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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten
Umformung von dünnwandigen
Werkstücken,
bei dem das Werkstück
zur Umformung einer hämmernden
Bearbeitung mit einem formungebundenen Bearbeitungswerkzeug unterzogen wird.
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Ein
bevorzugtes technisches Anwendungsgebiet des Verfahrens ist die
Herstellung von Prototypen bzw. Fertigprodukten aus plastisch verformbaren Werkstoffen,
die als dünnwandige
Werkstücke
vorliegen.
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Stand der Technik
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Grundsätzlich können Fertigungsprozesse
in substraktive, additive und formative Prozesse eingeteilt werden.
Substraktive 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.
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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.
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Dünnwandige
Werkstücke
aus plastisch verformbaren Werkstoffen, insbesondere Bleche, werden
bislang vor allem durch einfaches Streckziehen oder Tangentialstreckziehen
in die gewünschte
Form gebracht. Auf Grund der hohen, während dieser Umformprozesse
auftretenden Kräfte
werden für
die vorgenannten Umformprozesse Werkzeugmaschinen eingesetzt, die
häufig
mit hohen Investitionen verbunden sind.
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Beim
einfachen Streckziehen werden die zu verformenden Werkstücke an zwei
gegenüberliegenden
Seiten fest eingespannt. Die Umformung erfolgt durch Verfahren eines
Stempels, durch den die gewünschte
Form in das Werkstück
hineingedrückt wird.
Die Reibung zwischen Stempel und Werkstück verhindert bei diesem Umformverfahren
allerdings eine gleichmäßige Verteilung
der Dehnungen über das
Bauteil.
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Im
Gegensatz hierzu ermöglicht
das sog. Tangentialstreckziehen eine gleichmäßige Verteilung der Dehnungen über das
Werkstück
und gleichzeitig eine höhere
Umformung im Mittenbereich. Das Werkstück wird an zwei gegenüberliegenden
Seiten in vertikal und horizontal verfahrbare Spannzangen eingespannt
und mit diesen vorgespannt bis eine plastische Dehnung im Werkstück erreicht
worden ist. Anschließend
wird das Werkstück
unter Beibehaltung der Vorspannung mit den Spannzangen gegen den Stempel
bewegt und durch Verfahren des Stempels oder der Spannzangen die
gewünschte
Endform hergestellt.
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Beispielhafte
Einsatzbereiche der vorgenannten Verfahren 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 Designprodukten
oder Kunstgegenständen.
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Durch
einen seit längerer
Zeit anhaltenden stetigen Trend zu immer komplexeren Bauteilgeometrien
in der Blechteilefertigung bei gleichzeitig deutlich abnehmenden
Losgrößen sind
den Einsatzmöglichkeiten
der konventionellen Blechumformverfahren immer häufiger klare Grenzen gesetzt,
da der Anteil der Werkzeugkosten an den Gesamtkosten überproportional
hoch ist. 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.
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In
den letzten Jahren wurden daher zunehmend flexible Blechumformverfahren
entwickelt und hinsichtlich ihrer Einsatzpotenziale zur wirtschaftlichen
Formgebung komplexer Bauteile untersucht. Die Flexibilität eines Blechumformverfahrens
ist dabei umso größer, je
geringer die Werkzeugbindung an die Endform der Produkte bzw. je
unvollständiger der
Formzwang während
der Umformung ist. Eine Beseitigung der Werkzeugbindung wird durch
das Kugelstrahl-, das Schockwellen- und das Laserstrahlumformen
erzielt. Das Laserstrahlumformen, das sich aus dem Flammrichten
weiterentwickelt hat, arbeitet mit thermischen Spannungen. Beim
Kugelstrahl- und
Schockwellenumformen handelt es sich um eine flexible Umformung
durch Impulsübertragung.
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So
ist bspw. aus einer Broschüre
des Kugelstrahlzentrums Aachen ein Verfahren zum Kugelstrahlumformen
von Blechen bekannt, bei dem eine große Zahl von Stahlkugeln mit
Durchmessern von 2 – 10
mm strahlförmig
auf das Werkstück
geschossen und das Werkstück
durch die Impulsübertragung
umgeformt wird. Eine Variation der Strahlintensität sowie die
Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungswerkzeug
lassen sich mit diesem Verfahren nahezu beliebige Werkstückgeometrien erzeugen.
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Ein
anderes Verfahren zum flexiblen Erzeugen annähernd beliebiger Geometrien
ist aus der nachveröffentlichten
DE 102 31 430 bekannt.
Bei diesem Verfahren wird ein dünnwandiges
Werkstück, insbesondere
ein Blech, mit Hilfe eines aktiven Formgebungswerkzeuges in eine
Gegenform gehämmert. Während der
Bearbeitung werden das Bearbeitungswerkzeug und das Werkstück relativ
zueinander mit einer Handhabungseinrichtung bewegt. Bei einer speziellen
Ausführungsform
erfolgt die Umformung, in dem das Werkstück an zwei gegenüberliegenden Seiten
fest eingespannt wird und das Bearbeitungswerkzeug das Blech in
eine unterhalb des Werkstücks
befindliche Gegenform hinein hämmert.
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Aus
der
DE 36 23 036 A1 ist
eine Vorrichtung zur automatischen Herstellung eines eine scharfe Schneidkante
aufweisenden Stanzwerkzeugs bekannt, die ein formgebundenes Hämmer-Werkzeug mit
einer ersten Antriebsvorrichtung zur selbsttätigen Hin- und Herbewegung
des Hämmer-Werkzeugs
in Richtung einer Auflage für
das Stanzwerkzeug sowie weitere Antriebsvorrichtungen zur selbsttätigen Führung des
Hämmer-Werkzeugs am zu bearbeitenden Grat
des Stanzwerkzeugs aufweist. Durch den automatischen Hämmervorgang
kann ein zum Stanzen dünner
Papierbahnen oder Kunststoff-Folien
unbrauchbarer Grat des Stanzwerkzeugs mit einer sehr scharfen Schneidkante
versehen werden. Es handelt sich hierbei um ein Verfahren zur Massivumformung.
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Ausgehend
von dem bekannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, ein Verfahren zur automatisierten Umformung von
dünnwandigen
Werkstücken
anzugeben, das flexibel einsetzbar ist und mit dem unter Einsatz kostengünstiger
Mittel und mit verhältnismäßig geringem
konstruktivem Aufwand dünnwandige
Werkstücke
beliebiger Geometrie gefomt werden können.
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Darstellung der Erfindung
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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.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren zur automatischen Umformung von dünnwandigen
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 Hammer-Bär-Antrieb
hämmernd
gegen das Werkstück
gestoßen
wird, wobei das Werkstück
vollumfänglich
an Seitenkanten eingespannt wird.
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Zum
inkrementellen Umformen eines dünnwandigen
Werkstücks
mit Hilfe der vorliegenden hämmernden
Bearbeitung wird das Werkstück
vollumfänglich
auf einem Spanntisch mit Aussparung mit Hilfe eines Niederhalters
eingespannt. Das Werkstück
wird hierfür
an seinem äußeren Rand
gegen eine Anschlagfläche
des Spanntisches gepresst. Sobald der Spannvorgang, der manuell
oder automatisiert abläuft,
abgeschlossen ist, wird das Werkstück in Bearbeitungsrichtung
in eine im Spanntisch vorgesehene Aussparung verformt, ohne eine
formgebundene Matrize einzusetzen, in die das dünnwandige Werkstück hinein
gehämmert
wird. Vielmehr wird die mit dem Umformprozess herzustellende, geometrische
Form alleine unter Zugrundelegung eines Vergleichs zwischen einer
Ist-Form und einer Soll-Form des Werkstücks und/oder in Abhängigkeit
eines Spannungsverlaufes innerhalb des Werkstücks geregelt.
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Mit
dem vorbeschriebenen Verfahren ist es somit auf einfache Weise möglich, mit
Hilfe einer Handhabungseinrichtung, wie bspw. einem Robotersystem,
mit formungebundenen, flexibel einsetzbaren Umformwerkzeugen dünnwandige
Werkstücke aus
plastisch verformbaren Werkstoffen derart umzuformen, dass Fertigprodukte
mit definierter Geometrie bzw. bestimmten Freiformflächen herstellbar
sind. Besondere Vorteile des Verfahrens, das ohne den Einsatz formgebundener
Gegenformen durchgeführt wird,
sind der geringe Investitionsbedarf, die flexible Herstellung von
Prototypen, die wirtschaftliche Fertigung kleiner Losgrößen, ein
praktisch unbegrenztes Bearbeitungsvolumen sowie ein verbessertes
Verhältnis
von Arbeitsraum zu Bauraum der Produktionsanlage.
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Der
Einsatz einer Handhabungseinrichtung für das Umformverfahren wird
insbesondere durch die hämmernde
Umformung des Blechs ermöglicht, da
die Umformkräfte
vom Hammerwerkzeug und nicht von der Handhabungseinrichtung selbst
aufgebracht werden. Auf die Handhabungseinrichtung wirken somit
lediglich die Gewichtskraft des Werkzeugs sowie die Kraft zum Beschleunigen
des Hammer-Bären.
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Während der
Umformung eines dünnwandigen
Werkstücks
mit der vorliegenden hämmernden Bearbeitung
werden in Bearbeitungsrichtung vorzugsweise Zustellungen von 0,1
bis 0,2 mm verwendet. Die Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit ist
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
auf vorteilhafte Weise durch eine Vergrößerung der Zustellung des Bearbeitungswerkzeugs
in Bearbeitungsrichtung erzielbar.
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Vorzugsweise
wird während
der hämmernden
Umformung ein Verlauf der Bahn, auf der das Bearbeitungswerkzeug
bewegt wird, unter Zugrundelegung eines Vergleichs zwischen einer
Ist-Form und einer Soll-Form des Werkstücks und/oder in Abhängigkeit
eines Spannungsverlaufes innerhalb des Werkstücks geregelt. Alternativ ist
es aber auch möglich,
den gesamten Umformprozess im Vorfeld zu simulieren und anschließend die
hämmernde
Umformung unter Zugrundelegung der Simulationsergebnisse zu steuern.
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In
einer besonderen Ausführungsform
des Verfahrens sind auf dem Formgebungselement des Bearbeitungswerkzeuges
Oberflächenkonturen
vorgesehen, so dass auf Grund der hämmernden Umformung des Werkstücks neben
der Herstellung von Makrostrukturen mit jedem Hammerschlag auf der dem
Bearbeitungswerkzeug zugewandten Werkstückoberfläche gleichzeitig Mikro-Oberflächenstrukturen
erzeugbar sind. Derartige Mikro-Oberflächenstrukturen
werden bspw. erzeugt, um auf diese Weise Einfluss auf den Strömungswiderstand
des Endprodukts, bspw. eines Bauteils für den Flugzeugbau, zu nehmen.
Vorzugsweise wird das Formgebungselement derart gewählt, dass
sich Mikrostrukturen, wie bspw. eine Haifischhaut, auf der Werkstückoberfläche realisieren
lassen.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass das Werkstück
derart vollumfänglich
an seinen Seitenkanten auf einem Spanntisch eingespannt wird, dass
das Werkstück
auf der dem Bearbeitungswerkzeug abgewandten Seite teilweise ein
abgeschlossenes Volumen begrenzt. In das von der Werkstückunterseite begrenzte
Volumen wird vorzugsweise ein Medium eingebracht, durch das eine
formvariable Gegenform realisierbar ist, die während des gesamten Umformprozesses
mit der Rückseite
des bearbeiteten Werkstücks
in Berührung
steht. Das in das Volumen eingebrachte Medium sorgt auf diese Weise
für eine
Stützung
des Werkstücks
während
der Umformung und verhindert eine Umformung des Werkstücks an den hierfür nicht
vorgesehenen Stellen. Im Laufe des Umformungsprozesses wird das
in dem abgeschlossenen Volumen direkt unterhalb des Werkstückes befindliche
Medium verdrängt
und entweder komprimiert oder teilweise in einen Ausgleichsbehälter abgeleitet.
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In
diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, für die formvariable
Gegenform eine Flüssigkeit
zu verwenden. Als Flüssigkeiten
werden entweder Öle,
die unter Druck gegen das dünnwandige Werkstück gepresst
werden, oder spezielle Flüssigkeiten,
die bei kurzer Druckbelastung oder bei angelegter elektrischer Spannung
momentan erstarren und so einen Gegenhalt bieten, verwendet. In
jedem Fall ist darauf zu achten, dass ein unter Druck stehendes
Medium das zu verformende Werkstück
auf Grund der Druckbelastung nicht plastisch entgegen der Bearbeitungsrichtung
des Bearbeitungswerkzeugs verformt. Mit Hilfe einer formvariablen
Gegenform, die von einer Flüssigkeit
gebildet wird, ist auf vorteilhafte Weise sichergestellt, dass das
Werkstück ausschließlich lokal
in dem Bereich verformt wird, in dem das Formgebungselement des
Bearbeitungswerkzeugs mit der Werkstückoberfläche in Kontakt tritt.
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Im
Gegensatz zu Flüssigkeiten,
die unter Druck stehen, und bei denen der Gegendruck stets vorhanden
ist, baut sich der Gegendruck bei Flüssigkeiten, die unter einer
kurzen Druckbelastung erstarren, nur während eines impulsartigen Umformvorgangs
aus. Der Gegendruck einer solchen Flüssigkeit steigt dabei mit zunehmender
Umformgeschwindigkeit, d. h. je schneller das Formgebungswerkzeug das
dünnwandige
Werkstück
umformt, desto stärker erstarrt
die Flüssigkeit.
Derartige Flüssigkeiten
sind daher auf besonders vorteilhafte Weise für Hammer geführte Umformprozesse
geeignet.
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Alternativ
zu der vorgenannten Flüssigkeit, können auch
Flüssigkeiten,
die bei Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines magnetischen Feldes
erstarren, für
eine flexible Gegenform eingesetzt werden. Vorteilhaft bei der Verwendung
der bei angelegter elektrischer Spannung bzw. magnetischem Feld
erstarrenden Flüssigkeiten
ist, dass der Zeitpunkt und/oder der Zeitraum der Erstarrung frei einstellbar
ist und somit unter Berücksichtigung
prozessspezifischer Parameter wählbar
ist.
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Neben
der Unterstützung
des lokalen Umformprozesses, wird durch den Einsatz formvariabler Gegenformen
auch die durch den Umformprozess verursachte Lärmemission vermindert. Diese
Verminderung der Lärmemission
ist darauf zurück
zu führen,
dass das dünnwandige
Werkstück
durch den Kontakt mit dem Medium nicht frei schwingen kann.
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Alternativ
zu den vorgenannten Medien ist es selbstverständlich auch denkbar, andere
Wirkmedien, wie unter Druck stehende Gase, Sand oder Stahlkugeln
zur Realisierung einer formvariablen Gegenform einzusetzen. Darüber hinaus
wird vorzugsweise zwischen Werkstück und für die formvariable Gegenform
verwendetem Medium eine elastische Membran bspw. aus Gummi, eingespannt,
um das dünnwandige
Werkstück
vor Beschädigungen
zu schützen.
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Darüber hinaus
ist es für
die Herstellung spezieller Formen, vorteilhaft, auf einer dem Bearbeitungswerkzeug
gegenüber
liegenden Seite des Werkstücks
wenigstens ein Stützelement
vorzusehen, das, zumindest in einem Endstadium der Umformung, derart
mit dem Werkstück
in Berührung
gebracht wird, dass zum Bearbeitungswerkzeug hin erhabene Strukturen,
wie etwa Kanten und/oder Wölbungen,
erzeugt werden. Mit Hilfe des vorbeschriebenen Stützelementes
ist es somit möglich,
Freiformflächen
mit einem oder mehreren, dem Bearbeitungswerkzeug zugewandten Spitzen,
Kanten oder Plateaus, also quasi lokalen Maxima, herzustellen.
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In
einer weiteren besonderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Werkstück
zumindest lokal vorgespannt. Auf diese Weise werden ebenfalls die
während
eines Umformprozesses auftretenden Lärmemissionen reduziert, da
Werkstückschwingungen
verringert werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
sieht die Verwendung von Schablonen vor, die derart auf der dem Bearbeitungswerkzeug
zu- und/oder abgewandten Seite des Werkstücks angeordnet sind, dass diese Schablonen
das Werkstück
während
der Bearbeitung zumindest teilweise berühren. Vorzugsweise stehen die
Schablonen derart mit dem Niederhalter in Wirkverbindung, dass während das
Werkstück
mit Hilfe des Niederhalters auf den Spanntisch gespannt wird, auch
die Schablonen gegen das Werkstück
gepresst werden. Durch die Verwendung der vorbeschriebenen Schablonen
werden zum einen ebenfalls Lärmemissionen
vermindert, zum anderen stellen derartige Schablonen sicher, dass
das dünnwandige
Werkstück
lediglich in den Bereichen umgeformt wird, die für eine Bearbeitung vorgesehen
sind.
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Die
Umformung des Werkstücks
erfolgt mit Hilfe eines an dem Bearbeitungswerkzeug vorgesehenen
Formgebungselementes. Für
das Formgebungselement sind sowohl symmetrische als auch asymmetrische
Gestaltungen denkbar. Ferner ist es denkbar, das Formgebungselement
sowohl aus einem einzelnen Werkstoff als auch aus einer Kombination
verschiedener Werkstoffe herzustellen. In einer besonders geeigneten
Weiterbildung ist das Formgebungselement derart aus einer Kombination unterschiedlicher
Werkstoffe aufgebaut, dass wenigstens zwei Bereiche des Formgebungselementes verschiedene
Härten
aufweisen. Auf diese Weise sind mit einem Arbeitshub des Werkzeugs,
während des
in Kontakttretens des Formgebungselementes mit der zu bearbeitenden
Werkstückoberfläche, unterschiedliche
Eindringtiefen im Werkstück
erzeugbar. In diesem Zusammenhang ist es etwa denkbar, für einen
ersten Bereich des Formgebungselementes ein gummiartiges Material
zu wählen,
während
ein zweiter Bereich vorzugsweise aus Stahl besteht. Trifft ein derart
ausgebildetes Formgebungselement nunmehr auf die Oberfläche des
umzuformenden, dünnwandigen
Werkstücks,
so verhält
sich der gummiartige Bereich elastischer als der Stahl, so dass
mit einem Arbeitshub des Bearbeitungswerkzeugs Bereiche, die jeweils
eine unterschiedliche Eindringtiefe innerhalb des Werkstücks aufweisen,
erzeugt werden.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, den Anstellwinkel
des Bearbeitungswerkzeuges bzw. des Formgebungselementes gegenüber dem
Werkstück
unter Zugrundelegung eines Vergleichs zwischen einer Ist-Form und
einer Soll-Form des Werkstücks
und/oder in Abhängigkeit
eines Spannungsverlaufes innerhalb des Werkstücks zu variieren. Durch eine
Variation des Anstellwinkels des Bearbeitungswerkzeugs während eines
Umformprozesses sind auf besonders geeignete Weise auch komplizierte
geometrische, vorzugsweise asymmetrische Formen, herstellbar.
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Von
entscheidender Bedeutung für
die Qualität
des Umformprozesses ist es, dass eine Regelungseinheit die Bahn
des von der Handhabungseinrichtung geführten Bearbeitungswerkzeugs
unter Zugrundelegung eines Vergleichs zwischen einer Ist-Form und
einer Soll-Form des Werkstücks und/oder
in Abhängigkeit
eines Spannungsverlaufes innerhalb des Werkstückes regelt. Vorzugsweise erfolgt
die hämmernde
Bearbeitung des dünnwandigen Werkstücks unter
Berücksichtigung
der Größe der Aussparung
im Spanntisch auf einer geschlossenen Bahn von außen nach
innen oder von innen nach außen.
Die Richtung, in der die einzelnen Bahnen abgefahren werden, wird
hierbei entweder konstant gewählt
oder verändert.
Darüber
hinaus ist es denkbar, dass das Bearbeitungswerkzeug auf einer einzigen, zusammenhängenden
Spiralbahn von außen
nach innen bzw. von innen nach außen bewegt wird.
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In
einer weiteren besonderen Ausführungsform
wird das Bearbeitungswerkzeug auf Bewegungsbahnen, die parallel
zu den jeweils benachbarten Seitenkanten der Aussparung im Spanntisch
verlaufen, bewegt. Die gewünschte
Soll-Form des Werkstücks
wird wahlweise nach einmaligem Abfahren der entsprechenden Bahnkurve
oder nach mehrmaligem Abfahren dieser Bahnkurve erzielt.
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Eine
weitere besondere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, bei Vorhandensein einer kreisrunden bzw. elliptischen Aussparung
im Spanntisch das Bearbeitungswerkzeug während der Umformung sternförmig relativ zum
Werkstück
zu verfahren. Auch in diesem Fall kann die Richtung, in der die
einzelnen Bahnen abgefahren werden, stets die selbe sein oder sich ändern. Vorzugsweise
wird die Soll-Form des Werkstücks erst
nach mehrmaligem Abfahren der einzelnen Bahnkurven erreicht.
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Figuren nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
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1 Prinzipdarstellung des
vorliegenden Verfahrens zur automatisierten Umformung von Werkstücken;
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2 Aufspannung eines dünnwandigen Werkstücks mit
bzw. ohne Vorspannung;
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3 Aufspannung eines dünnwandigen Werkstücks mit
Schablonen;
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4 Prinzipdarstellung des
vorliegenden Verfahrens zur automatisierten Umformung von Werkstücken mit
integrierter Prozessüberwachung;
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5 Darstellung des vorliegenden
Verfahrens zur automatisierten Umformung von Werkstücken mit
formvariabler Gegenform;
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6 Gegenüberstellung der Auswirkungen einer
punktuellen Krafteinwirkung auf ein eingespanntes Werkstück mit bzw.
ohne formvariabler Gegenform;
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7 Darstellung der Bahnstrategie
mit mehreren in sich geschlossenen Bahnkurven;
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8 Darstellung der Bahnstrategie
mit einer Vielzahl einzelner Bahnkurven;
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9 Ablaufschema des vorliegenden
Verfahrens zur Herstellung symmetrischer Werkstücke;
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10 Ablaufschema des vorliegenden
Verfahrens zur Herstellung von Werkstücken komplexer Geometrie;
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11 Herstellung eines symmetrischen Formkörpers mit
in Richtung des Bearbeitungswerkzeugs ausgebildeten Strukturen;
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12 Herstellung eines asymmetrischen Formkörpers mit
in Richtung des Bearbeitungswerkzeugs ausgebildeten Strukturen.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung
des vorliegenden Verfahrens zur automatisierten Umformung eines
Werkstückes 1.
Das Werkstück 1 ist
vollumfänglich
an den Seitenrändern
auf einem Spanntisch 6 aufgespannt. Innerhalb des Spanntisches 6 ist ein
Hohlraum 17 vorgesehen, in den das dünnwandige Werkstück 1 während einer
Bearbeitung durch ein Bearbeitungswerkzeug 3 hinein verformt
wird. Das Bearbeitungswerkzeug 3 ist an einer Handhabungseinrichtung 2 befestigt
und wird durch diese auf einer vorgegebenen Bahn relativ zum Werkstück 1 geführt. Während das
Bearbeitungswerkzeug 3 auf einer Bahnkurve relativ zum
Werkstück 1 bewegt
wird, stößt ein mit
einem Hammer-Bär-Antrieb 5 angetriebenes
Formgebungselement 4 des Bearbeitungswerkzeugs 3 hämmernd gegen
das Werkstück 1.
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Sowohl
das Verfahren als auch die Zustellung des Bearbeitungswerkzeugs 3 in
Bearbeitungsrichtung erfolgt durch Bewegen der Handhabungseinrichtung 2.
Nachdem in das dünnwandige
Werkstück 1 die
gewünschte
Kontur hineingehämmert worden
ist, fährt
die Handhabungseinrichtung 2 mit dem Bearbeitungswerkzeug 3 in
eine Ausgangsposition, das Werkstück 1 wird aus seiner
Aufspannung gelöst
und das Endprodukt 18 kann dem Spanntisch manuell oder
automatisch entnommen werden. In dem vorliegenden Fall stellt das
Endprodukt 18 einen pyramidenartig ausgebildeten Hohlkörper dar.
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2a zeigt eine Schnittdarstellung
durch einen Spanntisch 6, auf den mit Hilfe eines Niederhalters 7 ein
dünnwandiges
Werkstück 1 aufgespannt
ist. Das Werkstück 1 wird
vollumfänglich
an seinen Seitenrändern
zwischen dem Niederhalter 7 und einer am Spanntisch vorgesehenen
Anschlagfläche 19 eingespannt.
Auf der Unterseite des dünnwandigen
Werkstücks 1 ist
ein Hohlraum 17 ausgebildet, in den das Werkstück 1 während der
hämmernden
Bearbeitung hinein verformt wird, ohne mit den Wandungen des Hohlraums 17 in
Berührung
zu kommen. Bei dem vorliegenden Verfahren wird keine formgebundene
Matrize benötigt.
Vielmehr wird der Umformvorgang alleine unter Zugrundelegung eines Vergleichs
zwischen einer Ist-Form und einer Soll-Form des Werkstücks und/oder
in Abhängigkeit eines Spannungsverlaufes
innerhalb des Werkstücks geregelt,
um die Soll-Form zu erzielen.
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In 2b ist ebenfalls der Querschnitt
eines Spanntisches 6 dargestellt. In diesem Fall ist das dünnwandige
Werkstück 1 mit
Hilfe einer Spannvorrichtung 8 auf dem Spanntisch aufgespannt
und derart gedehnt worden, dass innerhalb des Werkstücks eine
plastische Verformung von 2 bis 4% erreicht wird. Durch das Vorsehen
einer derartigen Vorspannung werden Schwingungen des Werkstücks 1 während der
Umformung weitgehend vermieden. Unterhalb des Werkstücks 1 befindet
ist auch in diesem Fall ein Hohlraum 17, in den das Werkstück 1 während der
Umformung hinein umgeformt wird.
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In 3a ist der Querschnitt durch
einen Spanntisch 6 dargestellt, auf dem mit Hilfe eines
Niederhalters 7 das für
die Umformung vorgesehene Werkstück 1 aufgespannt
ist. Zusätzlich
sind Schablonenelemente 9 vorgesehen, die das Werkstück 1 auf
dessen Unterseite lokal berühren.
Durch die Verwendung derartiger Schablonenelemente 9 wird
die Fläche
des Bauteils 1, die durch die Umformung zu Schwingungen
angeregt wird, verkleinert, so dass diese Maßnahme vor allem zu einer Minderung
der Lärmemission
des Umformvorgangs beiträgt.
Darüber
hinaus wird durch die Verwendung der Schablonenelemente 9 sicher
gestellt, dass das dünnwandige
Werkstück 1 ausschließlich in
den Bereichen umgeformt wird, in denen eine Umformung auch erwünscht ist.
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Während die 3a ausschließlich die
Befestigung der Schablonenelemente 9 auf der Unterseite
des dünnwandigen
Werkstücks 1 zeigt,
sind die Schablonenelemente 9 in 3b sowohl auf der Unterseite als auch
auf der Oberseite des dünnwandigen
Werkstücks 1 angeordnet.
Die Positionierung bzw. Befestigung der Schablonenelemente 9 auf dem
dünnwandigen
Werkstück 1 erfolgt
mit Hilfe des Niederhalters 7, der mit den Schablonenelementen 9 derart
verbunden ist, dass während
des Spannens durch den Niederhalter 7 auch die Schablonenelemente 9 mit
dem Werkstück
in Berührung
gebracht werden. Während
des Spannvorgangs werden die Seitenränder des Werkstücks 1 sowie
Teile der Schablonenelemente 9 zwischen einer an dem Spanntisch 6 vorgesehenen
Anschlagfläche 19 und
dem Niederhalter 7 eingespannt.
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4 stellt schematisch das
vorliegende Verfahren zur automatisierten Umformung von dünnen Werkstücken dar,
bei dem der Umformprozess mit Hilfe mehrerer Sensorelemente 12 überwacht und
durch eine Auswerteeinheit 10 sowie eine Robotersteuerung 11 geregelt
wird. Um die Ist-Form des Werkstückes 1 während des
Umformprozesses zu erfassen, wird mit Hilfe von Sensorelementen 12,
die sowohl oberhalb als auch unterhalb des Werkstücks 1 angeordnet
sein können,
der jeweilige Abstand der Werkstückoberfläche zu den
Sensoren 12 ermittelt. Die oberhalb und/oder unterhalb
des Werkstücks 1 erfassten
Abstände
zwischen den Sensorelementen 12 und der Werkstückoberfläche werden
an eine Auswerteeinheit 10 übertragen, die unter Zugrundelegung
dieser, bei einer Messung sowohl oberhalb als auch unterhalb des
Werkstücks
ermittelten Messwerte die Ist-Form sowie die Dicke des Werkstücks 1 während der
Umformung ermittelt. Unter Berücksichtigung
eines Vergleichs der Ist-Form des Werkstücks 1 mit einer Soll-Form
generiert die Auswerteeinheit 10 Regelgrößen, die
an eine Robotersteuerung 11 weiter geleitet werden. Die
Robotersteuerung 11 wandelt diese Regelgrößen in Steuersignale
um, mit denen die Handhabungseinrichtung 2 sowie das Bearbeitungswerkzeug 3 gesteuert
werden. Auf diese Weise wird ein geschlossener Regelkreis realisiert.
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Soll
neben der aktuellen Form auch die momentane Verteilung der Dicke
des dünnwandigen Werkstückes 1 aufgenommen
werden, so bietet sich vor allem der Einsatz eines 3D-Laserscanners
als Sensorelemente 12, das oberhalb des dünnwandigen
Werkstücks
angeordnet wird an. Auch in diesem Fall wird das dünnwandige
Werkstück 1 jeweils
von der Ober- und von der Unterseite vermessen. Aus den Messwerten,
die der 3D-Laserscanner
an die Auswerteeinheit 10 weiterleitet, lässt sich
auf die Ist-Form des Werkstücks 1 schließen und
auf Grund des zusätzliche
Vorsehen von Abstandsmesssensoren an der Unterseite des dünnwandigen
Werkstücks 1 lässt sich
gleichzeitig die Verteilung der Dicke des dünnwandigen Werkstückes auf
vorteilhafte Weise berechnen.
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Im
unteren Teil der 4 sind
die Ein- und Ausgangssignale der Auswerteeinheit 10 zur
online-Regelung
der Form bzw. der Dicke des Werkstückes dargestellt. Als Eingangsgrößen werden
der Auswerteeinheit 10 Informationen über die Ist-Form und ggf. Ist-Dicke
des Werkstücks
(X1), über
die Soll-Form des Werkstücks
(X2), über
die Form des Formgebungswerkzeugs (X3) sowie technische Daten des
Bearbeitungswerkzeugs 3 und der Handhabungseinrichtung 2 (X4)
zur Verfügung
gestellt. Unter Zugrundelegung dieser Eingangssignale (X1, X2, X3, X4)
generiert die Auswerteeinheit 10 als Ausgangssignale sowohl
ein Steuersignal für
die Robotersteuerung 11 (Y1) als auch ein Steuersignal
für das
Bearbeitungswerkzeug 3 (Y2). Durch die in 4 dargestellte Kombination der Auswerteeinheit 10 mit
der Robotersteuerung 11 wird ein hämmernd ausgeführter, inkrementeller
Streckziehvorgang online regelbar. Darüber hinaus ist es mit dem in 4 dargestellten Verfahren
zur Regelung des Umformvorgangs möglich, den gesamten Umformvorgang
in Form einer Vielzahl von Zwischenprodukten darzustellen, und auch
einzelne Parameter des darauf folgenden inkrementellen Streckziehvorgangs
neu einzustellen. Je nach gewünschter
Genauigkeit der Umformung wird eine entsprechende Parameterkorrektur
des inkrementellen Streckziehvorgangs nach einer Bahn oder jedem
Schlag durch die Auswerteeinheit 10 berechnet und durch
die Robotersteuerung 11 in Steuersignale umgesetzt.
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In 5 ist eine Variante des
vorliegenden Verfahrens zur automatisierten Umformung von dünnen Werkstücken dargestellt,
bei der eine Flüssigkeit als
formvariable Gegenform 13 eingesetzt wird. Bei der Flüssigkeit
handelt es sich um ein Öl,
das unter Druck derart gegen das dünnwandige Werkstück 1 gepresst
wird, dass das Werkstück
zwar gestützt aber
auf Grund der durch die Flüssigkeit
auf das Werkstück 1 einwirkenden
Druckbelastung nicht plastisch verformt wird. Mit einer derartigen,
formvariablen Gegenform 13 wird vermieden, dass sich das dünnwandige
Werkstück 1 außer in dem
Bereich, in dem das Bearbeitungswerkzeug 3 angreift, noch
an anderen Stellen verformt.
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Die
Flüssigkeit,
die den formvariablen Gegenhalter bildet und sich im Kontakt mit
der Werkstückunterseite
befindet, wird während
der Umformung des dünnwandigen
Werkstücks 1 verdrängt. Um
den Druck innerhalb des abgeschlossenen Volumens, das teilweise
durch das aufgespannte Werkstück 1 begrenzt
wird, konstant zu halten, ist ein Ausgleichsbehälter 14 vorgesehen,
in den verdrängtes
Fluid durch eine Ausgleichsleitung einströmen kann.
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In 6 sind die Auswirkungen
zweier Belastungsfälle
gegenüber
gestellt, bei denen die, bspw. durch einen Umformprozess hervorgerufene Kraft
F jeweils punktuell auf ein eingespanntes, dünnwandiges Werkstück einwirkt.
Die gestrichelten Linien stellen jeweils den Zustand des Werkstücks vor der
Belastung dar. Die durchgezogenen Linien zeigen dagegen die Form
des Werkstücks
während
des Auftretens der Belastung F.
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In
der linken Abbildung der 6 wirkt
die Kraft F auf ein Werkstück 1 ein,
das ohne Einsatz einer Gegenform auf einem Spanntisch aufgespannt ist.
Das dünnwandige
Werkstück 1 wird
auf Grund der einwirkenden Kraft F über die gesamte Länge zwischen
dem Belastungspunkt und der Einspannung gestreckt.
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Bei
dem in der rechten Abbildung dargestellten Spanntisch 6 befindet
sich innerhalb des Hohlraumes 17, der unterhalb des Werkstücks 1 angeordnet ist,
eine formvariable Gegenform. Bei einer Krafteinwirkung F auf die
Oberfläche
des Werkstücks 1,
erfolgt die Verformung des Werkstücks 1, auf Grund der
durch die formvariable Gegenform ausgeübten Gegenkraft Fi,
lediglich lokal.
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Die 7 und 8 zeigen unterschiedliche Bahnkurven,
die von einem Bearbeitungswerkzeug während der hämmernden Umformung eines dünnwandigen,
plastisch verformbaren Werkstücks
abgefahren werden.
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In 7 sind in einer Draufsicht
bzw. in einer Querschnittsdarstellung zwei Bahnstrategien dargestellt,
mit denen symmetrische Formkörper,
wie bspw. Pyramiden oder Halbkugeln, aus einem dünnwandigen Werkstück herzustellen
sind. Das dünnwandige
Werkstück
wird unter Berücksichtigung
der Form der Aussparung des Spanntisches auf geschlossenen Bahnen 15 von
außen
nach innen oder von innen nach außen bearbeitet. Bei der Bearbeitung
wird das Werkstück
unter Zugrundelegung einer Soll-Form in die Aussparung gehämmert. Die
Richtung, in der die einzelnen Bahnen abgefahren werden, kann dabei
stets dieselbe sein oder sich ändern.
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Während das
Bearbeitungswerkzeug bei der Herstellung eines pyramidenartigen
Formkörpers stets
parallel zu den jeweils benachbarten Seitenkanten der Aussparung
des Spanntisches bewegt wird und an den Eckpunkten jeweils eine
Richtungsänderung
um 90° ausführt, ist
es bei der Herstellung eines halbkugelartigen Formkörpers auch
möglich,
das Bearbeitungswerkzeug auf einer einzigen, zusammenhängenden
Spiralbahn von außen
nach innen oder von innen nach außen zu bewegen.
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Im
Gegensatz zu den in 7 dargestellten Bahnstrategien
wird die Soll-Form des Werkstücks bei
Verwendung der in 8 dargestellten
Bahnstrategien erst nach Abfahren einer Vielzahl von nicht geschlossenen
Einzelbahnen 16 erzielt. Die Einzelbahnen 16 werden
zur Erzeugung der Soll-Form jeweils einmal oder mehrmals abgefahren.
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In
der linken Abbildung der 8 ist
eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsdarstellung der bei der Herstellung
eines asymmetrischen Formkörpers eingesetzten
Bahnstrategie zu sehen. Das Bearbeitungswerkzeug wird während der
Umformung des Werkstücks
auf jeweils zu zwei gegenüberliegenden Seitenkanten
der Aussparung des Spanntisches parallelen Einzelbahnen 16 verfahren.
Gleichzeitig wird die Schlagkraft und/oder die Zustellung in Bewegungsrichtung
des Bearbeitungswerkzeugs derart verändert, dass das Werkstück in einem
Bereich, der in dieser Darstellung rechts der Mittelachse liegt, stärker verformt
wird als in den übrigen
Bereichen.
-
Das
Bearbeitungswerkzeug wird relativ zum Werkstück entweder stets in die gleiche
Richtung verfahren oder die Bewegungsrichtung wird geändert, nachdem
eine Einzelbahn 16 abgefahren worden ist.
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Die
rechte Abbildung der 8 zeigt
eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsdarstellung der bei der Herstellung
eines halbkugelartig ausgebildeten Formkörpers eingesetzten Bahnstrategie.
Der Spanntisch weist hierbei eine kreisrunde oder elliptische Aussparung
auf. Zur Herstellung der gewünschten
Form wird das dünnwandige
Werkstück
in die Aussparung eingehämmert,
indem Einzelbahnen 16 sternförmig in stets derselben Bewegungsrichtung abgefahren
werden oder die Bewegungsrichtung prozessbedingt geändert wird.
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In 9 ist ein Ablaufschema des
vorliegenden Verfahrens zur automatisierten Umformung von dünnen Werkstücken dargestellt,
mit dem symmetrische Endformen, wie bspw. Halbkugeln, Kegel oder Pyramiden
herstellbar sind. In Phase A wird das Bearbeitungswerkzeug 3 in
einem nicht aktiven Zustand zur Startposition verfahren. In Phase
B senkt sich das Bearbeitungswerkzeug 3, das nunmehr aktiv
hämmert,
um die Zustellung Δz
ab. Bei Erreichen von Phase C fährt
das Bearbeitungswerkzeug 3 eine geschlossene Bahn (z. B.
eine Kreis- oder Rechteckbahn) ab, um das dünnwandige Werkstück 1 um
die Zustellung Δz
in den Hohlraum des Spanntisches hinein zu verformen. In Phase D
wird das Bearbeitungswerkzeug 3, sofern der Abstand des
Bearbeitungswerkzeugs vom Mittelpunkt des Werkstücks größer als der Abstand der einzelnen,
vorgegebenen Bahnen zu einander ist, um den Versatz Δx in Richtung
der Werkstückmitte
zur Anfangsposition der nächsten
Bahn verfahren. Im Anschluss an den vorgenannten, seitlich gerichteten
Verfahrvorgang wird erneut mit den Arbeitsschritten der Phase B
begonnen.
-
Falls
nach Abschluss der Phase D der Abstand des Bearbeitungswerkzeugs 3 vom
Mittelpunkt des Werkstücks
kleiner oder gleich dem Abstand der einzelnen Bahnen zu einander
ist, fährt
das Bearbeitungswerkzeug 3, wie in Phase E zu sehen ist,
direkt zur Werkstückmitte.
In der anschließenden
Phase F senkt sich das Bearbeitungswerkzeug 3 erneut um die
Zustellung Δz
ab. In der den Umformvorgang abschließenden Phase G wird das Bearbeitungswerkzeug 3 vom
Werkstück 1 abgehoben
und in die, in Phase A dargestellte Ausgangsposition gefahren.
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Mit
dem in 10 schematisch
dargestellten Ablaufschema des gezeigten Verfahrens sind Werkstücke mit
komplizierter Geometrie herstellbar. Das Ausgangsprodukt ist in
diesem Fall das mit dem in 9 gezeigten
Verfahren hergestellte Zwischenprodukt. In Phase A fährt das
Bearbeitungswerkzeug 3 in eine für die Bearbeitung vorgesehene
Startposition. Anschließend
wird das Bearbeitungswerkzeug 3 in Phase B derart geschwenkt,
dass das Werkzeug 3 eine gegenüber der Werkstückoberfläche senkrechte Position
einnimmt. Gleichzeitig wird das Bearbeitungswerkzeug 3 aktiviert
und um die Zustellung Δz in
Bearbeitungsrichtung abgesenkt. In der Phase C fährt das Bearbeitungswerkzeug 3 von
innen nach außen
eine Spiralbahn ab bis der Umfang einer zu fertigenden Tasche hergestellt
worden ist. Falls die endgültige
Tiefe der Tasche noch nicht erreicht ist, wird das Bearbeitungswerkzeug,
wie in Phase D zu sehen ist, wieder zur Mitte der Tasche bewegt
und mit dem in Phase B dargestellten Arbeitsschritt begonnen. Ist
hingegen die endgültige
Tiefe der Tasche erreicht, wird das Bearbeitungswerkzeug 3,
wie in Phase E zu sehen ist, vom Werkstück 1 abgehoben, in eine
Ausgangsposition gefahren und deaktiviert.
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In
den 11 und 12 ist die Verwendung eines
Stützelementes 20 während der
hämmernden Bearbeitung
eines Werkstücks 1 dargestellt.
Durch den Einsatz derartiger Stützelemente 20 ist
es insbesondere möglich,
Freiformflächen
mit einem oder mehreren, dem Bearbeitungswerkzeug zugewandten Spitzen,
Kanten oder Plateaus, also quasi lokalen Maxima, herzustellen.
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11 zeigt in diesem Zusammenhang
ein vollumfänglich
eingespanntes Werkstück 1 sowie
ein Stützelement 20,
das auf einer dem Bearbeitungswerkzeug (in dieser Ansicht nicht
dargestellt) gegenüber
liegenden Seite, mittig unterhalb des Werkstücks 1 angeordnet ist.
In 11a ist ein Zwischenschritt
bei der Herstellung der gewünschten
Endform zu sehen. Das dünnwandige
Werkstück 1 ist
bereits einer hämmernden
Umformung unterzogen worden, so dass das Werkstücks 1 nunmehr das
Stützelement 20 berührt. 11b zeigt das umgeformte Werkstück 1 nach
Beendigung des Umformprozesses. Mit Hilfe des Stützelementes 20 ist
eine Freiformfläche
hergestellt worden, die in der Mitte ein lokales Maximum in Form
einer Spitze oder Kante aufweist.
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12 zeigt, wie mit Hilfe
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie durch den Einsatz wenigstens eines Stützelementes scharfe Kanten,
Rillen bzw. Einkerbungen herstellbar sind. In diesem Fall ist das
Stützelement 20 aussermittig
unterhalb des dünnwandigen
Werkstücks 1 angeordnet.
In 12a ist die gesamte
Anordnung nach einer ersten Umformphase zu sehen, wobei das Werkstück das flächig ausgebildete Stützelement
lokal berührt.
In 12b ist das Stützelement 20 sowie
das dünnwandige
Werkstück
nach Abschluß des
Umformprozesses dargestellt. Das Werkstück 1 ist derart einer hämmernden
Bearbeitung unterzogen worden, das in einem Bereich links des Stützelementes 20 eine Rinne
erzeugt worden ist, während
oberhalb des Stützelementes 20 ein
Plateau herausgearbeitet worden ist, das über eine scharfe Kante von
der Rinne getrennt ist.
-
- 1
- Werkstück
- 2
- Handhabungseinrichtung
- 3
- Bearbeitungswerkzeug
- 4
- Formgebungselement
- 5
- Hammer-Bär-Antrieb
- 6
- Spanntisch
- 7
- Niederhalter
- 8
- Spannvorrichtung
- 9
- Schablonenelement
- 10
- Auswerteeinheit
- 11
- Robotersteuerung
- 12
- Sensoren
- 13
- formvariable
Gegenform
- 14
- Ausgleichsbehälter
- 15
- geschlossene
Bahn
- 16
- Einzelbahn
- 17
- Hohlraum
- 18
- Endprodukt
- 19
- Anschlagfläche
- 20
- Stützelement
- X1
- Online-Information über die
Ist-Form bzw.
-
- Ist-Dicke
des Werkstücks
- X2
- Information über die
Soll-Form bzw. Soll-
-
- Dicke
des Werkstücks
- X3
- Information über die
Form des
-
- Bearbeitungswerkzeugs
- X4
- technische
Daten des Formgebungselementes
-
- sowie
der Handhabungseinrichtung
- Y1
- Steuersignale
für die
Robotersteuerung
- Y2
- Steuersignale
für das
Umformwerkzeug