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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen
eines Werkstücks,
vorzugsweise eines Werkstücks
aus Metall.
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Beim
Tiefziehen von Folien oder dünnen, plattenförmigen Materialien,
wie Blechen, treten in der Regel nicht nur Zugspannungen im Werkstück in Zugrichtung
auf, sondern insbesondere im Bereich von konkaven Innenradien der
Matrize auch Druckspannungen quer zur Zugrichtung, da im Bereich
der Radien, über
die das Material gezogen wird, das Material in Umfangsrichtung zusammengezogen
wird.
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Dadurch
kann es im Flanschbereich zu einer Faltenbildung kommen. Der Flanschbereich
ist dabei der im wesentlich ebene Bereich des Werkstücks um eine
Vertiefung herum, die im Werkstück
durch den Tiefziehvorgang ausgebildet wird. Die Faltenbildung kann
sich im Seitenwandbereich des tiefzuziehenden Werkstücks fortsetzen,
oder unabhängig
davon aufgrund von Schubspannungen im Seitenwandbereich entstehen.
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Diese
ungewünschten
Verformungen treten insbesondere bei ungünstigen geometrischen Gegebenheiten
auf, etwa, wenn aus einem Blech oder einer Folie ein Werkstück mit mehreren Vertiefungen gezogen
wird, in einem schmalen Stegbereich zwischen benachbarten Vertiefungen
und hier wiederum insbesondere in dem Bereich des Steges, der zwischen
zwei konkaven Seitenwandflächen
der Vertiefungen gebildet ist. Besondere Schwierigkeiten sind daher
damit verbunden, bei einer Form mit beispielsweise drei Vertiefungen
den Mittelbereich des sternförmigen
Mittelsteges faltenfrei zu ziehen.
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Ebenfalls
schwierig ist es, bei Werkstücken, die
eine konische Form der Seitenwände
aufweisen, also bei Formen, bei denen sich der Stempel oder die Patrize
in Richtung der negativen Formhälfte
oder der Matrize verjüngt,
einen faltenfreien Seitenwandbereich zu erhalten, da es in diesem
Fall nicht möglich
ist, die Seitenwände
des Werkstücks
zwischen den Oberflächen
der positiven und der negativen Form während des Ziehvorganges zu
führen.
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Ein
typischer Fall für
Werkstücke,
die tiefgezogen werden, sind Menüschalen,
die in der Regel aus plastisch verformbarem Folienmaterial oder
dünnen
Blechen, vorzugsweise aus Aluminium hergestellt werden, und die
anschließend
mit Essen befüllt und
dann mit einem Deckel dicht verschlossen werden sollen. Dabei wird
der zwischen Schale und Deckel gebildete Innenraum üblicherweise
im Bereich zwischen einem Flansch der Schale und dem Deckel nach
außen
hin abgedichtet. Bei Menüschalen
mit mehreren Vertiefungen werden zusätzlich auch im Stegbereich
zwischen den einzelnen Vertiefungen Dichtflächen vorgesehen, so dass jede
Vertiefung durch die Abdichtung zum Deckel hin einen abgeschlossenen
Raum bildet, der sowohl nach außen dicht
ist als auch von den Räumen,
die durch die anderen Vertiefungen gebildet sind, dicht abgeschlossen
ist.
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Aufgrund
der genannten Faltenbildung im Flansch- und Stegbereich beim Tiefziehen
besteht bei solchen Menüschalen
die Schwierigkeit, die Behälter
einwandfrei dicht zu versiegeln, da eine faltige Oberfläche schwieriger
abzudichten ist als eine glatte Oberfläche. Außerdem erschwert eine Faltenbildung sowohl
im Flanschbereich als auch im Seitenwandbereich eine ästhetische
Formgebung der Menüschalen.
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Um
trotz der Unebenheiten eine hinreichend dichte Versiegelung zu ermöglichen,
wurden bislang verschiedene Lösungswege
beschritten.
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Zum
einen wurde versucht, die Falten im Behälterflansch nachträglich eben
zu drücken.
Dazu waren zum einen hohe Anpressdrücke erforderlich zum anderen
wurden die Falten in der Regel nur sägezahnartig umgelegt und flach
gedrückt,
wodurch Hohlräume
und Kapillaren entstehen konnten, die wiederum zu einer ungenügenden Dichtigkeit
führten.
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In
der
DE 33 37 684 A1 wurde
daher vorgeschlagen, anstelle die Falten des Behälterflansches flachzudrücken, sie
mit ihren ursprünglichen
großen Krümmungsradien
beizubehalten, und den Deckel so anzudrücken, dass er in die Falten
eingedrückt
wird, um so eine dichte Verbindung zwischen Deckel und Behälterrand
zu schaffen.
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Dagegen
schlägt
die
EP 0 220 997 B1 unter anderem
vor, ausreichend Siegelmasse auf die Siegelfläche aufzubringen, um die Unebenheiten
aufzufüllen
und so eine Dichtung zwischen Behälter und Deckel zu schaffen.
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Um
auf beim Tiefziehvorgang entstehende Druckspannungen zurückzuführende unterschiedliche
Wandstärken
von tiefzuziehenden becherförmigen
Werkstücken
zu vermeiden, schlägt
die Patentschrift
US 4,745,792 vor,
aus mehreren, einzeln ansteuerbaren Segmenten bestehende Niederhalter
in konzentrischen Kreisen um die Ausnehmungen der negativen Tiefziehform
herum anzuordnen.
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Die
britische Patentanmeldung
GB
2 200 862 A zeigt eine Tiefziehvorrichtung mit einem um
eine Tiefziehöffnung
herumreichenden, geschlossenen Niederhalter, dessen Niederhaltedruck
eingestellt werden kann, und der mit einem Anschlag versehen ist,
um eine übermäßige Verdünnung der
Materialstärke
im Flanschbereich zu vermeiden.
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In
beiden Fällen
ist die Geometrie der Niederhalter nicht auf einen Flansch- und
Stegbereich des Werkstückes
abgestimmt, der am fertigen Werkstück verbleiben soll. Dadurch
kann auch der Niederhaltedruck in diesem Bereich nicht exklusiv
und unabhängig
vom übrigen
Niederhaltebereich optimiert werden.
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Bei
einer Anordnung der Niederhalter, wie im Stand der Technik beschrieben,
befinden sich im Stegbereich zwischen mehreren tiefzuziehenden Vertiefungen
eines Werkstücks
keine Niederhalter, so dass es dort immer noch zu Faltenbildung
kommen kann.
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DE 102 33 008 A1 offenbart
eine Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen eines Werkstücks mit
zwei Blechhaltern. Die beiden Blechhalter sind unabhängig voneinander
betätigbar.
Zum Tiefziehen werden zunächst
die beiden Blechhalter gegen einen oberen Blechhalter geschlossen,
und anschließend
wird der eigentliche Streckziehvorgang ausgeführt.
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DE 27 27 174 C2 bezieht
sich auf das Ausbilden einer Vertiefung mit einem vollständig darum
herum ausgebildeten Flanschbereich in einem Werkstück aus Aluminium.
Die Tiefziehvorrichtung der
DE 27
27 174 C2 hat ebenfalls zwei unabhängige Niederhalter, von denen
einer außerhalb
des anderen vorgesehen ist.
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Darstellung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Faltenbildung zu vermeiden,
zu der es aufgrund der Beanspruchung des Werkstücks beim Tiefziehvorgang kommen
kann, insbesondere in einem flanschartigen Randbereich aber auch
im Seitenwandbereich des herzustellenden Teils.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Dabei
weist der Randflächenniederhalter
zumindest eine durchgehende Randniederhaltefläche auf, die geometrisch auf
einen Randbereich des Werkstücks
abgestimmt ist, der bei dem fertigen Werkstück als Flanschbereich um eine
ausgeformte Vertiefung herum verbleibt. Ein Vorteil einer durchgehenden
Fläche
des Werkzeugs ist dabei, dass damit eine hohe Güte insbesondere Ebenheit an
der korrespondierenden Fläche
des Werkstücks
erzeugt werden kann. Die Randniederhaltefläche korrespondiert dabei im
wesentlichen mit einer zumindest eine der Ausnehmungen vollständig umgebenden
Randfläche der
anderen Werkzeughälfte,
die beim Niederhalten des Werkstück
als Widerlager für
den Niederhalter dient. Berührungsflächen des
Werkzeugs mit dem Werkstück
im Randflächenbereich
werden demnach auf beiden Seiten des Werkstücks gebildet: einerseits auf
der Seite des Niederhalters zwischen Niederhaltefläche und
Werkstück
und andererseits auf der anderen Werkstückseite mit der Randfläche der Matrize.
Ebenso verhält
es sich bei einem Niederhalter, der außerhalb des Randflächenniederhalters
angeordnet ist. Dabei sind Niederhalter und Randflächenniederhalter
unabhängig
voneinander bewegbar und/oder mit Kraft belastbar ist, so dass Niederhaltekraft
bzw. Niederhaltedruck in einem Randbereich des Werkstücks und
in einem Bereich außerhalb
dieses Bereichs unabhängig
voneinander einstellbar sind.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Niederhaltedrücke, die
auf das tiefzuziehende Werkstück
um die tiefzuziehenden Vertiefungen herum aufgebracht werden einerseits
auf die sich während
des Tiefziehvorganges verändernden
geometrischen Randbedingungen und andererseits auf die Materialeigenschaften
des Werkstücks
abgestimmt werden können
und dass dabei die Form des fertigen Werkstücks berücksichtigt werden kann.
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Dazu
wird die gesamte Niederhaltefläche
außerhalb
der Ausnehmungen der Form gedanklich in einen Randflächenbereich
und einen Bereich außerhalb
des Randflächenbereiches
aufgeteilt und korrespondierend zu dieser Aufteilung getrennt voneinander
Randflächenniederhalter
und Niederhalter außerhalb
der Randfläche
vorgesehen. Ein Randflächenniederhalter
wird dabei geometrisch auf den Teil des Flanschbereiches eines Werkstücks abgestimmt,
der an einem fertigen Werkstück
verbleiben soll (Werkstückflanschbereich)
und eine um eine Vertiefung des Werkstücks herumreichende durchgehende
Siegelfläche
aufweisen soll. Dabei ist Abstimmen nicht so zu verstehen, dass
die Randniederhaltefläche
des Randflächenniederhalters
identisch mit der Siegelfläche
oder dem Werkstückflanschbereich
sein muss. So kann der Randflächenniederhalter
so geformt sein, dass das Material schon etwas außerhalb
des Werkstückflanschbereich
niedergehalten wird, um eine Faltenbildung, die sich in den Werkstückflanschbereich
fortsetzten könnte,
schon außerhalb
an der Entstehung zu hindern. Genauso kann die Randniederhaltefläche kleiner
gewählt
werden, z.B. kann es sinnvoll sein, die Randniederhaltefläche korrespondierend
mit der Siegelfläche
zu wählen,
wobei der Werkstückflanschbereich
auch größer als
die eigentliche Siegelfläche
sein kann. Durch eine entsprechende Wahl kann während des Tiefziehvorganges der
Werkstückflanschbereich
unabhängig
von dem Bereich niedergehalten werden, der außerhalb dieses Bereiches liegt.
Dadurch kann in dem Randflächenbereich
der Niederhaltedruck so eingestellt werden, dass er unterhalb eines
gerade noch zulässigen Maximums
liegt oder dieses gerade erreicht.
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Dieses
Maximum wird unter anderem durch zwei wesentliche Parameter definiert.
Zum einen durch die Fließgrenze
des Werkstoffs, die durch den Niederhaltedruck nicht überschritten
werden darf. Zum anderen resultiert aus der Niederhaltekraft des Randflächenniederhalters
und der anderen Niederhalter, die eine Normalkraft auf das Werkstück erzeugen,
eine Reibkraft senkrecht zu der Normalkraft. Diese Reibkraft wirkt
einer Bewegung des Materials entgegen, welche das Material der niedergehaltenen Bereiche
während
des Tiefziehvorganges in Richtung der Vertiefung vollziehen muss,
um ein „Nachfließen" in die Vertiefung
hinein zu ermöglichen.
Diese Reibkraft darf nicht so groß werden, dass es zum Abreißen des
Materials kommt. Dadurch ist der zweite Parameter, von dem gesprochen
wurde, dadurch definiert, dass die Komponente der Niederhaltenormalkraft,
die von dem Randflächenniederhalter
erzeugt wird, nicht so groß ist,
dass aus ihr zusammen mit der Komponente der Niederhaltenormalkraft
der anderen Niederhalter eine Reibkraft resultieren würde, die
zu einem Abreißen
des Materials führen
würde.
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Dadurch
kann die Niederhaltekraft bzw. der Niederhaltedruck im Randflächenniederhaltebereich bis
hin zu dem genannten Maximum so eingestellt werden, dass einer Tendenz
des Werkstoffs den Druckspannungen zu folgen und sich dabei aufzuwerfen
und Falten zu bilden, entgegengewirkt wird. Die Niederhaltekraft
der außerhalb
des Randflächenniederhalters
angeordneten Niederhalter kann weitgehend unabhängig davon eingestellt werden.
Eine Abhängigkeit
besteht nur insoweit, als die Summe der von Randflächenniederhalter
und Niederhalter erzeugten Normalkräfte nicht zu einer resultierenden Reibkraft
führen
darf, die ein ungenügendes
Nachfließen
des Materials verursachen würde.
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Darüber hinaus
ermöglicht
der durchgehende Randflächenniederhalter,
dass beim Tiefziehen nicht nur eine faltenfreie sondern auch eine
mit der Randniederhaltefläche
korrespondierende durchgehende und glatte Randfläche im Flanschbereich des Werkstücks erzeugt
wird.
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Weiterhin
kann der Niederhalter außerhalb des
Randflächenniederhalters
eine Niederhaltefläche
aufweisen, die zur Ausbildung einer Kontaktfläche entlang des Umfangs des
Randflächenniederhalters
entweder durchgehend oder unterbrochen gestaltet ist. Dadurch kann
einem Materialfluss beim Tiefziehen in verschiedenen Umfangsbereichen
je nach Gestaltung des Niederhalters ein unterschiedlicher Widerstand
entgegengebracht werden, so dass der Materialfluss so gesteuert
werden kann, dass auch in den Seitenwandbereichen eine Faltenbildung zumindest
vermindert werden kann.
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Die
Vorteile der Vorrichtung liegen daher insbesondere darin, dass die
als Siegelfläche
dienenden Randbereiche einer Menüschale
aber auch die Seitenwände
der Menüschale
faltenfrei gezogen werden können.
Infolge dieser Vorteile kann die Fuge zwischen einem fertigen Behälter und
einem Deckel leichter abgedichtet und versiegelt werden, das fertige
Produkt bietet unter anderem ein ästhetisches Bild, eine nachträgliche Glättung der
Siegelfläche entfällt, und
es kommt bei Verwendung einer Siegelmasse zu Materialeinspaarungen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Danach
besteht der Niederhalter vorteilhaft aus mehreren Segmenten, die
unabhängig
voneinander bewegbar und/oder mit Kraft belastbar sind. Dadurch
kann die Niederhaltekraft und damit die Reibkraft, die dem Nachfließen des
Materials in Richtung der Vertiefung entgegensteht, abschnittsweise fein
voreingestellt werden, wodurch der Materialfluss gerade in Bereichen
(enger) Innenradien am Rand der Vertiefung genau nach den geometrischen
Gegebenheiten gesteuert werden kann, so dass eine Faltenbildung
im Randbereich und auch im Seitenwandbereich deutlich verringert
und sogar ganz vermieden werden kann.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird dieser positive Effekt auf den gesamten Umfangsbereich um eine
oder mehrere Vertiefungen herum ausgeweitet, weil nach diesem Anspruch der
Niederhalter so ausgebildet ist, dass er ein durchgehende äußere Niederhaltefläche aufweist.
So kann der Materialfluss an jeder beliebigen Stelle um den gesamten
Tiefziehbereich herum kontrolliert und gesteuert werden.
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Bevorzugt
zeichnet sich eine weitere vorteilhafte Ausführungsform dadurch aus, dass
mit der beanspruchten Tiefziehvorrichtung auch Formteile frei gezogen
werden können,
also ohne Führung
der Seitenwände
des Werkstücks
während
des Tiefziehvorgangs. Die so gezogenen fertigen Werkstücke weisen
sich zum Boden der Werkstücke
hin verjüngende Seitenwände auf,
so dass, z. B. wenn die fertigen Werkstücke Menüschalen sind, diese Menüschalen im
unbefüllten
Zustand ineinander gestellt werden können und platzsparend transportiert
oder aufbewahrt werden können.
Gerade beim freien Ziehen der Seitenwände kommt die segmentartige
Struktur der Niederhalter und damit die feine Steuerbarkeit des Materialflusses
beim Tiefziehvorgang voll zum Tragen, so dass auch frei gezogene
Seitenwandbereiche, faltenfrei gezogen werden können.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist die Tiefziehvorrichtung zumindest eine zum Bodenbereich der
jeweiligen Ausnehmung und/oder einem Stirnbereich der jeweiligen
Erhebung im wesentlichen parallele Randniederhaltefläche auf.
Dadurch können
z. B. Menüschalen
hergestellt werden, bei denen der Flanschbereich, der an der fertigen
Menüschale
verbleibt, eine ebene Fläche
darstellt, die leichter zu versiegeln ist, als wenn die Siegelfläche um die
Vertiefung der Schale herum zur Vertiefung hin abfallen oder ansteigen
würde.
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Einen ähnlichen
Vorteil weist bevorzugte Tiefziehvorrichtung auf, bei der zumindest
zwei Randniederhalteflächen
in einer Ebene verlaufen. Aus optischen Gründen kann es gewünscht sein, dass
die Randbereiche von Vertiefungen bei Menüschalen mit mehreren Vertiefungen
in unterschiedlichen Ebenen verlaufen, wobei es erforderlich wäre, die
Vertiefungen entweder einzeln mit einem Deckel zu verschließen, oder
einen Deckel vorzusehen, der korrespondierend mit den Rändern der
Vertiefungen in unterschiedlichen Ebenen verläuft. Bestehen solche optischen
Gründe
nicht, ist es vorteilhaft, wenn die Siegelflächen in einer Ebene liegen.
So kann ein ebener Deckel verwendet werden, der einfach herzustellen
ist. Außerdem
ist für
diesen Fall auch eine nicht weiter beschriebene Vorrichtung zum
Verschließen
der Menüschalen
mit einem Deckel leichter herzustellen.
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Vorteilhaft
ist in bestimmten Anwendungsfällen
eine Vorrichtung, bei der zumindest die durchgehenden Randflächen zweier
oder mehrerer der Vertiefungen zu einer einheitlichen durchgehenden Randfläche ohne
Unterbrechung vereint sind. In Bezug auf die Gestaltung der Randbereiche
wäre es denkbar,
diese so zu formen, dass die Siegelflächen um die einzelnen Vertiefungen
einer fertigen Menüschale
herum nicht eine einzelne zusammenhängende Fläche bilden, sondern mehrere
voneinander beabstandete Flächen.
Das könnte
zum Beispiel aus optischen Gründen
gewollt sein. Darüber
hinaus kann es sein, dass zwischen zwei Vertiefungen eine Fuge vorgesehen
werden soll, die als eine Art Scharnier fungieren soll. Dann könnte eine
Vertiefung auf die andere Vertiefung geklappt werden, so dass die Deckelflächen aufeinander
zu liegen kommen. Das hätte
den Vorteil, dass bei Verwendung von dünnen Folien als Deckel diese
nicht offen liegen würden
und somit im Transport geschützt
wären.
Ist all das nicht gewünscht,
bietet die bevorzugte Vorrichtung den Vorteil, dass eine Vorrichtung
mit einer durchgehenden Randniederhaltefläche einfacher herzustellen ist,
da z. B. das korrespondierende Niederhalterteil aus einem Stück hergestellt
werden kann und auch in einem Arbeitgang bearbeitet werden kann.
Darüber hinaus
ist eine mit einer solchen Vorrichtung hergestellte Menüschale einfacher
zu versiegeln, insbesondere in Stegbereichen zwischen Vertiefungen
gibt es dann nur eine Siegelfläche
und nicht zwei parallel verlaufende Siegelflächen.
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Zur
Erklärung
des Vorteils einer weiteren bevorzugten Vorrichtung sei ausgeführt, dass
sich die Kontaktfläche
eines Niederhalters mit dem Werkstück während des Tiefziehvorganges
verändern wird,
da das Material des Werkstücks,
das sich zu Beginn des Tiefziehvorganges in der Ebene um die Ausnehmungen
der Form herum befand und dort flächig niedergehalten wird, während des
Tiefziehvorganges in die Ausnehmung hineingezogen wird, so dass
idealer Weise gegen Ende des Tiefziehvorganges keine unerwünschten Überstände übrigbleiben, diese
also auch nicht mehr niedergehalten werden können. Das hat zur Folge, dass
während
des Tiefziehvorganges die niederzuhaltende Fläche des Werkstücks immer
kleiner wird, was bei gleichbleibender Niederhaltekraft zu einem
Anstieg des Niederhaltedrucks bis in einen ungewünschten Bereich führen kann.
Zudem kann es wünschenswert
sein, unabhängig
von der niedergehaltenen Fläche,
die Niederhaltekraft während
des Tiefziehvorganges zu verändern
um in bestimmten Abschnitten des Tiefziehvorganges ein leichteres
Nachfließen
des Materials zu ermöglichen
oder dies zu erschweren, da, je nachdem welcher Abschnitt einer
Form eines Werkstücks
während
des Tiefziehvorganges gerade geformt wird, ein unterschiedlicher
Materialbedarf bestehen kann. Der Vorteil der bevorzugten Vorrichtung,
bei der bei einem Niederhalter und/oder bei einem Segment eines
Niederhalters und/oder bei einem der Randflächenniederhalter während des
Tiefziehvorganges die Niederhaltekraft veränderbar ist, liegt darin, dass
zum einen der Materialfluss während des Tiefziehvorganges
beeinflusst werden kann und auf die sich während des Tiefziehvorganges ändernden
geometrischen Gegebenheiten abgestimmt werden kann.
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Einen
weiteren Vorteil weist eine bevorzugte Ausführungsform auf, gemäß der ein
Scherelement zum Ausstanzen des fertig tiefgezogenen Werkstücks vorgesehen
wird, so dass das fertige Teil nicht in einem weiteren Arbeitsgang
beschnitten werden muss. Vorteilhaft ist hierbei weiterhin, dass
nicht nur ein weiterer Arbeitsschritt des Beschneidens entfällt, sondern
dass auch kein zweites Werkzeug zum Ausstanzen gefertigt werden
muss. So kann z. B. ein Scherelement aus je einem zusätzlichen
Teil auf Seiten der positiven und negativen Formhälfte der
Tiefziehvorrichtung bestehen, es kann aber auch aus nur einem zusätzlichen
Teil auf einer Seite einer der Formhälften bestehen, das dann z.B.
mit der Kante des Teils der Matrize eine Scherpaarung bildet, welches
die mit der Randniederhaltefläche
korrespondierende Randfläche
aufweist. Denkbar wäre
sogar, dass das Scherelement gänzlich
ohne zusätzliche Teile
dadurch geschaffen wird, dass die äußere Kante von einem Randflächenniederhalter
und die Kante von einem auf der anderen Formhälfte angeordneten, mit einem
Niederhalter korrespondierenden Teil eine Scherpaarung bilden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beispielhaft in den beigefügten Figuren
gezeigten Ausführungsform
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer unteren Formhälfte einer bevorzugten Ausführungsform einer
Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen einer Menüschale mit drei Vertiefungen,
und
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2 eine
Schnittansicht eines Zusammenbaus einer Tiefziehvorrichtung in der
bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist
eine Formhälfte
einer Tiefziehvorrichtung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die dargestellte Formhälfte entspricht
der unteren Formhälfte
der in 2 in einer Schnittansicht gezeigten Tiefziehvorrichtung.
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Die
dargestellte Formhälfte
wird in einer Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen von Menüschalen
mit drei Vertiefungen verwendet. Die drei Centerblöcke, welche
die drei Erhebungen der positiven Formhälfte der Tiefziehvorrichtung
darstellen und den drei Vertiefungen der herzustellenden Menüschale entsprechen,
sind in der Zeichnung mit den Bezugszeichen 18a, 18b und 18c bezeichnet.
Diese drei Centerblöcke
sind in den drei Ausnehmungen eines auch als Schulterring bezeichneten
Randflächenniederhalters 20 angeordnet.
Eine werkstückseitige
Randniederhaltefläche
(in 2 mit Bezugszeichen 14 bezeichnet) des
Schulterrings 20 verläuft,
wie in der Zeichnung ersichtlich, in einer Ebene parallel zu Stirnbereichen
(in 2 mit Bezugszeichen 12 bezeichnet) der drei
Centerblöcke 18a, 18b und 18c.
Dabei umgibt diese einheitliche, durchgehende Randniederhaltefläche 14 ohne
Unterbrechung alle drei Centerblöcke 18a,
b und c. Der Form des Randflächenniederhalters
entsprechend kann eine Menüschale
hergestellt werden, die an ihrem Rand eine durchgehende, ebene und
glatte Siegelfläche
aufweist.
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Um
den Randflächenniederhalter
herum ist ein äußerer Niederhalter 24 angeordnet,
der vorliegend aus acht Niederhaltesegmenten 24a, 24b,
..., 24h besteht, die werkstückseitig eine gemeinsame äußere Niederhaltefläche (in
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2 mit
Bezugszeichen 16 bezeichnet) aufweisen. Die Niederhaltesegmente 24a, 24b,
..., 24h können
jeweils einzeln und unabhängig
voneinander von je einem (nicht dargestellten) Luftzylinder mit
Kraft beaufschlagt werden, wobei die Kraft insbesondere auch während des
Tiefziehvorganges veränderlich
gesteuert werden kann. Wiederum um die Niederhaltesegmente 24a, 24b,
..., 24h herum ist ein Segmenthalter 26 angeordnet,
mit dem die Segmente zusammengehalten und in dem sie geführt werden.
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Am äußeren Umfang
des Randflächenniederhalters 20 wird
zwischen dem Randflächenniederhalter 20 und
dem inneren Umfang des äußeren Niederhalters 24 eine
Fuge gebildet. Diese Fuge weist eine Spaltbreite auf, die ausreicht,
damit die oberen Enden eines Scherelements 22 in Form eines
Scherstempels, wie in 2 gezeigt, hindurchreichen können. Der äußere Umfang
des Randflächenniederhalters 20 entspricht
daher in dieser Ausführungsform einer
Schnittkante 28, entlang der ein tiefgezogenes Werkstücks am Ende
eines Tiefziehvorganges ausgestanzt wird.
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In 2 wird
eine Tiefziehvorrichtung, wie sie auf einer Presse montiert ist,
dargestellt. Dabei zeigt die linke Hälfte der Zeichnung die Tiefziehvorrichtung
in einem geöffneten
Zustand und die rechte Hälfte
der Zeichnung die Tiefziehvorrichtung in einem geschlossenen Zustand.
Natürlich
ist eine geöffnete und
eine geschlossene Position in Wirklichkeit gleichzeitig nicht möglich, sondern
die Tiefziehvorrichtung kann zum selben Zeitpunkt nur entweder geöffnet oder
geschlossen sein. Erkenntlich ist dies z.B. daran, dass der Randflächenniederhalter 20 in
der Zeichnung sowohl in einer oberen als auch einer unteren Position
gezeigt ist, tatsächlich
aber aus einem Stück
besteht. Der in der 2 dargestellte Schnitt läuft entlang
einer Linie, die durch die beiden in 1 gezeigten
vorderen Centerblöcke
verläuft.
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In 2 wird
die negative Formhälfte
mit dem Bezugszeichen 2, die positive Formhälfte mit 3 bezeichnet.
Die positive Formhälfte 3 besteht
unter anderem aus den Centerblöcken 18a, 18b und 18c, wobei
der Centerblock 18c in der Zeichnung nicht dargestellt
ist und von den beiden dargestellten Centerblöcken nur ein Centerblock stellvertretend
mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet ist. Die Centerblöcke verjüngen sich
in Richtung ihrer jeweiligen Stirnbereiche, so dass die schrägen Seitenwände einer
herzustellenden Menüschale
beim Tiefziehvorgang frei gezogen werden. Die so hergestellten fertigen
Menüschalen
können
ineinander gesteckt und so gestapelt werden.
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Weiterhin
ist der Randflächenniederhalter 20 mit
einer Randniederhaltefläche 14 und
der äußere Niederhalter 24 mit
einer äußeren Niederhaltefläche 16 dargestellt.
Wie in 1 ersichtlich, reicht die Niederhaltefläche 16 komplett
um den Randflächenniederhalter 20 herum
und besteht aus Segmenten.
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Weiterhin
sind dargestellt der Randflächenniederhalter 20,
der aus Niederhaltersegmenten 24a, b, ..., h (von denen
im Schnitt nur zwei zu sehen sind und nur eines stellvertretend
mit 24 bezeichnet ist) bestehende äußere Niederhalter 24 und
ein Scherelement 22, das zwischen dem Randflächenniederhalter 20 und
dem äußeren Niederhalter 24 angeordnet ist.
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Die
negative Formhälfte 2 weist
unter anderem ein negatives Formelement 8 und ein Niederhalterwiderlager 4 auf.
An dem negativen Formelement 8 ist in jeder der mit den
Centerblöcken 18 korrespondierenden
Ausnehmungen ein Bodenbereich 10 gebildet, und das negative
Formelement 8 weist werkstückseitig eine Randfläche 6 auf.
Auch das Niederhalterwiderlager 4 weist werkstückseitig
eine äußere Fläche 5 auf.
Dabei korrespondiert die Randfläche 6 mit
der Randniederhaltefläche 14 des
Randflächenniederhalters 20 der
positiven Formhälfte 3 und
die äußere Fläche 5 mit
der äußeren Niederhaltefläche 16 des äußeren Niederhalters 24 der
positiven Formhälfte 3.
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Außerdem weist
das Niederhalterwiderlager 4 auf der Seite der äußeren Fläche 5 an
der Fuge zwischen dem Niederhalterwiderlager 4 und dem
negativen Formelement 8 eine Nut auf, die komplett um den äußeren Umfangsbereich
des negativen Formelementes herumreicht, und die etwas breiter ist
als das Ende des Scherelements 22, das sich auf dessen
werkstückzugewandter
Seite befindet. Demnach kann das Scherelement in diese Nut hineinverfahren. Dabei
weisen die innere Umfangskante des Scherelements 22 und
die äußere Umfangskante
des negativen Formelementes 8 eine Scherpassung auf, so dass
diese beiden die Schnittkante 28 bilden, entlang der ein
fertig tiefgezogenes Werkstück
am Ende des Tiefziehvorganges ausgestanzt wird.
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Im
Weiteren wird die Funktionsweise der beschriebenen Tiefziehvorrichtung
beschrieben.
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Zu
Beginn des Arbeitsvorganges ist die Tiefziehvorrichtung geöffnet, und
es wird ein Werkstück zwischen
die negative Formhälfte 2 und
die positive Formhälfte 3 eingeführt. Das
betreffende Werkstück besteht
vorzugsweise aus einem dünnen
Aluminiumblech oder aus einer stabilen Aluminiumfolie. Dann wird
die Form geschlossen und somit der Tiefziehvorgang eingeleitet.
Dabei wird bei dem Verfahrweg der Formhälften 2 und 3 aufeinanderzu
das Werkstück zunächst zwischen
bestimmten Bereichen der beiden Formhälften eingespannt. Diese Bereiche
entsprechen der Randniederhaltefläche 14 bzw. der auf der
anderen Seite des Werkstücks
liegenden korrespondierenden Randfläche 6 und außerhalb
dieser beiden Flächen
der äußeren Niederhaltefläche 16 bzw.
der mit dieser korrespondierenden äußeren Fläche 5 auf der anderen
Seite des Werkstückes.
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Ist
dieser Berührungskontakt
zwischen der Werkstückoberfläche und
den entsprechenden Oberflächen
der beiden Formhälften
hergestellt, tritt während
des nun folgenden Verfahrweges der beiden Formhälften aufeinanderzu zunächst lediglich
eine Relativbewegung zwischen den Centerblöcken 18 und den restlichen
Teilen auf. Keine Relativbewegung tritt dagegen zwischen dem Randflächenniederhalter 20,
dem Scherelement 22, dem äußeren Niederhalter 24,
dem Niederhalterwiderlager 4 und dem negativen Formelement 8 auf.
In anderen Worten: Die Centerblöcke 18 bewegen
sich in die korrespondierenden Ausnehmungen des negativen Formelementes 8 hinein,
bzw. die Centerblöcke
stehen fest, und die anderen Teile bewegen sich. Dabei kann das negative
Formelement 8 über
die Randfläche 6 und das
Niederhalterwiderlager 4 über die äußere Fläche 5 auf das Werkstück und über dieses
auf die Randniederhaltefläche 14 bzw.
die äußere Niederhaltefläche 16 eine
Kraft ausüben.
Die beiden Teile können somit
gleichzeitig mit ihrer eigenen Bewegung den Randflächenniederhalter 20,
das Scherelement 22 und den äußeren Niederhalter 24 nach
unten drücken.
Da das Werkstück,
wie beschrieben, zwischen den betreffenden Elementen der negativen
Formhälfte 2 und
der positiven Formhälfte 3 eingespannt
ist, werden die eingespannten Bereiche des Werkstückes ebenfalls
nach unten bewegt, so dass der Stirnbereich 12 der Centerblöcke 18 in
das Werkstück
eintaucht. Dabei fließt
Material des Werkstücks
zum einen aus den eingespannten Flanschbereichen und zum anderen
aus dem Kontaktbereich des Werkstückes mit dem Stirnbereich 12 der
Centerblöcke 18 in die
entstehenden Seitenwandbereiche des Werkstückes.
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Während bei
der beschriebenen Ausführungsform
Material aus den eingespannten Flanschbereichen des Werkstücks nur
wie nachfolgend beschrieben dosiert in den Seitenwandbereich fließen kann,
befindet sich der Bodenbereich 10 der negativen Formhälfte zunächst nicht
in Kontakt mit der Werkstückoberfläche, so
dass Material aus dem Bodenbereich des Werkstückes zunächst nur an dem Stirnbereich 12 der Centerblöcke 18 anliegt
und frei in die Seitenwandbereiche fließen kann. Dadurch, dass das
Material hier über
konvexe Außenradien der
Centerblöcke
fließt,
wird die Fläche, über die
das Material verteilt wird, auseinander gezogen, wodurch keine Schubkräfte in diesem
Bereich in dem Material entstehen, so dass eine Gefahr der Faltenbildung
in diesem Seitenwandbereich nicht besteht.
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Dagegen
kann die Menge des nachfließenden
Materials aus den jeweiligen Flanschbereichen des Werkstückes über eine
Einstellung der Einspann- bzw. Niederhaltedrücke der Niederhaltersegmente 24a,
b, ..., h und des Randflächenniederhalters 20 eingestellt
werden. Eine entsprechende Einstellung der Niederhalterkräfte kann
entweder über Federelemente
erzeugt werden oder über
pneumatische oder hydraulische Mittel. Da bei den herzustellenden
Menüschalen
vorzugsweise eine Aluminiumfolie tiefgezogen wird, die verhältnismäßig leicht
verformbar ist, werden die Niederhaltersegmente in der Ausführungsform
jeweils über
(nicht dargestellte) Luftdruckzylinder mit Kraft beaufschlagt. Durch
Verwendung von verschiedenen Luftdruckzylindern können die
Niederhalterkräfte
zum einen für
jedes Niederhaltersegment einzeln eingestellt werden, zum zweiten
können
die Niederhalterkräfte
während
des jeweiligen Tiefziehvorganges verändert werden, zum dritten können die
einzelnen Niederhalterkräfte
(und deren Verlauf) jederzeit neu eingestellt oder verändert werden,
so dass in derselben Tiefziehvorrichtung unterschiedliche Materialien
verwendet werden können.
Darüber
hinaus bietet eine jederzeitige Einstellbarkeit des Kraftverlaufs
den Vorteil, dass dieser nicht schon bei Konstruktion der Vorrichtung
festgelegt werden muss, was insofern problematisch wäre, als
eine genaue Vorhersage des Materialverhaltens und der Fließvorgänge bei
einem solchen Tiefziehvorgang nur schwer möglich ist. Durch die Einstellbarkeit
der Niederhalterkräfte
kann daher eine Feineinstellung der einzelnen Kraftverläufe durch
Ausprobieren ermittelt werden.
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Eine
Einstellung muss dabei so erfolgen, dass die Niederhaltedrücke an keiner
Stelle des Werkstücks
die Fließgrenze
des Werkstückmaterials überschreiten,
und dass weiterhin die aus den Niederhaltedrücken resultierenden Einspannkräfte nicht so
groß sind,
dass das Material beim Tiefziehvorgang abreißen würde. Unterhalb dieser Grenzen
werden die Niederhaltekräfte
so eingestellt, dass der Materialfluss aus den unterschiedlichen
niedergehaltenen Bereichen so dosiert wird, dass es zu keiner Faltenbildung
im Randbereich oder im Seitenwandbereich kommt. Eine Faltenbildung
im Randbereich kann dabei zusätzlich
durch eine geeignete Einstellung der Niederhaltekraft des Randflächenniederhalters 20 verhindert
werden. Dadurch, dass der Randflächenniederhalter 20 eine
durchgehende, ebene Fläche aufweist,
wird zudem gewährleistet,
dass auch der Randbereich des fertigen Werkstücks eben und glatt ist und
eine geeignete Siegelfläche
bildet.
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Bei
einem weiteren Verfahren der negativen Formhälfte 2 in Richtung
der positiven Formhälfte 3 wird
nun auch ein Kontakt zwischen dem Bodenbereich des Werkstückes und
dem Bodenbereich 10 der negativen Formhälfte hergestellt, so dass der
Bodenbereich des Werkstücks
zwischen dem Bodenbereich 10 und dem Stirnbereich 12 eingespannt
wird. Auch hier kann eine Kraft entweder konstant gewählt oder über entsprechende
Elemente einstellbar vorgesehen werden, so dass auch der Materialfluss
aus dem Bodenbereich in Richtung der Seitenwände gesteuert werden kann.
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Gegen
Ende des Tiefziehvorgangs kommen die Centerblöcke 18 über das
Werkstück
an den Wandungen des negativen Formelementes 8 der negativen
Formhälfte
zum Anliegen, so dass nun auch zwischen den Centerblöcken und
den Teilen der negativen Formhälfte 2 keine
Relativbewegung mehr möglich
ist. In dieser Position kann nun entweder das Scherelement 22 nach
oben bewegt werden, oder die negative Formhälfte 2 zusammen mit
dem Werkstück,
den Centerblöcken 18,
dem Randflächenniederhalter 20 und
dem äußeren Niederhalter 24 nach unten
bewegt werden, während
das Scherelement 22 auf einen Anschlag läuft, und
das Scherelement somit bei einem weiteren Verfahren der restlichen Teile
eine Relativbewegung in Bezug auf diese ausführt, so dass das nun fertig
tiefgezogene Werkstück entlang
der Schnittkante 28 beschnitten wird.