DE19608985A1 - Ziehverfahren und -vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ziehverfahren, bei dem ein Werkstück zwischen ei­ nem Ziehstempel und einem Druckkissen mit einer durch ein Wirkmedium beaufschlagten Membran verformt wird, sowie eine Ziehvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Wirkmedienunterstützte Ziehverfahren der oben genannten Art dienen insbe­ sondere zum Tiefziehen von Blechwerkstücken und haben gegenüber Zieh­ verfahren mit mehrteiligen starren Werkzeugen, bei denen das Blech mit Hil­ fe des Ziehstempels gegen eine starre Matrize gepreßt wird, den Vorteil, daß bei einer Änderung der gewünschten Form des Werkstücks lediglich die Form des Ziehstempels geändert zu werden braucht, so daß verhältnismäßig geringe Werkzeugkosten anfallen. Weitere Vorteile bestehen darin, daß durch die Druckspannungsüberlagerung die übertragbare Schubspannung und damit der Umformungsgrad erhöht wird und daß durch überlagerte Zugspannungen der Spannungsgradient über die Blechdicke verringert wird, wodurch die Biegerückfederung stark herabgesetzt werden kann.

Nachteilig ist jedoch, daß die erforderliche Stempelkraft gegenüber der kon­ ventionellen Tiefziehbearbeitung sehr viel höher ist, da ein großer Anteil der Kraft für die elastische Verformung des Druckkissens verbraucht wird. Weite­ rere Nachteile sind die relativ geringe Lebensdauer der eingesetzten Mem­ bran sowie die gegenüber dem konventionellen Tiefziehen geringe Mengen­ leistung.

Diese Verfahren eignen sich deshalb besonders zur Herstellung von Prototy­ pen sowie von Klein- und Mittelserien. Besonders vorteilhaft sind diese Ver­ fahren bei verhältnismäßig kompliziert geformten Werkstücken, bei denen die beim Ziehen auftretenden Formänderungen schwer zu berechnen sind und deshalb hohe Kostenanteile auf die Entwicklung geeigneter Werkzeuge entfallen.

Neben dem hier betrachteten Ziehverfahren mit Membran sind auch wirkme­ dienunterstützte Ziehverfahren bekannt, bei denen ohne Membran gearbeitet wird. In diesem Fall wird das Blech auf der dem Ziehstempel entgegengesetz­ ten Seite unmittelbar durch das Wirkmedium, zumeist eine korrosionsschüt­ zende wäßrige Emulsion, beaufschlagt. Nachteile der Verfahren ohne Mem­ bran bestehen vor allem darin, daß die Abdichtung des Volumens, in dem das Wirkmedium eingeschlossen ist, angesichts der hohen Drücke sehr aufwen­ dig ist, daß das Wirkmedium im Fertigungsbetrieb leicht verschmutzen kann und daß der Verfahrensablauf zu langen Zykluszeiten führt.

Bei Tiefziehverfahren mit Membran lassen sich diese Nachteile vermeiden. Da jedoch bei den herkömmlichen Verfahren mit einer durchgehenden, im Normalzustand flachen Membran gearbeitet wird, müssen sehr hohe Anforde­ rungen an die mechanischen Eigenschaften der Membran gestellt werden. Die Membran muß einerseits den hohen statischen Drücken des Wirkmedi­ ums standhalten, muß jedoch andererseits ausreichend verformbar und dehnbar sein, damit sie sich an die durch den Ziehstempel bestimmte Form des Werkstücks anpassen kann. Die mechanische Beanspruchung führt zu einem hohen Verschleiß ander Membran, so daß dieses Verfahren bisher auf die Musterherstellung oder allenfalls auf die Fertigung kleinerer Serien be­ schränkt bleibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art anzugeben, mit denen die durch Verschleiß der Mem­ bran verursachten Kosten insbesondere bei größeren Ziehtiefen und/oder komplizierten Werkstückgeometrien verringert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den unabhängigen Patentan­ sprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß wird das Druckkissen durch wenigstens einen mit dem Wirkmedium gefüllten Membrankörper gebildet. Der Ziehstempel fährt in ei­ nen von dem Membrankörper oder den Membrankörpern umgebenen Be­ reich ein und drückt die Wände der Membrankörper auseinander. Auch bei verhältnismäßig großen Ziehtiefen wird folglich die Membran nicht tief ein­ gestülpt, sondern im wesentlichen nur zur Seite verdrängt, so daß die Ver­ formung der Membran wesentlich kleiner ist als beim Stand der Technik.

Dies vermindert nicht nur den Verschleiß an der Membran, sondern verrin­ gert auch die elastischen Zugspannungen, die beim Verformungsvorgang in der Membran auftreten. Hierdurch verringert sich die für den Verformungs­ vorgang erforderliche Stempelkraft. Da die Zugspannung in den parallel zur Umfangsfläche des Ziehstempels verlaufenden Membranbereichen geringer ist, wird eine Überbeanspruchung der Membran in den Rundungsbereichen am freien Ende des Ziehstempels vermieden. Außerdem kann In dem Über­ gangsbereich zwischen dem an einer Niederhalteplatte anliegenden Rand des Werkstücks und dem Umfang des Ziehstempels ein höherer Druck auf das Blech ausgeübt werden, so daß die dortigen Konturen besser ausgeformt wer­ den können. Die zwischen der Werkstückoberfläche und dem Ziehstempel auftretende Reibung trägt ebenfalls zur Verbesserung des Verformungsverhal­ tens des Bleches bei.

Durch die zwischen den Wänden des Membrankörpers oder der Membran­ körper gebildete Fuge, in die der Ziehstempel einfahrt, kann während des gesamten Verfahrensablaufs die Luft zwischen dem Blech und den Membra­ nen entweichen. Hierdurch werden Lufteinschlüsse vermieden, die insbeson­ dere bei schneller Verfahrensführung leicht zu einem sogenannten "Diesel- Effekt" führen könnten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Druckkissen in mehrere Membrankörper aufgeteilt. Bei unregelmäßig geformten Werkstücken kann die Aufteilung und Anordnung der Membrankörper an die Werkstückgeome­ trie angepaßt werden. Beispielsweise kann man bei einem Werkstück, dessen Querschnitt radial vorspringende Arme bildet, die Verformung der Membra­ nen durch eine Anordnung minimieren, bei der die Fugen zwischen den Membranen in Verlängerung dieser Arme verlaufen.

Im allgemeinen ist bei unregelmäßig geformten Werkstücken auch die me­ chanische Beanspruchung und damit der Verschleiß der Membranen lokal unterschiedlich. In diesem Fall ermöglicht es die Erfindung, dadurch Kosten zu sparen, daß nur die verschlissenen Membrankörper ausgewechselt werden und die weniger beanspruchten Membrankörper länger benutzt werden.

Vorzugsweise haben die Membrankörper eine identische Form, beispielswei­ se die Form von zylindrischen oder polygonalen Säulen, die an den Kanten leicht abgerundet sind. Bei polygonaler Form der Membrankörper kann das Volumen eines die Membrankörper aufnehmenden und abstützenden Troges schon bei geringem Fülldruck vollständig ausgefüllt werden, so daß die Zwi­ schenräume zwischen den Membrankörpern schneller geschlossen werden können.

Die einzelnen Membrankörper können Identische Formen aufweisen, so daß sie kostengünstig In großen Stückzahlen gefertigt werden können. Für spe­ zielle Anwendungen ist es jedoch möglich, einzelne Membrankörper hin­ sichtlich ihrer Geometrie, ihrer Wanddicke oder des Materials (verschleißfe­ stlgkeit, Gleitfahigkeit der Oberfläche), gezielt an die jeweiligen Anforderun­ gen anzupassen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform fährt der Ziehstempel nicht in einen zwischen mehreren Membrankörpern gebildeten Zwischenraum, sondern in den Innenraum eines einteiligen, ringförmigen Membrankörpers ein und schiebt dabei einen an der Stirnfläche des Werkstücks anliegenden Gegen­ stempel aus dem Innenraum des Membrankörpers heraus. Auch in diesem Fall wird die Verformung und damit der Verschleiß der Membran beträcht­ lich verringert. Durch den ringförmigen Membrankörper läßt sich dabei eine sehr gleichmäßige Verteilung des Druckes auf dem gesamten Umfang des Werkstücks erreichen.

Die beiden oben beschriebenen Ausführungsvarianten lassen sich auch in der Weise miteinander kombinieren, daß der ringförmige Membrankörper sei­ nerseits von einem weiteren ringförmigen Membrankörper oder mehreren säulenförmigen Membrankörpern umgeben ist. Auf diese Weise läßt sich ein- und dieselbe Vorrichtung zur Herstellung von Werkzeugen mit in weitem Be­ reich variierenden Abmessungen einsetzen. Bei Verschleiß braucht nur der relativ kleine innere ringförmige Membrankörper ausgewechselt zu werden.

Der Flansch des Ziehteils wird zwischen dem oder den Membrankörpern und der Niederhalteplatte geführt und mit der der erforderlichen Niederhalter­ pressung beaufschlagt. Die Niederhalteplatte, die zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs beweglich sein muß, ist vorzugsweise hydraulisch gegen das Werkstück spannbar, so daß die Niederhalterpressung verformungsabhängig variiert werden kann. Außerdem ermöglicht diese Konstruktion kurze Zyklus­ zeiten, da die Niederhalteplatte während des Ziehvorgangs im Sinne eines "Gegenziehvorgangs" verfahrbar ist.

Die Membrankörper werden vorzugsweise vor dem Verformungsvorgang mit einem bestimmten Anfangsdruck beaufschlagt. Die weitere Druckerhöhung während der Verformung kann dann ganz oder teilweise durch Verdrängung des Wirkmediums beim Einfahren des Ziehstempels bewirkt werden. Vor­ zugsweise wird gegen Ende des Ziehvorgangs der Druck des Wirkmediums in den Membrankörpers mit Hilfe eines steuerbaren Druckübersetzers erhöht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Drucksystem für die Betätigung der Niederhalteplatte hydraulisch mit dem Druckerzeugungssystem für das Wirkmedium gekoppelt, so daß die Niederhalterpressung stets an den Druck des Wirkmediums angepaßt ist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnun­ gen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ziehvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Trog und mehrere Membrankörper der Ziehvorrichtung in der Draufsicht;

Fig. 3 eine modifizierte Anordnung der Membrankörper in der Drauf­ sicht; und

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine Ziehvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung dient zum Verformen eines Werkstücks 10, beispielsweise eines ursprünglich kreisscheibenförmigen Bleches, mit Hilfe eines Ziehstempels 12 und eines Druckkissens 14. Das Druckkissen 14 wird durch mehrere Membrankörper 16 gebildet, die in einem Trog 18 un­ tergebracht und in gleichmäßigen Winkelabständen um die Achse A des Zieh­ stempels 12 verteilt sind (Fig. 2).

Der Trog 18 wird gebildet durch eine Grundplatte 20 und einen ringförmi­ gen Mantel 22, der durch einen Haltering 24 und Zugbolzen 26 mit der Grundplatte 20 zusammengehalten wird. Auf der Grundplatte 20 sind inner­ halb des Troges Klemmkegel 28 befestigt, an denen jeweils der Hals eines Membrankörpers 16 mit Hilfe eines Klemmrings 30 fixiert ist.

Die Membrankörper 16 haben im gezeigten Beispiel die Form aufrecht ste­ hender gerader Kreiszylinder, die den Innenraum des Troges 18 nahezu aus­ füllen und auf deren Deckflächen das Werkstück 10 aufliegt. Die Kanten in den Übergangsbereichen zwischen der Deckfläche und dem Mantel der Membrankörper sind jeweils leicht gerundet. Die Hohlräume zwischen den Hälsen der Membrankörper sind durch Füllstücke 32, 34 ausgefüllt.

In der Grundplatte 20 sind Kanäle 36 ausgebildet, die an eine gemeinsame Druckversorgungseinheit 38 angeschlossen und durch das Innere der Klemmkegel 28 hindurch mit dem Innenraum jedes Membrankörpers 16 verbunden sind. Das Innere der Membrankörper 16 ist mit einem flüssigen Wirkmedium, beispielsweise mit Öl gefüllt. Der Druck dieses Wirkmediums ist mit Hilfe der Druckversorgungseinheit 38 über die Kanäle 36 steuerbar. Die den einzelnen Membrankörpern 16 zugeordneten Kanäle 36 sind mitein­ ander verbunden, so daß in sämtlichen Membrankörpern stets derselbe Druck herrscht.

Die Wände der Membrankörper bestehen aus einem flexiblen und elastisch verformbaren, jedoch relativ Zug- und verschleißfesten Membranmaterial und besitzen vorzugsweise äußere Oberflächen mit guten Gleiteigenschaften.

Der Trog 18 ist nach oben durch eine Niederhalteplatte 40 abgeschlossen, die in dem ringförmigen Mantel 22 geführt und mit Hydraulikzylindern 42 gegen das Werkstück 10 spannbar ist, so daß das Werkstück mit seinem Randbereich zwischen der Niederhalteplatte 40 und dem Druckkissen 14 ge­ klemmt wird.

In einer abgewandelten Ausführungsform ist es auch möglich, das Werkstück 10 unmittelbar zwischen der Oberseite des zylindrischen Mantels 22 des Troges und der Niederhalteplatte 40 zu klemmen. In diesem Fall liegen die oberen Oberflächen der Membrankörper 16 mit dem oberen Rand des Tro­ ges 18 bündig.

Der Ziehstempel 12 Ist mit Hilfe eines nicht gezeigten Hydraulikantriebs längs der Achse A in das Innere des Troges 18 hinein verfahrbar. Zum Einle­ gen des Werkstücks 10 und zum Entfernen der fertigen Formteile fahren der Ziehstempel 12 und die Niederhalteplatte 40 nach oben.

Vor dem Einlegen des Werkstücks 10 wird in den Membrankörpern 16 ein bestimmter Druck aufrechterhalten, so daß die Membrankörper nicht zusam­ menfallen, sondern etwa die in Fig. 1 gezeigte Form annehmen, wobei je­ doch die Membrankörper vorzugsweise etwas "aufgebläht" sind, so daß ihre oberen Oberflächen leicht konvex sind. Auf diese Weise wird vermieden, daß es beim Auflegen des Werkstücks 10 zu Lufteinschlüssen zwischen dem Werkstück und den Membrankörpern kommt. Anschließend wird die Nieder­ halteplatte 40 abgesenkt, so daß sich die Oberseiten der Membrankörper flach an die Unterseite des Werkstücks 10 anlegen. Der Druck in den Mem­ brankörpern 16 und - proportional dazu - auch der Druck in den Hydraulikzy­ lindern 42 wird mit Hilfe der Druckversorgungseinheit 38 erhöht, so daß das Werkstück 10 fest zwischen der Niederhalteplatte 40 und den Membrankör­ pern 16 geklemmt wird. Die Membrankörper dehnen sich dabei so weit aus, daß sie das Innere des Troges vollständig ausfüllen, allenfalls bis auf eine sehr enge Fuge längs der Achse A, wo die Mantelflächen der Membrankörper an­ einandergrenzen.

Der Ziehstempel 12 wird dann in den Hohlraum des Troges 18 eingeführt, so daß das Werkstück 10 entsprechend der Form des Kopfes des Ziehstempels verformt wird. Dabei wird das Wirkmedium in den Membrankörpern 16 ver­ drängt, so daß der Druck in den Membrankörpern und folglich auch die Pressung der Niederhalteplatte 40 weiter ansteigen. Die Wände der Mem­ brankörper 16 weichen dem Ziehstempel und dem Werkstück 10 seitlich aus und schmiegen sich eng an das Werkstück an. Die den Membrankörpern zu­ gewandte Fläche des Werkstücks 10 ist somit einerseits dem statischen Druck des Wirkmediums und andererseits den beim weiteren Ausfahren des Ziehstempels auftretenden Reibungskräften ausgesetzt. Der Druck des Wirk­ mediums wird so hoch gewählt, daß die übertragbare Ziehspannung durch die Reibungskräfte deutlich gesteigert wird. Andererseits darf der Druck je­ doch nicht so weit erhöht werden, daß es im Übergangsbereich zwischen Niederhalteplatte und dem verformten Teil des Werkstücks zur Faltenbildung kommt. Der optimale Druckverlauf ist jeweils in Abhängigkeit von der Geo­ metrie und den Materialeigenschaften des Werkstücks zu bestimmen.

In der letzten Phase des Ziehvorgangs, wenn die Einfahrbewegung des Zieh­ stempels beendet ist, wird vorzugsweise der Druck noch einmal erhöht, um die Rückfederung des Bleches zu vermindern und um komplexere Konturele­ mente des Ziehteils auszuformen. Sofern der Ziehstempel mit abspreizbaren und zurückziehbaren Elementen versehen ist, können auch Ziehteile mit Hinterschneidungen geformt werden.

Fig. 3 zeigt eine leicht abgewandelte Ausführungsform der Membrankörper 16, die hier einen polygonalen Querschnitt aufweisen, so daß sie das Innere des Troges 18 bereits bei geringem Innendruck vollständig ausfüllen. In die­ sem Fall sind auch die vertikal verlaufenden Kanten der prismenförmigen Membrankörper leicht gerundet. Der Mantel 22 des Troges 18 ist an der in­ neren Oberfläche mit Vorsprüngen 44 versehen, die an die Kontur der Mem­ brankörper 16 angepaßt sind.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß in der Mitte des Troges 18 ein einteiliger ringförmiger Membrankörper 46 ange­ ordnet ist. Hierdurch wird eine gleichmäßigere Druckverteilung auf dem Umfang des topfförmig verformten Werkstücks 10 erreicht.

Das Innere des ringförmigen Membrankörpers 46 wird durch einen koaxial zu dem Ziehstempel 12 durch die Grundplatte 20 verlaufenden Gegenstem­ pel 48 ausgefüllt, dessen freies Ende an der Stirnfläche des Werkstücks an­ liegt. Der Gegenstempel 48 ist hydraulisch in Richtung auf den Ziehstempel 12 vorgespannt. Auch die Andruckkraft dieses Gegenstempels kann proportio­ nal zu dem Druck des Wirkmediums in dem Membrankörper 46 gesteuert werden, so daß die mit dem Gegenstempel erreichte Flächenpressung in einem geeigneten Verhältnis zu derjenigen des Membrankörpers 46 steht.

Ein solcher Gegenstempel 48 kann wahlweise auch bei dem Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 eingesetzt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind außerhalb des ringförmigen Membrankörpers 46 weitere einzelne Membrankörper 16 vorgesehen, die den Membrankörpern 16 in Fig. 1 entsprechen. Wahlweise kann jedoch der Membrankörper 46 auch der einzige Membrankörper sein.

Claims (10)

1. Ziehverfahren, bei dem ein Werkstück (10) zwischen einem Ziehstempel (12) und einem Druckkissen (14) mit einer durch ein Wirkmedium beauf­ schlagten Membran verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Druck­ kissen (14) durch wenigstens einen mit dem Wirkmedium gefüllten Mem­ brankörper (16; 46) gebildet wird und daß der Ziehstempel (12) in einen von dem Membrankörper (46) oder den Membrankörpern (16) umgebenen Be­ reich einfährt und die Wände des oder der Membrankörper auseinander­ drückt.

2. Ziehverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch des Ziehteils zwischen dem Membrankörper (46) oder den Mem­ brankörpern (16) und einer von dem Ziehstempel (12) durchlaufenen Nie­ derhalteplatte (40) geführt und mit einer konstanten oder variablen Nieder­ halterpressung beaufschlagt wird.

3. Ziehverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ preßkraft der Niederhalteplatte (40) gegen das Werkstück (10) in Abhängig­ keit von dem Druck des Wirkmediums in dem oder den Membrankörpern gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druck des Wirkmediums in dem oder den Membrankör­ pern (16; 46) in Abhängigkeit vom Weg des Ziehstempels (12) gesteuert wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehen­ den Ansprüche, mit einem Trog (18), der ein Druckkissen (14) mit einer durch ein Wirkmedium beaufschlagten Membran zur Abstützung eines Werk­ stücks (10) aufnimmt, und einem unter Verformung des Werkstücks in den Trog eindrückbaren Ziehstempel (12), dadurch gekennzeichnet, daß das Druckkissen durch mehrere mit dem Wirkmedium gefüllte, um die Bewe­ gungsachse (A) des Ziehstempels (12) herum angeordnete Membrankörper (16) gebildet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrankörper (16) die Form gerader Kreiszylinder haben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mem­ brankörper (16) im gefüllten, aber nicht gedehnten Zustand eine polygonale Querschnittsform haben und den Hohlraum des Troges (18) vollständig aus­ füllen.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehen­ den Ansprüche, mit einem Trog (18), der ein Druckkissen (14) mit einer durch ein Wirkmedium beaufschlagten Membran zur Abstützung eines Werk­ stücks (10) aufnimmt, und einem unter Verformung des Werkstücks in den Trog eindrückbaren Ziehstempel (12), insbesondere nach einem der Ansprü­ che 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckkissen einen mit dem Wirkmedium gefüllten ringförmigen Membrankörper (46) aufweist, das einen koaxial zu dem Ziehstempel (12) angeordneten und gegen das Werkstück (10) spannbaren Gegenstempel (48) umgibt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Membrankörper (46) oder die Membrankörper (16) an einer den Boden des Troges (18) bildenden Grundplatte (20) befestigt und über durch die Grundplatte (20) verlaufende Kanäle (36) mit einer Druckversor­ gungseinheit (38) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch eine von dem Ziehstempel (12) durchlaufene, gegen das Werkstück (10) spannbare Niederhalteplatte (40).