DE10231430A1

DE10231430A1 - Verfahren zur automatisierten Umformung von Werkstücken

Info

Publication number: DE10231430A1
Application number: DE2002131430
Authority: DE
Inventors: Timo Dipl.-Ing. Schäfer; Walter Dipl.-Ing. Schaaf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: DE10231430B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Umformung von Werkstücken, bei dem das Werkstück zur Umformung einer hämmernden Bearbeitung mit einem formungebundenen Bearbeitungswerkzeug unterzogen wird, bei der das Werkstück und/oder das Bearbeitungswerkzeug mit einer angesteuerten Handhabungseinrichtung auf einer vorgegebenen Bahn geführt wird, während ein Formgebungselement des Bearbeitungswerkzeugs mit einem Hammerbär-Antrieb hämmernd gegen das Werkstück gestoßen wird. DOLLAR A Mit dem vorliegenden Verfahren lassen sich Werkstücke automatisiert in nahezu beliebige Geometrien umformen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Umformung von Werkstücken, bei dem das Werkstück zur Umformung einer hämmernden Bearbeitung mit einem formungebundenen Bearbeitungswerkzeug unterzogen wird.

Ein bevorzugtes technisches Anwendungsgebiet des Verfahrens ist die Herstellung von Prototypen bzw. Fertigprodukten aus plastisch verformbaren Werkstoffen, die sowohl als dünnwandige Werkstücke als auch als massive Werkstückblöcke vorliegen können. Beispielhafte Einsatzbereiche liegen auf den Gebieten der Verfahrenstechnik, z. B. zur Herstellung von Behältern, Kanälen, Rohren oder Schornsteinen, der Schwimmbadtechnik, z. B. zur Herstellung von Beckenböden und -wänden, Rutschen oder Duschen, der Luft- und Raumfahrttechnik, z. B. zur Herstellung von Tragflächen oder Tanks, des Karosseriebaus, z. B. zur Herstellung von Scheinwerferreflektoren, Karosserieteilen für Kleinserien oder Reparaturteilen, des Klempnerhandwerks, z. B. zur Herstellung von Dächern, Giebeln, Fassaden, Dachrinnen oder Turmspitzen, des Küchengewerbes, z. B. zur Herstellung von Abzugshauben oder Spülbecken, der Lebensmittelindustrie, z. B. zur Herstellung von Dosen oder Töpfen, oder auch des Kunstgewerbes, z. B. zur Herstellung von Design-Produkten oder Kunstgegenständen.

Stand der Technik

Grundsätzlich können Fertigungsprozesse in subtraktive, additive und formative Prozesse eingeteilt werden. Subtraktive Prozesse heben Material vom Werkstück ab und umfassen alle spanenden Fertigungsverfahren. Additive Prozesse fügen dem Werkstück Material hinzu und formative Prozesse prägen oder verformen das Werkstück, beispielsweise durch Aufdrücken von Modellen oder Formen.

Bei dem vorliegenden Verfahren handelt es sich um ein formatives Umformverfahren, so dass im Folgenden auf die bekannten formativen Umformverfahren auf einem Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung, der Umformtechnik von dünnwandigen Werkstücken wie Blech, näher eingegangen wird.

Für die Umformung komplexer Blechformteile sind eine Vielzahl von Umformverfahren bekannt. Die DIN 8582 unterscheidet diese Umformverfahren anhand des Kriteriums der überwiegend während des Umformprozesses anliegenden mechanischen Spannungen. Es werden Druckumformen, Zugdruckumformen, Zugumformen, Biegeumformen und Schubumformen unterschieden. Aufgrund der hohen während des Umformprozesses auftretenden Kräfte werden für die Umformung Werkzeugmaschinen eingesetzt, die häufig hohe Investitionen erfordern. Bekannte Werkzeugmaschinen zum Umformen sind Pressen, Hämmer, Walzmaschinen, Biegemaschinen, Ziehmaschinen oder Maschinen zum Umformen mit Wirkmedien. Durch einen seit längerer Zeit anhaltenden Trend zu immer komplexeren Bauteilgeometrien in der Blechteilefertigung bei gleichzeitig deutlich abnehmenden Losgrößen sind den Einsatzmöglich keiten der konventionellen Blechumformverfahren immer häufiger klare Grenzen gesetzt, da der Anteil der Werkzeugkosten an den Gesamtkosten überproportional steigt. Gerade Werkzeugmaschinen mit formgebundenen Werkzeugen, d.h, mit Werkzeugen, mit denen nur eine feste vorgegebene Geometrie eines Werkstückes erzeugt werden kann, weisen in diesem Zusammenhang deutliche Nachteile auf.

In den letzten Jahren wurden daher zunehmend flexible Blechumformverfahren entwickelt und hinsichtlich ihrer Einsatzpotentiale zur wirtschaftlichen Formgebung komplexer Bauteile untersucht. Die Flexibilität eines Blechumformverfahrens ist dabei um so größer, je geringer die Werkzeugbindung an die Endform der Produkte bzw. je unvollständiger der Formzwang während der Umformung ist. Bekannte flexible Blechumformungsverfahren sind das Tiefziehen, das Drückwalzen, das Streckziehen, das Walzprofilieren, das Kugelstrahlumformen, das Schockwellenumformen sowie das Laserstrahlumformen. Während das durch werkzeugseitige Maßnahmen flexibler gestaltete Tiefziehen bzw. Druckwalzen sich noch immer durch eine rein formgebundene Gestalterzeugung auszeichnet, ist bei einigen Streckziehverfahren bereits eine überwiegend kinematische Gestalterzeugung möglich. Eine Beseitigung der Werkzeugbindung wird durch das Kugelstrahl-, das Schockwellen- und das Laserstrahlumformen erzielt. Das Laserstrahlumformen, welches sich aus dem Flammrichten weiterentwickelt hat, arbeitet mit thermischen Spannungen. Beim Kugelstrahl- und Schockwellenumformen handelt es sich um eine flexible Formgebung durch Impulsübertragung.

So ist beispielsweise aus einer Broschüre des Kugelstrahlzentrums Aachen ein Verfahren zum Kugelstrahlumformen von Blechen bekannt, bei dem eine große Zahl von Stahlkugeln mit Durchmessern von 2 bis 10 mm strahlförmig auf das Werkstück geschossen und das Werkstück durch die Impulsübertragung umgeformt wird. Durch eine Variation der Strahlintensität sowie die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungswerkzeug lassen sich mit diesem Verfahren nahezu beliebige Werkstückgeometrien erzeugen.

Aus der DE 4004020 C2 ist ein Werkzeug zum schlagenden Bearbeiten und Montieren von Fügeteilen bekannt, bei dem ein erstes von zwei Fügeteilen, das eine Bohrung aufweist, in einer Halterung befestigt und ein zweites als Bolzen ausgebildetes Fügeteil mit einer Handhabungseinrichtung über der Bohrung des ersten Fügeteils positioniert wird. Der Bolzen wird dann unter Einsatz eines Industrieroboters mit einer Schlageinheit in die Bohrung des ersten Fügeteiles geschlagen. Auf ein Verfahren zur flexiblen Formgebung von Werkstücken wird in dieser Druckschrift allerdings kein Hinweis gegeben.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein weiteres Verfahren zur automatisierten Umformung von Werkstücken anzugeben, mit dem sich Werkstücke nahezu beliebig umformen lassen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur automatischen Umformung von Werkstücken wird das Werkstück zur Umformung einer hämmernden Bearbeitung mit einem formungebundenen Bearbeitungswerkzeug unterzogen, bei der das Werkstück und/oder das Bearbeitungswerkzeug mit einer angesteuerten Handhabungseinrichtung auf einer vorgegebenen Bahn geführt wird, während ein Formgebungselement des Bearbeitungswerkzeugs mit einem Hammerbär-Antrieb hämmernd gegen das Werkstück gestoßen wird. Vorzugsweise werder vor Beginn der hämmernden Bearbeitung durch eine Auswerteeinheit eine Ausgangsform des Werkstücks mit einer Sollform verglichen und auf Basis eines mathematischen Modells Steuersignale zur Ansteuerung der Handhabungseinrichtung und des Hammerbär-Antriebs für die Bearbeitung des Werkstücks generiert. Die Handhabungseinrichtung und der Hammerbär-Antrieb werden dann mit diesen Steuersignalen automatisch angesteuert.

Vorzugsweise wird bei der Bearbeitung mehrfach eine Istform des Werkstücks mit ein oder mehreren Sensoren erfasst, von der bzw. einer Auswerteeinheit mit der Sollform verglichen und die Handhabungseinrichtung und/oder der Hammerbär-Antrieb in Abhängigkeit von einer Abweichung der Istform von der Sollform automatisch angesteuert, um die Sollform innerhalb vorgebbarer Toleranzen zu erreichen.

Unter dem Bearbeitungswerkzeug ist in der vorliegenden Patentanmeldung das Gesamtsystem bestehend aus Hammerbär-Antrieb, Hammerbär und Formgebungselement zu verstehen, wobei das Formgebungselement auch selbst den Hammerbär bilden kann. Als Hammerbär wird in bekannter Weise die bewegte Masse eines Hammers bezeichnet. Ein formungebundenes Bearbeitungswerkzeug zeichnet sich durch die Eigenschaft aus, dass aufgrund der Form des Formgebungselementes mit diesem Werkzeug nahezu beliebige Geometrien des Werkstückes erreicht werden können, die nicht von der Form des Formgebungswerkzeuges abhängen.

Mit dem vorliegenden Verfahren ist es möglich, mit dem formungebundenen, flexibel einsetzbaren Bearbeitungswerkzeug Ausgangsprodukte aus plastisch verformbaren Werkstoffen so umzuformen, dass Fertigprodukte mit definierter Geometrie bzw. bestimmten Freiformflächen entstehen. Bei der Bearbeitung durch das vorliegende Verfahren werden das Bearbeitungswerkzeug und das Werkstück relativ zueinander mit einer Handhabungseinrichtung bewegt. Das Fertigprodukt wird dabei ohne Zerspanungsvorgänge aus dem Ausgangsprodukt, beispielsweise einem Roherzeugnis, einem Halbzeug oder einem Zwischenprodukt, unter Verwendung von vorgegebenen Geometriedaten, der Sollform, erzeugt. Es handelt sich daher um ein sogenanntes direktes Verfahren bzw. Prototyping-Verfahren. Bei dem Verfahren kommen eine oder mehrere Handhabungseinrichtungen, wie beispielsweise Industrieroboter, zum Einsatz, mit denen entweder das Bearbeitungs- bzw. Formgebungswerkzeug oder das Werkstück bei gleichzeitiger Bearbeitung mit einem stationär oder ebenfalls ortsveränderlich wirkenden Formgebungs- bzw. Bearbeitungswerkzeug bewegt wird. Aufgrund des nur durch den kinematischen Aufbau begrenzten Arbeitsraums der Handhabungseinrichtung sind mit dem Verfahren praktisch beliebig große Produkte oder Prototypen aus plastisch verformbarem Werkstoff herstellbar. Gestaltungsmöglichkeiten der Werkstücke umfassen beispielsweise das Abkanten bis 90° oder die Erzeugung von Zylinder- oder Kugelradien.

Die Anwendungsgebiete und die dazugehörigen Produkte sind sehr vielfältig, da als Ausgangsprodukt sowohl ein dünnwandiges Werkstück wie beispielsweise Blech als auch ein Werkstückblock verwendet werden kann. Unter einem dünnwandigen Werkstück wird hierbei ein Werkstück verstanden, bei dem die Längen- bzw. Breitenausdehnung sehr viel größer ist als die Ausdehnung in der Höhe, wobei die Höhe vorzugsweise maximal 10 mm beträgt. Als Werkstoffe können alle plastisch verformbaren Werkstoffe eingesetzt werden. So eignen sich für die in der Beschreibungseinleitung genannten Einsatzgebiete beispielsweise Stahl, Aluminium, Kupfer, Zink, Edelstahl oder Weißblech. Wird als Ausgangsprodukt ein Werkstückblock verwendet, so bietet sich als Werkstoff beispielsweise Metallschaum an.

Gegenüber konventionellen formativen Umformungsprozessen ist beim vorliegenden Verfahren ein geringerer Investitionsbedarf erforderlich, da das Bearbeitungswerkzeug und die Handhabungseinrichtung sowie die Auswerteeinheit nicht an einzelne Sollformen des Werkstückes gebunden sind, sondern vielmehr für nahezu beliebige zu erzeugende Werkstückgeometrien einsetzbar sind. Somit lassen sich unterschiedliche Werkstückgeometrien durch einfache Änderung der Vorgaben, insbesondere der Sollform, in der Auswerteeinheit realisieren. Das Verfahren ermöglicht somit die flexible Herstellung von Prototypen und die wirtschaftliche Fertigung auch kleiner Losgrößen. Das Verfahren ermöglicht ein praktisch unbegrenztes Bearbeitungsvolumen und weist aufgrund der eingesetzten Bearbeitungstechnik ein wesentlich besseres Verhältnis von Arbeitsraum zu Bauraum der Produktionsanlage auf.

Die Erfinder des vorliegenden Verfahrens haben hierbei erkannt, dass durch eine geeignete Automatisierung des aus der manuellen Fertigung bekannten Hämmerns, wie dies beispielsweise zur Herstellung von Karosserieblechen bekannt ist, ein sehr flexibles Verfahren zur automatisierten Umformung von Werkstücken realisiert werden kann, das viele der Nachteile zahlreicher bekannter automatisierter Umformverfahren beseitigt. Bei dem vorliegenden Verfahren wird vorzugsweise während der Bearbeitung mehrfach eine Istform des Werkstücks mit ein oder mehreren Sensoren erfasst und an eine Auswerteeinheit übertragen. Die Auswerteeinheit generiert in Echtzeit während des Umformprozesses aus den Daten der gewünschten Endkontur des Werkstücks, d.h. der Sollform, und den von den Sensoren übermittelten Daten über den Bearbeitungsfortschritt bzw. die Istform Steuersignale für die Ansteuerung der Handhabungseinrichtung und des Bearbeitungswerkzeuges. Durch die Online-Berechnung wird gewährleistet, dass die Sollform selbst bei unzureichender Berechnung der Steuersignale und bei auftretenden Abweichungen durch den Prozess innerhalb vorgebbarer Toleranzen erreicht wird. Als Parameter benötigt die Auswerteeinheit, auch bei der Vorausberechnung der Steuersignale aus der Ausgangsform, die Form des Formgebungselementes des Bearbeitungswerkzeuges, im Folgenden auch als Hammereinrichtung bezeichnet, und technische Daten der Handhabungseinrichtung sowie der Hammereinrichtung. Diese technischen Daten enthalten die mit diesen Einrichtungen möglichen Betriebszustände wie beispielsweise einstellbare Bereiche der Schlagfrequenz und Schlagenergie sowie mögliche Bewegungsgeschwindigkeiten der Handhabungseinrichtung.

Vorzugsweise wird die Bahn, mit der die Handhabungseinrichtung das Bearbeitungswerkzeug oder das Werkstück führt, in Abhängigkeit von einer eingegebenen Sollform von der Auswerteeinheit berechnet und zunächst vorgegeben. Das Gleiche gilt für Parameter, mit der der Hammerbär-Antrieb der Hammereinrichtung betrieben wird. Die Daten der Sollform des Werkstücks können dabei beispielsweise als Punktwolke, als explizite Funktion z = f (x,y) oder als implizite Funktion f (x,y,z) = 0 vorliegen. Mit Hilfe der von den Sensoren gelieferten Informationen über den Bearbeitungsfortschritt werden die Daten der momentanen Kontur des Werkstückes, d.h. der Istform, generiert. Der Aufwand zur Generierung der Istform aus den Sensordaten hängt dabei von der Art des Sensors bzw. der Sensoren zur Prozessüberwachung ab. Während beispielsweise vertikal angeordnete Abstandssensoren an mehreren Stellen (x_i, y_i) direkt eine Punktwolke (x_i, y_i, z_i) liefern, müssen die Abstandsdaten eines Laserscanners als Sensor zunächst von Kugelkoordinaten (r_i, φ_i, ψ_i) in kartesische Koordinaten (x_i, x_i, z_i) umgerechnet werden. Wird eine Kamera zur Prozessüberwachung eingesetzt, so kann eine Bestimmung der Istform mittels Lichtschnittverfahren, strukturiertem Licht oder Stereobildverarbeitung mit anschließenden aufwendigen Berechnungen erfolgen.

Liegen die Daten der Istform vor, so wird die vertikale Abweichung Δz_i an den Stellen (x_i, y_i) berechnet. Aufgrund dieser Daten werden dann die Bahndaten für das Bearbeitungswerkzeug und eventuell die Betriebsparameter für die Hammereinrichtung berechnet. Aus den berechneten Werten werden schließlich die Steuersignale für die Steuerung der Handhabungseinrichtung, beispielsweise eines Roboters, bzw. der Hammereinrichtung generiert. Die Berechnung der Bahndaten basiert dabei auf mathematischen Modellen der Plastomechanik, wie beispielsweise der Streifentheorie, der Scheibentheorie, dem Schrankenverfahren oder der Finite-Elemente-Methode. Diese Modelle basieren im Allgemeinen auf den elementaren Fließgesetzen von v. Mises und Tresca (vgl. z. B.: Flimm, Joseph: Spanlose Formgebung, 6. neubearb. Auflage, München, Wien: Hanser Verlag, 1990; Lange, Kurt: Umformtechnik: Handbuch für Industrie und Wissenschaft, Band 1, Grundlagen, 2. völlig neu bearb. Auflage, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer Verlag, 1984; Pawelski, Hartmut; Pawelski, Oskar: Technische Plastomechanik, Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH, 2000). Zur vollständigen Beschreibung einer plastomechanischen Verformung müssen Parameter wie Reibung, Temperatur, Wärmeübergang, Umformgeschwindigkeit und andere berücksichtigt werden, was bei den einzelnen aufgeführten Modellen in unterschiedlicher Weise geschieht. Mathematisch wird dies durch komplexe Differentialgleichungen realisiert. Die gleichen Modelle können auch zur Vorausberechnung der Steuersignale aus dem Vergleich der Ausgangsform mit der Sollform eingesetzt werden, wobei die Ausgangsform beispielsweise ebenfalls mit den Sensoren erfasst werden kann.

Bei der Ansteuerung der Handhabungseinrichtung bzw. der Hammereinrichtung während des Umformprozesses durch die Auswerteeinheit werden insbesondere Parameter wie die Schlagfrequenz und die Schlagenergie, die Bahn des Bearbeitungswerkzeugs sowie die Führungsgeschwindigkeit des Bearbeitungswerkzeugs durch die Handhabungseinrichtung geändert bzw. angepasst.

Selbstverständlich muss das Bearbeitungswerkzeug bzw. das Werkstück durch die Handhabungseinrichtung nicht kontinuierlich bewegt werden. Es kann auch schrittweise auf der Bahn geführt werden, um beispielsweise an bestimmten Stellen mehrere Hammerschläge hintereinander in der gleichen Position auszuführen. Da die Bahndaten und die Steuersignale für die Hammereinrichtung voneinander abhängig sind, sollten vor der Berechnung Grenzwerte bzw. Kriterien festgelegt werden, innerhalb derer sich mögliche Änderungen bewegen müssen. Beispiele für derartige Grenzwerte sind eine minimale Schlagenergie, eine minimale Gesamtanzahl an Schlägen, eine minimale Schlagfrequenz oder eine minimale Bahnstrecke zwischen einzelnen Schlägen.

Bei dem vorliegenden Verfahren kann das Werkstück sowohl frei, d. h. ohne Gegenhalter nur am Rand, eingespannt als auch an einer als Gegenhalter zum Form gebungselement des Bearbeitungswerkzeuges dienenden Matrize anliegen oder befestigt werden. Bei einem mit der Handhabungseinrichtung geführten Bearbeitungswerkzeug lässt sich sowohl eine formgebundene als auch eine formungebundene Matrize als Gegenhalter einsetzen. Bei einer formgebundenen Matrize liegt das Werkstück auf dieser Matrize auf und wird durch das Bearbeitungswerkzeug in die vorgegebene Form dieser Matrize hineingetrieben. Eine formgebundene Matrize kann beispielsweise mit Hilfe eines Prototyping-Verfahrens schnell und kostengünstig hergestellt werden.

Bei Verwendung einer formungebundenen Matrize kann unterschieden werden, ob die Handhabungseinrichtung das Werkstück oder das Bearbeitungswerkzeug führt. In beiden Fällen wird das Werkstück auf der formungebundenen Matrize bearbeitet. Grundsätzlich kommen bei allen drei Konzepten als Ausgangsprodukt sowohl dünnwandige Werkstücke als auch Werkstückblöcke in Frage. Während die Umformung eines dünnwandigen Werkstücks beispielsweise zu Hohlkörpern führen kann, kann bei Verwendung eines Werkstückblocks ein beliebiger Vollkörper gestaltet werden.

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung des vorliegenden Verfahrens zur automatisierten Umformung von Werkstücken;
2 ein erstes Beispiel für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
3 ein zweites Beispiel für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
4 ein drittes Beispiel für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
5 ein viertes Beispiel für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
6 Ausführungsbeispiele eines Bearbeitungswerkzeugs;
7 schematische Darstellung eines pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen Bearbeitungswerkzeugs;
8 ein Beispiel für ein Gesamtsystem zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
9 eine Veranschaulichung der Ein- und Ausgangssignale der Auswerteeinheit; und
10 ein fünftes Beispiel für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine Prinzipdarstellung des vorliegenden Verfahrens zur automatisierten Umformung eines Werkstückes 1. Das Werkstück 1 wird als Ausgangsprodukt aus einem plastisch verformbaren Werkstoff bereitgestellt und in diesem Beispiel von einer Handhabungseinrichtung 2 aufgenommen. Die Bearbeitung des Werkstückes 1 erfolgt mit einem Bearbeitungswerkzeug 3, das im vorliegenden Beispiel in Form einer Hammermaschine dargestellt ist. Die Hammermaschine umfasst einen Hammerbär-Antrieb 4 als Antriebsmodul, ein Formgebungselement 5, das gleichzeitig den Hammerbär repräsentiert, einen Gegenhalter 6 sowie ein Zusatzenergie-Modul 7, mit dem das Werkstück 1 beispielsweise zusätzlich erwärmt werden kann, um den Umformprozess zu erleichtern. Das von der Handhabungseinrichtung 2 aufgenommene Werkstück 1 wird von dieser auf einer vorgegebenen Bahn unter dem Formgebungselement 5 bewegt, während dieses hämmernd gegen das Werkstück 2 gestoßen wird. Während dieser Bearbeitung wird der Bearbeitungsfortschritt sensorisch im vorliegenden Beispiel mit einer Kamera 8 überwacht. Die Überwachungsdaten werden einer nicht dargestellten Auswerteeinheit zugeführt, die die Handhabungseinrichtung 2 sowie das Bearbeitungswerkzeug 3 in Abhängigkeit von einer Abweichung der sensorisch erfassten Istform von der gewünschten Sollform ansteuert. Nach Erreichen der Sollform innerhalb der vorgegebenen Toleranzen wird das Werkstück 1 als Fertigprodukt 9 abtransportiert.
Selbstverständlich ist diese Prinzipdarstellung der 1 nur beispielhaft zu verstehen, so dass beispielsweise anstelle des Werkstücks 1 auch das Bearbeitungswerkzeug 3 mit der Handhabungseinrichtung 2 geführt und das Werkstück 1 stationär gehaltert werden kann. Auch der Einsatz des Gegenhalters 6 ist nicht in jedem Falle erforderlich.
2 zeigt ein erstes Beispiel für eine Durchführung des vorliegenden Verfahrens, bei der das Bearbeitungswerkzeug 3 mit einer Handhabungseinrichtung 2 geführt wird. Das Werkstück 1, das im vorliegenden Beispiel als dünnwandiges Blech ausgeführt ist, wird mit einem Niederhalter 10 gegen einen Tisch mit einer formgebenden Matrize 11 gedrückt. Das Werkstück 1 wird bei der Bearbeitung mit dem Bearbeitungswerkzeug 3 hämmernd in die Matrizenöffnung der formgebenden Matrize 11 umgeformt, wobei gleichzeitig das Bearbeitungswerkzeug 3 durch die Handhabungseinrichtung 2 auf einer vorgegebenen Bahn geführt wird. Nach Erreichen der Sollform wird das Werkstück 1 von dem Tisch genommen und als Fertigprodukt 9 abtransportiert. Im unteren Teil der Figur ist beispielhaft eine formgebundene Matrize 11 in Querschnittsansicht zu erkennen, wie sie bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens eingesetzt werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle der dargestellten konkaven Matrize 11 eine konvexe Matrize zu verwenden, um die das Werkstück 1 dann herumgehämmert wird.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 2 entspricht. Bei diesem Beispiel wird im Gegensatz zur 2 jedoch eine formungebundene Matrize 12 eingesetzt, wie sie beispielsweise im unteren Teil der Figur beispielhaft im Querschnitt dargestellt ist. Da das Werkstück 1 bei dieser Variante nicht in die Matrize 12 eingehämmert wird, muss gewährleistet werden, dass sich bei Verwendung eines dünnwandigen Werkstücks dieses von der Fläche der Matrize 12 abheben kann, wie dies im mittleren Bereich der Figur zu erkennen ist. Das dünnwandige Werkstück 1 wird deshalb bei dieser Ausführungsform nur einseitig eingespannt.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Vorgehensweise der 3 mit einem Werkstückblock als Werkstück 1 durchgeführt wird. Dieser Werkstückblock, der beispielsweise aus Metallschaum bestehen kann, wird durch die Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges 3 solange umgeformt, bis die gewünschte dreidimensionale Geometrie des Fertigproduktes 9 entsteht. Das Werkstück 1 muss hierbei selbstverständlich ebenfalls geeignet auf dem Tisch mit der formungebundenen Matrize 12 befestigt werden.
5 zeigt ein weiteres Beispiel für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens, bei dem eine formungebundene Matrize 12 eingesetzt wird. Bei diesem Beispiel führt die Handhabungseinrichtung 2 nicht das Bearbeitungswerkzeug 3, sondern das Werkstück 1. Dies ermöglicht den Einsatz einer stationären Hammermaschine, die in dieser Figur lediglich durch einen Hammer angedeutet ist. Mit einer stationären Hammermaschine können wesentlich höhere Umformkräfte aufgebracht werden als mit einer Roboter-geführten Hammereinrichtung. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung des Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Handhabungseinrichtung 2 sowohl zum Bearbeiten, zum Vermessen als auch zum Holen und Weglegen des Werkstückes 1 eingesetzt werden kann, wodurch auf einen Werkzeugwechsel oder auf ein zweites Handhabungsgerät verzichtet werden kann. Wie bei der Vorgehensweise der 2 bietet sich für diese Ausgestaltung der Einsatz eines dünnwandigen Werkstücks 1 an. Dieses Werkstück 1 wird unter dem stationären Bearbeitungswerkzeug 3 geeignet geführt, um die gewünschte Sollform des Fertigproduktes 9 zu erreichen.
Das Bearbeitungswerkzeug kann beim vorliegenden Verfahren unabhängig von den vorangehenden Ausführungsformen in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein. 6 zeigt hierzu zwei Ausführungsvarianten eines derartigen Bearbeitungswerkzeugs. Im linken Teil der Figur ist ein Bearbeitungswerkzeug zu erkennen, bei dem ein Hammerbär 13, der durch eine Kurvenscheibe 14 angehoben und wieder fallengelassen wird, auf ein als Meißel ausgebildetes Formgebungselement 5 trifft, das über eine Feder 15 nach jedem Schlag in die Ausgangsposition zurückgebracht wird. Das Formgebungselement 5 liegt hierbei auf dem auf einem Gegenhalter 6 aufliegenden Werkstück 1 auf und verformt dieses durch die eingebrachten Schlagimpulse.
Der rechte Teil der Figur zeigt eine Ausgestaltung, bei der das Formgebungselement 5 durch den Hammerbär 13 selbst realisiert wird, der eine geeignete Spitze aufweist und direkt auf das plastisch verformbare Werkstück 1 auftrifft.
Das Schlagprinzip des Bearbeitungswerkzeugs beruht auf der Schwerkraft, die auf den Hammerbär 13 wirkt. Der Hammerbär 13 wird lediglich durch die Kurvenscheibe 14 wieder in seine Ausgangsposition zurückgeführt und dann erneut fallengelassen. Für ein Roboter-geführtes Bearbeitungswerkzeug ist diese Konstruktion jedoch nicht von Vorteil, da die Schlagstärke bei diesem Bearbeitungswerkzeug von der Orientierung des Werkzeugs abhängt. Aus diesem Grund wird bei einem Robotergeführten Bearbeitungswerkzeug eine Konstruktion bevorzugt, wie sie beispielsweise in der 7 dargestellt ist.
Bei der Ausgestaltung des Bearbeitungswerkzeuges der 7 wird ein pneumatisch bzw. hydraulisch arbeitender Hammerbär-Antrieb eingesetzt. Im linken Teil der Figur ist dabei wiederum der in diesem Beispiel als Formgebungselement 5 ausgebildete Hammerbär 13 zu erkennen, der über einen pneumatischen bzw. hydraulischen Hammerbär-Antrieb 4 mit vorgebbarer Frequenz und Schlagstärke gegen das Werkstück 1 gestoflen wird. Mit dem Bezugszeichen 16 ist der Druckluft- oder Hydraulikanschluss angedeutet.
Eine weitere Variante eines Bearbeitungswerkzeuges ist im rechten Teil der Figur zu erkennen. Dieses Bearbeitungswerkzeug ist auf Basis eines Gegenschlaghammers konstruiert, bei dem beidseitig des Werkstückes 1 Hammerbären 13 mit entsprechenden Antrieben 4 gleichzeitig gegen das Werkstück 1 gestoßen werden. Im Idealfall heben sich die Impulse der beiden gegeneinander gerichteten Hammerbären 13 auf, so dass insgesamt keine Kräfte auf die Handhabungseinrichtung wirken, mit der dieses Bearbeitungswerkzeug geführt wird. Die Belastung der Handhabungseinrichtung durch die Arbeit des Bearbeitungswerkzeugs ist daher sehr gering. Bezugszeichen 17 gibt hierbei eine Zange zur Verbindung der beiden Teile des Bearbeitungswerkzeuges an.
8 zeigt einen Überblick über ein beispielhaftes System für die Durchführung des Verfahrens, bei der Möglichkeiten der Prozessüberwachung dargestellt sind. Die ständige Prozessüberwachung ist erforderlich, da eine exakte Vorausberechnung der plastischen Verformung eines Werkstücks nur aufwendig zu realisieren ist. Zur Prozessüberwachung bieten sich Abstandssensoren, wie z.B. Ultraschallsensoren, Laserscanner und Kamerasysteme an.
Die Figur zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Prozessüberwachung alternativ mit Abstandssensoren 18 oder einem Laserscanner 19 realisiert wird. Bei diesem Verfahren wird das Bearbeitungswerkzeug 3 mit der Handhabungseinrichtung 2 während der hämmernden Bearbeitung auf einer vorgegebenen Bahn geführt. Das dünnwandige Werkstück 1 ist auf einer formgebundenen Matrize 11 befestigt, in der senkrechte Kanäle zu den unter der Matrize befindlichen Abstandssensoren 18 ausgebildet sind. Durch diese Kanäle können die Abstandssensoren 18 die momentane Form des Werkstückes 1 messen. Über dem Werkstück 1 ist weiterhin ein Laserscanner 19 angebracht, der ebenfalls die Istform des Werkstückes 1 während der Bearbeitung vermisst. Die von den Abstandssensoren 18 bzw. dem Laserscanner 19 erfassten Daten 22, die die Informationen über den Bearbeitungsfortschritt enthalten, werden der Auswerteeinheit 20 zugeführt. Die Zuführung kann hierbei über den angedeuteten Schalter alternativ oder auch gleichzeitig erfolgen. Die Auswerteeinheit 20 berechnet aus den übermittelten Daten die momentane Istform sowie die Abweichung der Istform von einer vorgegebenen Sollform und generiert auf Basis eines Modells Steuersignale 23 für die Ansteuerung der Handhabungseinrichtung 2 sowie des Hammerbär-Antriebs des Bearbeitungswerkzeugs 3, um die Sollform innerhalb der vorgegebenen Toleranzen zu erreichen. Die von der Auswerteeinheit 20 generierten Steuersignale 23 werden der Robotersteuerung 21 zugeführt, die die Handhabungseinrichtung 2 sowie den Hammerbär-Antrieb des Bearbeitungswerkzeuges 3 steuert. Das Bearbeitungsende ist erreicht, wenn die Abweichung der Istform von der Sollform ein bestimmtes Delta unterschreitet.
9 zeigt in diesem Zusammenhang nochmals beispielhaft den Datenfluss von und zu der Auswerteeinheit 20. Die Auswerteeinheit 20 erhält Online-Informationen über den Bearbeitungsfortschritt von den eingesetzten Sensoren, Daten der Endkontur des Werkstückes, der Form des Hammerwerkzeuges sowie technische Daten der Hammereinrichtung und der Handhabungseinrichtung von dem Bediener der Anlage. Aus diesen Daten generiert die Auswerteeinheit 20 die Steuersignale für die Robotersteuerung sowie für das Umformwerkzeug, um diese zur Erreichung der vorgegebenen Sollform anzusteuern. Die Auswerteeinheit 20 kann hierbei als Prozessrechner ausgebildet sein, der ein entsprechendes Software-Modul zur Durchführung der Berechnungen sowie zur Benutzerführung enthält.
10 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 3 entspricht. Bei diesem Beispiel wird im Gegensatz zur 3 jedoch keine Matrize als Gegenhalter eingesetzt. Das Werkstück 1 wird bei dieser Variante vielmehr nur am Rand mit einer Einspannvorrichtung 24 eingespannt.

Claims

Verfahren zur automatisierten Umformung von Werkstücken, bei dem das Werkstück (1) zur Umformung einer hämmernden Bearbeitung mit einem formungebundenen Bearbeitungswerkzeug (3) unterzogen wird, bei der das Werkstück (1) und/oder das Bearbeitungswerkzeug (3) mit einer angesteuerten Handhabungseinrichtung (2) auf einer vorgegebenen Bahn geführt wird, während ein Formgebungselement (5) des Bearbeitungswerkzeugs (3) mit einem Hammerbär-Antrieb (4) hämmernd gegen das Werkstück (1) gestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Auswerteeinheit (20) vor Beginn der Bearbeitung eine Ausgangsform des Werkstücks (1) mit einer Sollform verglichen und auf Basis eines mathematischen Modells Steuersignale zur Ansteuerung der Handhabungseinrichtung (2) und des Hammerbär-Antriebs (4) für die Bearbeitung des Werkstücks generiert werden, und die Handhabungseinrichtung (2) und der Hammerbär-Antrieb (4) mit den Steuersignalen automatisch angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bearbeitung mehrfach eine Istform des Werkstücks (1) mit einem oder mehreren Sensoren (8, 18, 19) erfasst, von einer Auswerteeinheit (20) mit einer Sollform verglichen und die Handhabungseinrichtung (2) und/oder der Hammerbär-Antrieb (4) in Abhängigkeit von einer Abweichung der Istform von der Sollform automatisch angesteuert wird, um die Sollform innerhalb vorgebbarer Toleranzen zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20) Steuersignale zur Ansteuerung der Handhabungseinrichtung (2) und des Hammerbär-Antriebs (4) während der Bearbeitung auf Basis eines mathematischen Modells generiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine stationäre Hammermaschine als Bearbeitungswerkzeug (3) eingesetzt und das Werkstück (1) durch die Handhabungseinrichtung (2) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) stationär eingespannt und das Bearbeitungswerkzeug (3) mit der Handhabungseinrichtung ( 2) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine formungebundene Matrize (12) als Gegenhalter zum Formgebungselement (5) des Bearbeitungswerkzeugs (3) eingesetzt wird, an der das Werkstück (1) während der Bearbeitung anliegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine formgebundene Matrize (11) als Gegenelement zum Formgebungselement (5) des Bearbeitungswerkzeugs (3) eingesetzt wird, an der das Werkstück (1) während der Bearbeitung anliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) ohne Gegenhalter am Rand eingespannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Istform mit einer oder mehreren Abstandssensoren (18) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Istform mit zumindest einer Kamera (8) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Abweichung der Istform von der Sollform Bahnparameter, insbesondere ein Bahnverlauf oder eine Bahngeschwindigkeit, und/oder Parameter der Hammerbär-Antriebsbewegung, insbesondere eine Schlagfrequenz oder eine Schlagstärke, geändert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bahnparameter und/oder die Parameter der Hammerbär-Antriebsbewegung Grenzwerte vorgegeben werden, innerhalb derer die Änderungen durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass ein Bearbeitungswerkzeug (3) mit einem pneumatischen, elektromagnetischen oder elektromechanischen Hammerbär-Antrieb (4) eingesetzt wird.