DE19513444A1

DE19513444A1 - Verfahren und Vorrichtung zum hydrostatischen Kaltverfahren von Blechen

Info

Publication number: DE19513444A1
Application number: DE1995113444
Authority: DE
Inventors: Konrad Schnupp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-13
Filing date: 1995-04-13
Publication date: 1996-10-17
Anticipated expiration: 2015-04-14
Also published as: DE19513444C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum hydrostatischen Kaltverformen von Blechhohlprofilen und ebenflächigen Blechkörpern zu räumlichen Gebilden.

Es sind verschiedenartigste Ausführungsformen von mit Kolbenhub arbeitenden Hochdruckpressen bekannt, mit denen flächenförmige Blechteile in Gesenken verformt werden. Der von solchen Pressen gelieferte Druck ist jedoch begrenzt, da mit steigendem Druck die Dimensionen der Presse erheblich zunehmen und außergewöhnlich hohe Drücke mit einem wirtschaftlich vernünftigen Aufwand nicht zu erzielen sind, weil die Einspannkräfte zum Festlegen des zu verformenden Blechteiles zu hoch würden und die Presse selbst überdimensionale Abmessungen annehmen müßte. Insbesondere in der Automobiltechnik ist man inzwischen bei der Herstellung von kompliziert geformten Blechkörpern mit vorhandenen Großpressen an Grenzen gestoßen.

Beispielsweise ist aus der DE-OS 41 34 956 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum hydrostatischen Umformen von flächenhaften Blechkörpern aus kalt verformbarem Material bekannt, bei dem der zu verformende, flächenhafte Blechkörper an beiden Breitflächen von je einer Dichtungszone nach außen abgeschlossen und in einer Endformphase eine erste Breitfläche des zu verformenden Körperbereichs mittels einer Druckflüssigkeit hydrostatisch beaufschlagt und der Körper durch die Druckflüssigkeit verformt wird, während er mit seiner zweiten Breitfläche gegen eine seine Endform festlegende Gravur gedrückt wird. Der Körper wird zwischen beiden Dichtungszonen unterschiedlich festgehalten. Vor einer Beaufschlagung der ersten Breitfläche in einer Anfangsphase wird zunächst die zweite Breitfläche mit Druckflüssigkeit hydrostatisch beaufschlagt und hierbei die erste Breitfläche gegen eine eine Vorform bildende Gravur gedrückt, die mindestens einem partiellen Körperbereich, der in der Endform eine größere Restwandstärke aufweisen soll, höchstens einen kleinen Verformungsweg, und mindestens einem anderen partiellen Körperbereich, der in der Endform eine geringere Restwandstärke aufweisen soll, einen größeren Verformungsweg gestattet.

Des weiteren ist aus dem EP-Patent 0 161 892 ein Verfahren zur Herstellung eines versteiften Wandteiles mit oberen und unteren Oberflächen sowie inneren Versteifungsgliedern bekannt, das aus einem ersten und einem zweiten Metallblech besteht, die superplastisch deformierbar sind, verdickte Bereiche zur Formgebung besitzt und wenigstens einen Kontrollbereich unterschiedlicher Dichte aufweist. Nach diesem Verfahren werden die Bleche längs Befestigungslinien miteinander verbunden, in eine Form eingelegt und auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt. Die Bereiche des ersten Bleches zwischen den Befestigungslinien, die von dem zweiten Blech ablegen, werden durch einen gemeinsamen Differentialdruck zusammengepreßt, so daß die superplastische Deformation auftritt und Hohlräume zwischen den beiden Blechen entstehen. Die Kontrollbereiche suchen etwa vorhandene ungleiche Beanspruchungen der superplastischen Deformation von Bereichen des ersten Bleches auszugleichen, das benachbarte Hohlräume der Serien bildet, derart, daß die inneren Versteifungsglieder die spezielle Gestalt und Lageanordnung einnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber ein Verfahren und eine Einrichtung zum hydrostatischen Kaltverformen von Blechteilen anzugeben, mit dem bzw. mit der mit möglichst geringem finanziellem und maschinellem Aufwand im jeweiligen Belastungsbereich ein extrem hoher Druck erzielt werden kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine der gewünschten Form des Werkstückes entsprechende Druckaufbaukurve des für die Verformung benötigten Werkstückinnendruckes realisiert wird, und daß gleichzeitig in Abhängigkeit von dem jeweiligen Innendruck die Zuhaltekräfte des den Blechkörper umgebenden Werkzeuges durch hydroelektronisch geregelte Druckzylinder in festgelegten partiellen Flächen aufgebracht werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein biegesteifes Gehäuse (Rahmen) zur Aufnahme des Druckzylinders bzw. der Druckzylinder und des Werkzeuges, ein Pressenober- und -unterteil, die beide starr miteinander verbunden sind, dem aus Ober- und Unterteil bestehenden Werkzeug mit einer Vorrichtung zum Öffnen und Herausnehmen des Werkstückes, und mit Zylindern zum axialen Abdichten, Stauchen, Beschneiden usw., und Einzelzylindern zum partiellen, gezielten Aufbringen von Schließkräften für das Überwinden der Kraftresultierenden aus dem Innendruck multipliziert mit der Anlagefläche und dem evtl. erwünschten Nachfließen des Materials des Werkstückes an den Einspannstellen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der Presse nach der Erfindung wird anstelle des bei extrem hohen Preßdrücken erforderlichen großen Hubes einer Hochleistungspresse mit entsprechend hohen Kosten eine wesentlich billigere und besonders effektive Lösung dadurch erzielt, daß eine relativ kleine Presse mit steifem Rahmen, minimalem Hub, innenliegendem Druckkissen und partieller mosaikförmig zusammengesetzter Kraftzuordnung geschaffen wird. Die partielle Kraftzuordnung erfolgt durch Verwendung von Einzelzylindern bzw. partiellen Zylindern, die auf das bewegliche Werkzeugteil einwirken, die dem im Werkstückträger aufgebrachten Innendruck entgegenwirken, und die durch unterschiedliche, der Druckaufbaukurve analog der gewünschten Werkstückteilformen entsprechende Drücke beaufschlagt werden, sowie durch eine gezielte Geometrie der Druckkissen. Die Werkstückteilformen können beliebiger Art sein, z. B. quadratisch, rechteckförmig, kreisrund, rautenförmig, vieleckförmig, unregelmäßig geformt usw. Es können komplizierte Werkstückformen kalt geformt werden, die in Einzelabschnitten unterschiedliche Formen und unterschiedliche Volumina mit unterschiedlichen Aufweitungen und Materialstreckungen haben, denen demzufolge unterschiedliche Drücke bzw. Druckstärken an den unterschiedlichen Einzelabschnitten aufgegeben werden. Je nach der gewünschten Form und dem davon abhängigen Verformungsgrad des Werkstückes werden die Druckzylinder mit sehr unterschiedlichen Drücken bzw. Zuhaltekräften beaufschlagt. Die werkstückbezogenen Zylinder legen die Zuhaltung fest und sind in der Geometrie den jeweiligen Werkstückteilflächen angepaßt. Der Druckverlauf steht im Verhältnis zur Umformarbeit, damit ein gezieltes Nachfließen des Materials erreicht werden kann. Die partielle Unterteilung wird einerseits geometrisch, andererseits druck- bzw. kraftmäßig vorgenommen.

Die erfindungsgemäße Presse ist so ausgelegt, daß auf unterschiedliche Druckanforderungen rasch reagiert werden kann, insbesondere weil eine sehr steife Konstruktion, ein geringes Ölvolumen und ein extrem geringer Hub (einige mm) zur Anwendung kommen, und weil die Presse praktisch hysteresefrei betrieben werden kann. Die steife Rahmenkonstruktion der Presse ist sehr billig zu bauen und hat den Vorteil, daß sie sehr hoch, beispielsweise mit mehreren tausend Tonnen, belastet werden kann.

Generell ist die erfindungsgemäße Presse verwendbar für hohe Zuhaltekräfte bei minimalem Wege bzw. Hub. Die Presse ist sehr kompakt und erfordert in der Konstruktion keine besonders hohe Genauigkeit. Die Zylinder können Winkelabweichungen und Meßungenauigkeiten kombinieren, so daß sie den Spalt ausfüllen. Das innenliegende Druckkissen ist z. B. in Form von Gummimembranen, verschweißten Blechplatinen oder Klipperböden ausgebildet. Im Falle der Verwendung von Gummimembranen sind an den Öffnungsstellen zwischen oberem und unterem Werkzeug Stützbleche vorgesehen, die aufvulkanisiert sein können.

Die Druckzylinder sind Membranzylinder mit kleinem Volumen und geringer Kompressionsmenge, die nahezu hysteresefrei arbeiten; sie sind geometrisch so ausgelegt und mit differenziertem Druck beaufschlagt, daß sie in Abhängigkeit von dem jeweiligen Innendruck die dazugehörige ideale Schließkraft lokal aufbringen können. Die Presse ist dadurch automatisierbar, daß das Druckkissen verfahrbar ausgebildet wird und das Werkzeug zum Wechseln des Werkstückes selbsttätig geöffnet werden kann. Dieses Öffnen und das Herausnehmen des Werkstückes aus dem Werkzeug erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Servozylindern.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Presse nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Schemadarstellung eines Werkstückes, das die Aufteilung der Zuhaltezylinder am Werkzeug werkstückbezogen zeigt,

Fig. 3-12 verschiedene Ausführungsformen von partiellen Zylindern,

Fig. 13 eine schematische Pressendarstellung mit ausgefahrenem Druckkissen und geschlossenem Werkzeug,

Fig. 14 eine Pressendarstellung mit ausgefahrenem Druckkissen und geöffnetem Werkzeug, und

Fig. 15 den Kurvenverlauf der Schließkraft und des Innendruckes in Abhängigkeit von der Zeit.

Die in Fig. 1 dargestellte Presse besteht aus einem Werkzeugoberteil 1 und einem Werkzeugunterteil 2, die das Werkstück 3 umschließen und seitlich bei 4 und 5 festklemmen, ferner aus partiellen Zuhaltezylindern 6, 7, 8, 9 sowie einem Pressenoberteil 10 und einem Pressenunterteil 11, die Bestandteil des gesamten Pressenrahmens 12 sind. Eine Ausführungsform eines Werkstückes 5 ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei sind den Teilflächen dieses Werkstückes partielle Druckzylinder, die durch Quadrate und Rechtecke 6, 7, 8 usw. dargestellt sind; die partiellen Zylinder wirken auf das Werkzeugoberteil ein und werden mit unterschiedlichen Zuhaltedrücken zum Aufbringen der partiellen Schließkräfte beaufschlagt.

In den Fig. 3-12 sind verschiedene Ausführungsformen derartiger partieller Zylinder dargestellt. Dabei ist mit 13 jeweils die Druckmittelzuleitung, mit 14 das Pressenoberteil, mit 15 das Werkzeugoberteil und ein Druckkissen, z. B. mit 16 eine Gummimembran (Fig. 3 und 4), mit 17 (Fig. 5 und 6) ein Stahlblech, in den Fig. 7 und 8 mit 18 eine Gummiblase, in Fig. 9 und 10 mit 19 eine Blechblase jeweils mit Stützblechen 20 an den beiden gegenüberliegenden Enden, und in den Fig. 11 und 12 mit 21 eine Membran 21 aus Gummi oder Blech dargestellt. Die jeweils zusammengehörigen Fig. 3 und 4, 5 und 6, usw. zeigen in der ersten Darstellung jeweils den geschlossenen und in der zweiten Darstellung den geöffneten Zustand.

Die Fig. 13 und 14 zeigen eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Presse, bei der ein Druckkissen 22 aus der Presse ausfahrbar und ausgefahren dargestellt ist. Dieses Ausfahren kann selbsttätig gesteuert werden und gibt den Raum über dem Werkzeugoberteil 1 frei, so daß das Werkzeugoberteil 1 durch Hilfszylinder 23, 24 angehoben und das Werkstück 3 aus der Presse entfernt werden kann.

In der graphischen Darstellung nach Fig. 15 sind die Schließdrücke, die die erforderliche Schließkraft SK für das Werkzeug ergeben, in Verbindung mit dem im Werkstückinneren herrschenden Innendruck P_i dargestellt. Dabei sind die Kurven SK_I und SK_II zusammen mit dem Gesamtschließdruck SK für die Teilzylinder I und II für die in der erfindungsgemäßen Presse herrschenden Bedingungen aufgetragen, während die Schließkraft SK₀ als konstante horizontale Linie angedeutet ist; diese Schließkraft ist erforderlich, wenn keine Regelung vorhanden ist. SK bezeichnet die Schließkraft des Werkzeuges bzw. eines der Einzelzylinder, die für das gezielte Nachfließen im Klemmbereich zwischen den beiden Werkzeughälften notwendig ist, an der Stelle A (Anliegepunkt) berührt das Werkstück die Innenkontur des Werkzeuges, wenn im Werkstückinneren ein entsprechender Druck aufgebaut wird. Durch fortwährend abgestimmtes Klemmen des Werkstückes wird ein gezieltes Nachfließen des Werkstückmaterials bei einem Aufweiten erzielt.

Claims

1. Verfahren zum hydrostatischen Kaltverformen von Hohlprofilen und flächenhaften Blechkörpern zu räumlichen Gebilden (Werkstücken), dadurch gekennzeichnet, daß eine der gewünschten Form des Werkstückes entsprechende Druckaufbaukurve des für die Verformung benötigten Werkstückinnendruckes realisiert wird, und daß gleichzeitig abhängig vom jeweiligen Innendruck die Zuhaltekräfte des den Blechkörper umgehenden Werkzeuges durch hydroelektronisch geregelte Druckzylinder in festgelegten Flächenabschnitten aufgebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine partielle Kraftzuordnung des Innendruckes im Werkstück durch gezielte Geometrie des Druckkissens und durch unterschiedliche Druckbeaufschlagung (druckgeregelte Achsen) vorgenommen wird.

3. Vorrichtung zum hydrostatischen Kaltverformen von Hohlprofilen und flächenhaften Blechkörpern zu räumlichen Gebilden (Werkstücken) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

a) ein biegesteifes Gehäuse (Rahmen) zur Aufnahme des Druckzylinders/der Druckzylinder und des Werkzeuges,
b) ein Pressenober- und -unterteil, die beide starr miteinander verbunden sind,
c) das Werkzeug aus Ober- und Unterteil mit einer Vorrichtung zum Öffnen und Herausnehmen des Werkstückes, und mit Zylindern zum axialen Abdichten, Stauchen, Beschneiden etc., und
d) Einzelzylinder zum partiellen, gezielten Aufbringen von Schließkräften für das Überwinden der kraftresultierenden, aus dem Innendruck multipliziert mit der Anlagefläche, und dem evtl. Nachfließen des Materials des Werkstückes an den Einspannstellen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelzylinder werkstückbezogen und in der Geometrie dem Werkstück angepaßt ausgelegt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Hilfszylinder am Werkzeugober- und -unterteil zum Herausnehmen des Werkstückes vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der das Werkzeug beaufschlagenden Zuhaltezylinder wie auch des Innendruckes zum Verformen des Werkstückes entsprechend der Druckaufbaukurve mit Servotechnik und CNC erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelzylinder Membranzylinder mit kleinem Volumen und damit niedriger Kompressionsmenge sind, die so ausgelegt und mit differenziertem Druck beaufschlagt sind, daß abhängig von dem jeweiligen Innendruck die dazugehörige ideale Schließkraft lokal aufgebracht werden kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die partiellen Zylinder als verschweißte Blechplatine ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die partiellen Zylinder als Gummiblase ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschicken und Entnehmen des Werkstückes und/oder der Druckaufbau an den partiellen Zylindern vollautomatisch abläuft.