eine Positioniereinrichtung 6 zum Positionieren und gegebenenfalls zum Halten des Werkstücks 2 auf. Mit der Positioniereinrichtung 6 muss nicht notwendigerweise ein Klemmen des Werkstücks 2 möglich sein, vielmehr soll mit derselben lediglich ein Verschieben des Werkstücks 2 in seiner Ebene relativ zu dem wenigstens einen Werkzeug 5 verhindert werden. In der Draufsicht von 1 ist erkennbar, dass die Positioniereinrichtung 6 im vorliegenden Fall mehrere, in der Form von Anschlägen ausgebildete Positionierelemente 6a, 6b, 6c und 6d aufweist. Die Anzahl, die Anordnung und die Form der Positionierelemente 6a bis 6d ist dabei an die Form des Werkstücks 2 angepasst und kann bei anderen Werkstücken als dem in 1 dargestellten Werkstück 2 vollkommen anders ausgeführt sein.
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Das Werkzeug 5 weist des Weiteren wenigstens eine Bearbeitungseinrichtung 7 zum Bearbeiten des Werkstücks 2 auf. Bei der Ausführungsform gemäß 2, bei der lediglich das eine Werkzeugteil 5a vorgesehen ist, weist dieses Werkzeugteil 5a mehrere Bearbeitungseinrichtungen 7 zum Bearbeiten des Werkstücks 2 auf, die allesamt sehr stark vereinfacht dargestellt sind.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3, bei der die beiden Werkzeugteile 5a und 5b vorgesehen sind, weist lediglich das obere Werkzeugteil 5a die Bearbeitungseinrichtungen 7 auf. Dagegen weisen bei der Ausführungsform gemäß 4, bei der ebenfalls die beiden Werkzeugteile 5a und 5b vorgesehen sind, beide Werkzeugteile 5a und 5b jeweilige Bearbeitungseinrichtungen 7 auf. Für sämtliche dargestellte Ausführungsformen der Vorrichtung 1 gilt, dass die Bearbeitungseinrichtungen 7 bezüglich der Anordnung sowie der Größe und Form anders als in den sehr schematischen Darstellungen ausgeführt sein können. Insbesondere können die Bearbeitungseinrichtungen 7 an die jeweils vorgesehene Bearbeitung des Werkstücks 2 angepasst werden. Bei den Bearbeitungseinrichtungen 7 handelt es sich im vorliegenden Fall um über die Fläche des jeweiligen Werkzeugteils 5a bzw. 5b überstehende Vorsprünge, die auch als Prägeeinsätze bezeichnet werden können.
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Das Verfahren zur Bearbeitung des Werkstücks 2 sieht vor, dass das Werkstück 2 durch den zwischen dem Walzenpaar 3 gebildeten Walzenspalt 4 hindurchgeführt wird. Dabei wird das Werkstück 2 mittels des von dem Walzenpaar 3 unabhängigen bzw. unabhängig beweglichen Werkzeug 5 positioniert bzw. gehalten und zusammen mit dem wenigstens einen Werkzeug 5 durch das Walzenpaar 3 hindurchgeführt. Bei dem Verfahren findet zwischen dem Werkzeug 5 und dem Walzenpaar 3 eine sich durch das Hindurchführen des Werkzeugs 5 durch den Walzenspalt 4 ergebende Relativbewegung statt, wohingegen zwischen dem Werkstück 2 und dem Werkzeug 5 keine Relativbewegung stattfindet.
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Zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen dem Werkzeug 5 und dem Walzenpaar 3 ist im vorliegenden Fall wenigstens eine der Walzen 3a und/oder 3b des Walzenpaars 3 angetrieben. Dies ist durch die Pfeile A angedeutet. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich, das Werkzeug 5 anzutreiben, was durch die Pfeile X angedeutet ist. Somit sind entweder die Walzen 3a, 3b ortsfest und das Werkzeug 5 und das Werkstück 2 werden aufgrund der Rotation der Walzen 3a, 3b durch den Walzenspalt 4 hindurchbewegt oder das Werkzeug 5 und das Werkstück 2 sind in Richtung des Pfeils X ortsfest und die Walzen 3a, 3b verfahren in Richtung des Pfeils X und üben dabei eine linienförmige Krafteinleitung auf das Werkzeug 5 und somit das Werkstück 2 aus. Auch eine Kombination dieser Möglichkeiten ist denkbar.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform, bei der das Werkzeug 5 lediglich das eine Werkzeugteil 5a aufweist, ist das Werkstück 2 bei der Relativbewegung gegenüber dem Walzenpaar 3 auf einer Seite mit dem Werkzeug 5 bzw. dem Werkzeugteil 5a und dessen Bearbeitungseinrichtungen 7 und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer der Walzen 3a oder 3b, im vorliegenden Fall mit der oberen Walze 3a, in Kontakt.
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Mittels der in dem Ausführungsbeispiel von 2 dargestellten Vorrichtung 1 lassen sich einseitig gekrümmte und geprägte Werkstücke 2 in einem Schritt umformen. In Abhängigkeit der Zustellung zwischen den Walzen 3a und 3b sowie deren Durchmesser und der Geometrie der Bearbeitungseinrichtungen 7 können unterschiedlich einseitig gekrümmte und gleichzeitig geprägte Werkstücke 2 hergestellt werden, die für die unterschiedlichsten Einsatzzwecke und die unterschiedlichsten Materialien relevant sein können. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 bzw. des damit durchgeführten Verfahrens bestimmen die Höhe der Bearbeitungseinrichtungen 7 und der Walzenspalt 4 die Indentierungstiefe und damit den Umformgrad sowie die entstehende Krümmung.
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Bei den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen, bei denen das Werkzeug 5 jeweils die beiden Werkzeugteile 5a und 5b aufweist, sind beide Werkzeugteile 5a und 5b bei der Relativbewegung gegenüber dem Walzenpaar 3 jeweils mit einer Walze 3a bzw. 3b des Walzenpaars 3 in Kontakt. Das Werkstück 2 wird dagegen lediglich zwischen den Werkzeugteilen 5a und 5b gehalten.
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Bei dem mit der in den 3 und 4 dargestellten Vorrichtung 1 durchgeführten Verfahren wird die Ebenheit des Werkstücks 2 beibehalten und das Werkstück 2 kann einseitig (Ausführungsform gemäß 3) oder zweiseitig (Ausführungsform gemäß 4) geprägt werden. Dies verringert die bislang bestehende Problematik hinsichtlich der Rückfederung des Werkstücks beim konventionellen Gesenkprägen und ermöglicht die Herstellung maßhaltiger und ebener Werkstücke 2, die als Halbzeuge für die weitere Verarbeitung oder für den direkten Einsatz verwendet werden können.
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Vorzugsweise werden mittels der Bearbeitungseinrichtungen 7 lediglich einseitig Prägungen in das Werkstück 2 eingebracht, d.h. die Bearbeitungseinrichtungen 7 sind auch bei der Ausführungsform von 4 vorzugsweise nie unmittelbar einander gegenüberliegend angeordnet. Bei den Ausführungsformen der 2 und 3 sind die Bearbeitungseinrichtungen 7 ohnehin nur auf einer Seite des Werkzeugs 5 vorgesehen. Der Umformgrad des Verfahrens ist demnach relativ gering.
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Durch eine entsprechende Einstellung der Größe des Walzenspalts 4 kann der Grad der Krümmung des Werkstücks 2 beeinflusst werden. Die erforderliche Einstellung der Größe des Walzenspalts 4 kann empirisch ermittelt werden.
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In nicht dargestellter Weise kann das Werkzeug 5 wenigstens eine Aufnahme aufweisen, in der die wenigstens eine Bearbeitungseinrichtung 7 austauschbar gehalten ist. Dadurch entsteht ein modulartiges Werkzeug 5, dessen Bearbeitungseinrichtungen 7 in sehr kurzer Zeit ausgetauscht werden können. Des Weiteren ist auf diese Weise eine Kosteneinsparung möglich, da der Grundkörper des Werkzeugs 5 für unterschiedliche Bearbeitungen eingesetzt werden kann. Dabei können bestimmte Aufnahmen des Werkzeugs 5 bzw. der Werkzeugteile 5a und/oder 5b mit derartigen Einsätzen bestückt werden, die keine Bearbeitung vornehmen, wenn bestimmte Bereiche des Werkstücks 2 nicht bearbeitet werden sollen.
