DE10247301A1

DE10247301A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Blechformen und Härten

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Publication number: DE10247301A1
Application number: DE2002147301
Authority: DE
Inventors: Udo Brummelte
Original assignee: Brummelte & Lienen Werkzeugbau; Brummelte & Lienen Werkzeugbau GmbH
Current assignee: Brummelte & Lienen Werkzeugbau; Brummelte & Lienen Werkzeugbau GmbH
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-22

Abstract

Verfahren zum Verformen von einem Blechzuschnitt (P) aus härterem Stahl in einem Ziehpreßwerkzeug (2, 4), wobei ein Werkstück (W) mit im wesentlichen U-förmigem Querschnitt und mit einer Einprägung in dessen Grundbereich (WG) erzeugt wird, und zum Härten durch ein Glühen und ein nachfolgendes Abschrecken in einer Form, wobei der Blechzuschnitt (P) glühend erhitzt in das geöffnete Ziehpreßwerkzeug (2, 4) eingebracht wird und dort randseitig seitlich sowie frontseitig zu einem Tiefziehbereich (5) der Matrize (4) beabstandet gegen eine Tiefziehkraft (K) freiliegend abstützend gehalten wird, so daß der Blechzuschnitt (P) randseitig leicht abgekühlt durch die Tiefziehkraft (K) auf die Matrize (4) zuerst eingebeult sich zur Matrize (4) hin wölbt und danach in die Matrize (4) hineingedrückt wird und dann die entstandene Blechwölbung (B) gestaucht und geprägt wird, und dann das Werkstück (W) in dem Ziehpreßwerkzeug (2, 4) abgekühlt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verformen von einem Blechzuschnitt aus härterem Stahl in einem Ziehpreßwerkzeug, wobei ein Werkstück mit im wesentlichen U-förmigen Querschnitt und ggf. mit einer Einprägung und/oder Sicke in dessen Grundbereich erzeugt wird, und zum Härten und/oder Vergüten durch ein Glühen und ein nachfolgendes Abschrecken in einer Form.

Es ist bekannt, derartig geformte Werkstücke aus gehärtetem Stahl als Mittelträger oder Stoßfänger in Kraftfahrzeugen zu verwenden, da sie eine dreifach höhere Festigkeit als üblicher hochwertiger Stahl aufweisen. Die bisher übliche Formgebung findet im kalten Zustand des Bleches statt. Das Werkzeug besteht aus einem Stempel, der der Innenausformung des U-Querschnitts dient, einem diesen umgebenden Blechhalter und einer Ziehmatrize, die komplementär zum Stempel und dem Blechhalter ausgebildet ist. Die Ziehmatrize enthält in ihrem Grund die Prägeform und der Stempel das Pendant dazu. Beim Ziehvorgang wird das Blech randseitig mit dem Blechhalter mit einem Gegendruck gegen die Matrize gedrückt, solange die Matrize sich über den Stempel bewegt, wobei der Blechhalter in Führungen gleitend mit der Matrize mitläuft und das Blech nach und nach aus dieser Einspannung herausgezogen wird. Hierbei wird das Blech an den äußeren Kanten der Matrize beim Austritt aus dem Gegenhalter fortlaufend gekrümmt und anschließend wieder geglättet, was an der Matrize einen erheblichen Kantenverschluß erbringt, hohe Ziehenergie verbraucht und das Blechgefüge durch einseitige Überdehnung und anschließende Stauchung stark verzerrt und zu Riß- und Faltenbildung führen kann. Wenn die U-Form im wesentlichen fertig ist, beginnt der Prägevorgang, bei dem das im Grundbereich der U-Form befindliche Material gedehnt und dadurch in seiner Dicke reduziert wird. Nach dem Öffnen der Presse werden die sperrigen Ziehteile in einem Glühofen aufgeheizt und von diesem aus in ein Abkühlwerkzeug zum Abschrecken verbracht, das aus einem gekühlten Stempel und einer gekühlten Matrize besteht, die der Innen- bzw. Außenform des fertigen Werkstückes gemäß geformt sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Vorrichtung und das Verfahren zur Herstellung der gehärteten und gezogenen und geprägten Werkstücke zu vereinfachen, die Standfestigkeit der Vorrichtung zu verbessern und qualitativ bessere Werkstücke damit herzustellen.

Die Lösung besteht darin, daß der Blechzuschnitt glühend erhitzt in das geöffnete Ziehpreßwerkzeug eingebracht wird und dort randseitig seitlich sowie frontseitig zu einem Tiefziehbereich der Matrize beabstandet gegen eine Tiefziehkraft freiliegend abstützend gehalten wird, so daß der Blechzuschnitt randseitig leicht abgekühlt durch die Tiefziehkraft auf die Matrize zu zuerst eingebeult sich zur Matrize hin wölbt, und danach in die Matrize hineingedrückt wird und dann die entstandene Blechwölbung gestaucht und geprägt wird, und dann das Werkstück in dem Ziehpreßwerkzeug abgekühlt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Ein geeignetes Werkzeug und das nach dem Verfahren hergestellte Werkstück sind in Nebenansprüchen angegeben.

Vorzugsweise wird die Tiefziehkraft von einem Stempel aufgebracht. Es kann jedoch auch ein Unterdruck in der Matrize genutzt werden.

Das Verfahren benötigt somit zu seiner Durchführung nur einen Glühofen und ein einziges zweiteiliges Werkzeug, in dem das Ziehen der Werkstückflanken, das Prägen des Werkstückgrundes und bedarfsweise auch der Flanken, also die gesamte Formgebung und da Abkühlen, also das Härten, erfolgt. Es entfällt somit ein vollständiges Werkzeug mit einem beweglichen Niederhalter, sowie die Schritte der Beschickung und Entnahme daraus. Auch ist die Raumausnutzung und Beschickung des Glühofens wesentlich verbessert, da ebene Blechplatinen dort aufgeheizt werden anstatt räumlich sperriger Werkstücke.

Das glühende Material läßt sich leichter verformen. Durch die vom Rand des Blechzuschnittes beginnende Abkühlung wird ein Beulvorgang eingeleitet, der die Tiefziehverformung unterstützt. Da der Rand des Bleches nur matrizenseitig gegen den Stempel abgestützt und nicht eingeklemmt ist, entfällt eine Hin- und Rückkrümmung des Bleches, so daß die Entstehung von Rissen und Falte im Blech vermieden wird und die Kanten des statischen Randhalters sich kaum abnutzen und keine Riefen darin entstehen, die wiederum im Blech unerwünschte Riefen erzeugen würden.

Da sich das Blech beim Eindrücken in die Matrize durch seine Spannung vor dem Stempel aufwölbt, besteht vor dem Prägen dort ein nützlicher Materialüberschuß, der den geprägten Grund des Werkstückes durch Stauchung verstärkt.

Vorteilhaft kann der Zuschnitt des Bleches mit einem randseitigen Überstand über das U-Profil hinaus versehen sein, der zwischen einem Randbereich des Stempels und der den U-Bereich umgebenden Matrizenbereich seitlich als Kragen ausgeformt wird.

Der U-Querschnitt kann bevorzugt, wie bei den bekannten Werkstücken, die in der Kfz-Technik Verwendung finden, in der Erstreckungsrichtung des Werkstückes unterschiedlich tief, unterschiedlich weit, gerundet und/oder mit trapezförmigen, seitlich divergierenden Flanken ausgebildet sein. Auch eine endseitige Verflachung, Aufstellung oder Nuteinprägung des Werkstückes sind durch entsprechende Gestaltung der Matrize und des Stempels ohne weiteres im gleichen Schritt herstellbar. Ausnehmungen, die beispielsweise zur späteren Befestigung dienen, werden bevorzugt in die Blechplatine eingebracht. Sie können aber in Sonderfällen auch in das gehärtete Werkstück mit einem Laser ausgeschnitten werden. Gesamtwirtschaftlich gesehen sinken die Herstellkosten der gehärteten Werkstücke auf ca. 30% der bisherigen.

Vorzugsweise wird die Matrize unten und der Stempel oben in der Presse angeordnet. Als Randauflagen für den Blechzuschnitt dienen auswechselbare Einsätze, die beabstandet den Ziehbereich der Matrize umgeben und überragen. Die Kanten der Randauflagen, über die das glühende Blech gezogen wird, sind vorzugsweise abgerundet, so daß der Verschleiß minimiert ist. Zweckmäßig wird die Randauflage aus einem gegenüber dem Blech weicheren Opfermetall, z.B. Kupfer oder Messing, hergestellt, wodurch der Ziehvorgang erleichtert und das Blech geschont wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den 1 – 3 dargestellt.
1 zeigt einen Werkzeugquerschnitt nach Einführung der Blechplatine;
2 zeigt den Werkzeugquerschnitt nach dem Einbeulen der Platine,
3 zeigt den Querschnitt des Werkzeugs nach dem Ziehen und Prägen beim Abkühlen des Werkstückes.
1 zeigt das Zieh-Prägewerkzeug 1 zwischen dessen Stempel 2 und Platinenauflager 3, das in der Matrize 4, den Tiefziehbereich 5 umgebend und diesem gegenüber stehend angeordnet ist, eine glühende Blechplatine P eingelegt und randseitig gehalten ist. Das Platinenauflager 3 ist wie das ganze Werkzeug 2, 4 gekühlt, so daß das Blech an seinen Berührungsbereichen bereits abgekühlt wird.
2 zeigt den Zustand des Werkzeuges nach einer Teilabsenkung des Stempels 2, wodurch die Platine P1 eingebeult vorgeformt ist. Sie erstreckt sich seitlich von den Kanten 30 des Platinenauflagers 3 und über die Frontkanten 20 des Stempels 2, vor dem sich eine Beule B ausbildet.
3 zeigt den geschlossenen Werkzeugzustand, in dem das auf der Platine gezogene und geprägte Werkstück W seine endgültige Form zwischen dem Stempel 2 und dem Tiefziehbereich 5 der Matrize 4 erhalten hat und durch Abkühlen gehärtet wird.
Die durchgebogene Platine P1 hat randseitig zwischen den Ziehphasen in 2 und 3 das Platinenauflager 3 verlassen und ist in der Endphase des Ziehens und Pressens zwischen einem sich seitlich erstreckenden Stempelrand 21 und der dazu parallelen Matrizenoberfläche 41 als verstärkender Randbereich von dem trapezförmigen U-Profil des Werkstückes W seitlich abgebogen.
Im Grundbereich WG des Werkstückes W ist eine Einprägung durch einen dortigen Vorsprung 42 in der Matrize 4 und eine dazu komplementäre Nut 22 im Stempel 2 erzeugt, indem die Beule B, 2, dort hinein zusammengestaucht worden ist.
Vorzugsweise ist in der Matrize 4 am Grundbereich WG ein Auswerfer 44 vertikal verschieblich angeordnet, der unten auf einer Grundplatte 7 beim Zieh- und Preßvorgang abgestützt ruht und nach dem Abkühlen des Werkstückes W mit einem Hubmittel 8 angehoben wird.
Der dargestellte Form- bzw. Werkstückquerschnitt ist beispielhaft. Da die Verformung im warmen Zustand des Bleches erfolgt, können auch andere Formen, z.B. mit steileren Flanken, erzeugt werden, als bei der Kaltpreßtechnik bisher ohne Materialzerstörung möglich waren. Insbesondere lassen sich auch Kästen und Wannen sowie mehrdimensional gekrümmte Bauteile mit der neuartigen Technologie herstellen.
Wegen der enormen Kostensenkung lassen sich ganz neue Anwendungsgebiete für die leichten, höchstfesten gehärteten Stahlblechbauteile erschließen, was insbesondere für die Herstellung Brennstoff sparender Kraftfahrzeuge von Bedeutung ist. Solche warmgeformte Strukturteile sind beispielsweise Türaufprallträger, Stoßfänger, A-Säulen, B-Säulen, Dachrahmen.
Auf dem Platinenauflager 3 erfolgt durch die Tiefziehkraft K eine weitgehende Vorverformung und erst in der letzten Phase des Pressens erfolgt eine Endformung in der Matrize 4, so daß eine Abkühlung erst danach eintritt.
Es ist in einer Variante des Verfahrens auch möglich, statt mit einem Stempel 2 oder zusätzlich dazu durch Unterdruck V die Platine P, P1 in die Matrize hineinzuziehen. Insbesondere das Vorformen bei der Auflage auf dem Platinenauflager 3 kann durch Vakuumbeaufschlagung erfolgen, wobei das Platinenzentrum solange noch nicht mit dem kalten Stempel 2 in Berührung kommt.
Da die meisten Strukturbleche in der Seitenansicht, also quer zu den Figurenansichten, unterschiedliche Höhen haben, d.h. wenn der Stempelboden und die Flanschfläche unterschiedliche Höhen aufweisen, gibt man dementsprechend dem Auflager 3 die gleiche Höhenprofilierung, wie der Stempelboden hat, damit sich das warme Blech gleichzeitig und gleichmäßig um den Stempel legen kann und so Blechdoppelungen vermieden werden.
Das Opfermetall des Auflagers 3 hat einen möglichst großen materialschonenden Radius an seiner Kante 30 zur Werkzeugmitte hin und kann aus dem Vollen gefräst werden. Es kann als Austauschsegmente aufgeteilt, aufgeschraubt oder in eine Nut locker eingesetzt werden. Das Opfermaterial kann gehärteter Stahl, Messing, Rotguß, Ampco oder ähnliches Material sein.
Durch die Anwendung des neuen Verfahrens entsteht ein tiefgezogenes und gehärtetes Werkstück W aus Stahl, mit etwa U-förmigem Querschnitt, dessen seitliche Flanken keine merklichen Ziehriefen und keine Materialschwächung aufweisen und dessen Grundbereich WG eine Materialverdickung und -verdichtung oder dessen verdickter und verdichteter Grundbereich WG eine Prägung aufweist.

1: Zieh-Prägewerkzeug (Umformwerkzeug)
2: Stempel
3: Platinenauflager
4: Matrize
5: Tiefziehbereich von 4
7: Grundplatte
8: Hubmittel
20: Kante an 2
21: Stempelrand
22: Prägenut
30: Ziehkante an 3
41: Matrizenrand
42: Prägevorsprung
44: Auswerfer
P: Platine warm (Blechzuschnitt)
P1: Platine vorgeformt
B: Beule von P1 vor 2
K: Tiefziehkraft
W: Werkstück
WG: Werkstückgrundbereich
WR: Werkstückrandbereich
V: Vakuum

Claims

Verfahren zum Verformen von einem Blechzuschnitt (P) aus härterem Stahl in einem Ziehpreßwerkzeug (2, 4), wobei ein Werkstück (W) mit im wesentlichen U-förmigen Querschnitt und ggf. mit einer Einprägung und/oder Sicke in dessen Grundbereich (WG) erzeugt wird, und zum Härten und/oder Vergüten durch ein Glühen und ein nachfolgendes Abschrecken in einer Form, dadurch gekennzeichnet, daß der der Blechzuschnitt (P) glühend erhitzt in das geöffnete Ziehpreßwerkzeug (2, 4) eingebracht wird und dort randseitig seitlich sowie frontseitig zu einem Tiefziehbereich (5) der Matrize (4) beabstandet gegen eine Tiefziehkraft (K) freiliegend abstützend gehalten wird, so daß der Blechzuschnitt (P) randseitig leicht abgekühlt durch die Tiefziehkraft (K) auf die Matrize (4) zu zuerst eingebeult sich zur Matrize (4) hin wölbt, und danach in die Matrize (4) hineingedrückt wird und dann die entstandene Blechwölbung (B) gestaucht und geprägt wird, und dann das Werkstück (W) in dem Ziehpreßwerkzeug (2, 4) abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefziehkraft (K) durch einen Stempel (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefziehkraft (K) zumindest zeitweilig oder teilweise durch ein matrizenseitiges Vakuum (V) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (W) nach dem Härten mit einem Auswerfer (44) aus der Matrize (4) herausgedrückt wird, der während der Einwirkung der Tiefziehkraft (K) auf einer Grundplatte (7), die die Matrize (4) trägt, abgestützt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (2) mindestens eine Prägenut (22) über einen dazu passenden Prägevorsprung (42) der Matrize (4) drückt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstückrandbereich (WR) zwischen einem sich seitlich erstreckenden Stempelrand (21) und einem dazu parallelen Matrizenrand (41) beim Prägen von dem U-förmigen Querschnitt des Werkstückes (W) abgewinkelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechzuschnitt (P) über eine abgerundete Kante (30) des Platinenauflagers (3) in die gewölbte Form (P1) vorgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Platinenauflager (3) mit seiner Auflagerfläche jeweils annähernd gleich beabstandet zu einem Boden des Tiefziehbereiches (5) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Querschnitt des Werkzeuges (2, 4) unterschiedlich weit, tief und/oder profiliert ausgebildet ist.
Werkzeug zum Ziehen und Prägen von härtbarem Stahl mit einer Matrize (4) mit einem etwa U-förmig im Querschnitt ausgebildeten Tiefziehbereich (5) und einem Auflager für einen Blechzuschnitt (P), den eine Tiefziehkraft (K) in den Tiefziehbereich (5) drückt, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (W) zwecks Abkühlung und Härtung des jeweils glühend eingebrachten Blechzuschnittes (P) gekühlt ist und der Tiefziehbereich (5) von einem Platinenauflager (3) seitlich und frontseitig beabstandet umgeben ist, so daß der Blechzuschnitt (P) in den Tiefziehbereich (5) hinein ausbeulend vorgeformt annähernd dessen Querschnitt erhält, bevor er diesen sich abkühlend berührt.
Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zur Matrize (4) ein zu dieser passender Stempel (2) verschieblich angeordnet ist, der die Tiefziehkraft (K) zumindest teilweise aufbringt.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefziehbereich (5) steuerbar mit einem Vakuum (V) verbindbar ist, das zumindest teilweise die Tiefziehkraft (K) erbringt.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Querschnitt des Tiefziehbereiches (5) annähernd trapezförmig mit divergierenden Flanken ausgebildet ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (2) seitlich und/oder frontseitig mindestens eine Prägenut (22) und der Tiefziehbereich dazu jeweils einen Prägevorsprung (42) aufweisen.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (2) einen seitlichen Stempelrand (21) und die Matrize (4) dazu parallel einen Matrizenrand (41) zum Pressen eines seitlichen Werkstückrandbereiches (WR) aufweisen.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Tiefziehbereich (5) bodenseitig ein Auswerfer (44) angeordnet ist, der mit einem Hubmittel (8) in Wirkverbindung steht.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Platinenauflager (3) lösbar in der Matrize (4) frontseitig angeordnet ist.
Werkzeug nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Platinenauflager (3) aus einem gleitfähigen Material, wie Messing, Rotguß, Ampco, hergestellt ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Platinenauflager (3) eine abgerundete Ziehkante (30) zum Tiefziehbereich (5) hin aufweist.
Tiefgezogenes und gehärtetes Werkstück (W) aus Stahl, mit etwa U-förmigem Querschnitt, dessen seitliche Flanken keine merklichen Ziehriefen und keine Materialschwächung aufweisen und dessen Grundbereich (WG) eine Materialverdickung und -verdichtung aufweist.
Tiefgezogenes und gehärtetes Werkstück (W) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der verdickte und verdichtete Grundbereich (WG) eine Prägung aufweist.