DE19643076C2 - Vorrichtung zum in einem Arbeitsgang erfolgenden Stanzen und Fügen mindestens zweier Blechteile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Stanzen und Fügen von mindestens zwei aus Blechen gewonnenen Blechteilen zu einer Platine, welche mit einer Schneidmatrize, einem Niederhalter und einem Stempel ausgestattet ist und die bei zwischen dem Niederhalter und der Schneidmatrize aufeinander liegend eingespannten Blechen in einem Arbeitsgang mit dem Stempel aus dem einen Blech eines der Blechteile ausstanzt und anschließend bei fortgesetztem Arbeitshub des Stempels in das andere Blechteil eine Ausnehmung stanzt, wobei das zuerst ausgestanzte Blechteil während des Ausstanzens der Ausnehmung aus dem anderen Blechteil als aktives Teil des Stempels wirkt und wobei das zuerst ausgestanzte Blechteil nach Beendigung des Stanzens der Ausnehmung des zweiten Blechteils passgenau in diese gefügt ist. Eine solche Vorrichtung ist aus der Deutschen Patentschrift DE 41 10 418 C1 bekannt.

Insbesondere von Seiten der Automobilindustrie besteht in zunehmendem Maße die Anforderung, im Hinblick auf eine größtmögliche Gewichtsersparnis die Blechdicke einzelner Karosseriebauteile weiter zu verringern. Aus diesem Grund ist man dazu übergegangen, einzelne Bauteile der Karosserie aus Blechplatinen zu formen, die aus einem dünnen ersten Blechteil gebildet sind, in das an bestimmten im Einsatz des Bauteils höher belasteten Abschnitten ein zweites Blechteil größerer Blechdicke eingeschweißt ist. Derart gebildete Platinen werden in der Fachsprache als "Tailored Blanks" bezeichnet.

Herkömmlicher Weise werden zur Herstellung von "Tailored Blanks" zunächst mittels üblicher Schneidwerkzeuge oder mittels Laserschneiden die Ausnehmungen der ersten Blechteile hergestellt, in die anschließend in einem separaten Arbeitsgang die vorbereiteten zweiten Blechteile anderer Materialstärke eingesetzt werden. Dann werden die Blechteile in der Regel durch ein Strahlschweißverfahren, insbesondere durch Laserstrahlschweißen, miteinander verbunden.

Zum Einfügen des zweiten Blechteils in die Ausnehmungen des ersten Blechteils sind aufwendige Spann- und Ausrichtarbeiten erforderlich. Diese Arbeiten, die Notwendigkeit der Verwendung mehrerer unterschiedlicher Schneidwerkzeuge, der mit der Bevorratung der unterschiedlichen Bauteile einhergehende logistische Aufwand und der mit der Vielzahl von Arbeitsgängen verbundene Personalaufwand führt zu hohen Kosten bei der herkömmlichen Herstellung von "Tailored Blanks".

Die Nachteile des voranstehend erläuterten Vorgehens bei der Herstellung von "Tailored Blanks" konnten durch die Einführung des aus der DE 41 10 418 C1 bekannten Herstellverfahrens bei Verwendung einer mit den eingangs genannten Merkmalen ausgestatteten Vorrichtung gemindert werden. Bei dieser bekannten Vorgehensweise werden zwei ungeschnittene Bleche gleicher oder unterschiedlicher Blechdicke zwischen dem Niederhalter und der Schneidmatrize eingespannt. Dabei ist das Blech, aus dem die Ausnehmung ausgestanzt werden soll, in Schneidrichtung des Stempels unter dem Blech angeordnet, aus dem das zweite, in die Ausnehmung des ersten Blechteils einzufügende Blechteil ausgestanzt wird.

Durch die aufeinander liegende Anordnung der unbearbeiteten Bleche im Arbeitsweg des Stempels ist es möglich, das Ausstanzen und Fügen der Blechteile mit einem Stempelhub, d. h. in einem Arbeitsschritt, vorzunehmen. Nach Durchführung dieses Arbeitsschritts sind die beiden Blechteile passgenau ausgerichtet und können sofort verschweißt werden.

Bei der praktischen Erprobung des bekannten Verfahrens zeigt sich, daß es aufgrund der hohen Belastungen der Blechteile während des Schneidvorgangs zu erheblichen Verformungen besonders im Kantenbereich der Stanz- und Fügezone kommt. Diese Verformungen führen dazu, daß die Blechteile während des anschließenden Verschweißens eingespannt und gerichtet werden müssen um eine plane Zuordnung der Blechteile sicherzustellen. Darüber hinaus ist die zwischen dem ersten und zweiten Blechteil gebildete Fuge von derart ungenügender Qualität, daß beim Verschweißen unsaubere Nähte und Poren in der Schweißnaht entstehen, die einen nachfolgenden Umformvorgang behindern oder unmöglich machen können. Dies erweist sich insbesondere dann als problematisch, wenn korrosionsgeschützte, insbesondere verzinkte Bleche verarbeitet werden. Darüber hinaus ist ein Transport der Rohplatinen nicht möglich, da bereits bei kleinsten Beanspruchungen durch beim Transport auftretende Kräfte und Erschütterungen eine sofortige Trennung der beiden Blechteile erfolgt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik eine Vorrichtung zu schaffen, mit der sich in einem Arbeitsschritt ineinander gefügte Bauteile mit ausreichend hoher Qualität herstellen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, bei der durch mindestens einen Gegenhalter, welcher bei zwischen dem Niederhalter und der Schneidmatrize angeordneten Blechen diese in ihrer Stanz- und Fügezone gegen die Belastung durch den Stempel abstützt, und bei der durch mindestens ein Druckübertragungselement, über das bei zwischen dem Niederhalter und der Schneidmatrize angeordneten Blechen diese im Bereich des Randes der Stanz- und Fügezone mit einer Druckkraft belastet sind.

Durch die gegenüber dem bekannten Stand der Technik zusätzliche kombinierte Verwendung eines Gegenhalters und eines Druckübertragungselements können Verformungen der Blechteile während des Stanzens und Fügens weitgehend ausgeschlossen werden. So verhindert der Gegenhalter eine flächige Verformung der Bauteile. Gleichzeitig kann über das Druckübertragungselement die zu stanzenden und zu fügenden Bleche im Bereich des Randes der Stanz- und Fügezone, d. h. in dem Bereich, in dem die Bleche geschnitten werden, ein definierter Spannungszustand erzeugt werden. Indem das Druckübertragungselement eine bestimmte Form aufweist und in einem bestimmten Abstand zum Rand der Stanz- und Fügezone angeordnet ist und indem zusätzlich über das Druckübertragungselement in ihrer Größe und Richtung bestimmte Druckkräfte auf die Bleche einwirken, kann dieser Spannungszustand derart vorbestimmt werden, daß die für den Stanzvorgang entscheidenden Größen wie Kanteneinzug, Schneidgrad, Anteil des Glattschnittanteils optimiert sind. Der derart eingestellte Spannungszustand fördert ein schnelles Plastifizieren der Blechwerkstoffe im Schneidbereich, so daß sich Schneidflächen von optimaler Qualität ausbilden.

Letzteres ist um so bemerkenswerter, als daß das zweite, in die Ausnehmung des ersten Blechteils einzufügende Teil während des Ausstanzens des ersten Teils als aktives Schneidelement für den auszustanzenden Bereich dient. Aus diesen Gründen eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere auch zur Verarbeitung von oberflächenveredelten Blechteilen. Bei derart veredelten Blechen besteht bei zu geringem Glattschnittanteil und zu großem Kanteneinzug die Gefahr, daß Partikel des Beschichtungswerkstoffes (z. B. Zink) in den Fügespalt gelangen. Die in den Fügespalt gelangten Partikel führen beim anschließenden Schweißen zu einer Verminderung der Qualität der Schweißnaht.

Der hohe Glattschnittanteil und die damit einhergehenden geringen im Bereich der Schneidkanten entstehenden Verformungen führen nicht nur dazu, daß die Schneidkante eine im Hinblick auf das nachfolgende Verschweißen der beiden Bauteile günstige Form aufweist. Zusätzlich sind die beiden Blechteile nach dem Einfügen des zweiten Blechteils aufgrund der hohen Genauigkeit des Schneidvorgangs und der damit einhergehenden präzisen Übereinstimmung der Außenkontur des zweiten Blechteils und der Ausnehmung des ersten Blechteils in hohem Maße miteinander verklammert. Dies ermöglicht den Transport und die Weiterverarbeitung der gefügten Blechteile ohne die Notwendigkeit aufwendiger Spann- und Richtarbeiten.

Auch ist es nicht mehr erforderlich, die Blechteile beim Verschweißen gegeneinander fixiert einzuspannen. Auf diese Weise werden durch das Schweißen verursachte Spannungen vermieden, welche entstehen, wenn die Schweißung an einem eingespannten Werkstück vorgenommen wird. Dies wiederum erleichtert eine nachfolgende Umformung der aus den zusammengefügten Blechteilen gebildeten Platine.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, Blechteile in einem Arbeitsschritt zu stanzen und zu fügen, die eine gleiche Materialstärke aufweisen. In diesem Fall bestehen die Blechteile vorzugsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei das jeneige Blechteil, welches später den stärker beanspruchten Bauteilbereich bildet, typischerweise aus einem Werkstoff höherer Festigkeit besteht als das andere. Besonders eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung aber zum Stanzen und Fügen von Blechteilen, die eine unterschiedliche Materialstärke aufweisen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die in das erste Blechteil einzufügende zweite Blechteil eine größere Materialstärke aufweist als das erste.

Je nach Anwendungsfall ist es günstig, wenn das Druckübertragungselement die Stanz- und Fügezone im wesentlichen vollständig umgibt. Auf diese Weise lassen sich optimale Schneidergebnisse am gesamten Umfang der Schneid- und Fügezone erzielen. Wird das Druckübertragungselement an dem Niederhalter oder der Schneidmatrize angeordnet, lassen sich die auf die Bleche einwirkenden Einspannkräfte zum Erzeugen der gewünschten Spannungszustände in den Blechen nutzen. Ebenso lassen sich die von dem Stempel ausgeübten Schneidkräfte nutzen, wenn ein Druckelement an dem Stempel oder dem Gegenhalter ausgebildet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungselement einen die Form eines Zacken aufweisenden Querschnitt besitzt, dessen Spitze den Blechen zugeordnet ist. Ein derart ausgebildetes Druckübertragungselement ist leicht herzustellen und erlaubt das konzentrierte Einleiten hoher Druckkräfte in einen exakt vorbestimmbaren Bereich geringer Breite. Dabei kann es, je nach Anwendungsfall, günstig sein, wenn der Querschnitt im Bereich seiner Spitze eine bezogen auf eine Senkrechte zur Oberfläche der Bleche symmetrische Form aufweist. Alternativ kann der Querschnitt im Bereich seiner Spitze eine bezogen auf die Senkrechte zur Oberfläche der Bleche unsymmetrische Form aufweisen.

Stellt sich heraus, daß die Flächenbelastung der Bleche zu hoch wird, kann es günstig sein, wenn die Spitze des Querschnitts abgerundet ist. Ebenso kann eine breitere Verteilung der Spannungen dadurch erreicht werden, daß die Spitze des Querschnitts abgeflacht ist.

Die für ein optimales Schneidergebnis günstigsten Spannungszustände können im Verlauf der Schneidlinie Abhängigkeit der auszustanzenden Form unterschiedlich sein. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt des Druckübertragungselements über dessen Verlauf ungleichförmig ausgebildet ist. In diesem Zusammenhang kann es zudem vorteilhaft sein, wenn das Druckübertragungselement aus einer Mehrzahl von Einzelsegmenten gebildet ist. Diese Ausgestaltung erlaubt es, auf einfache Weise ein hinsichtlich seiner Kontur für jeden Anwendungsfall optimal ausgestaltetes Druckübertragungselement zusammenzustellen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Einzelsegmente unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen.

Hohe Standzeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich dadurch erreichen, daß das Druckübertragungselement im Bereich seiner mit den Blechen in Kontakt kommenden Flächen mit einer Verschleißbeschichtung ausgestattet ist.

Grundsätzlich ist es möglich, das Druckübertragungselement an jedem Bauteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung anzuordnen, das Druckkräfte auf die Bleche ausübt. Daher ist es in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall günstig, wenn, jeweils alternativ oder ergänzend, ein Druckübertragungselement an dem Niederhalter, dem Schneidstempel, der Schneidmatrize und/oder dem Gegenhalter ausgebildet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Stanzen und Fügen in einer ersten Arbeitsstellung in einer schematischen Schnittansicht;

Fig. 2 die Vorrichtung zum Stanzen und Fügen nach Fig. 1 in einer zweiten Arbeitsstellung in einer schematischen Schnittansicht;

Fig. 3 eine aus zwei Blechteilen gebildete Platine in einer perspektivischen Ansicht.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung weist einen Niederhalter 1, eine Schneidmatrize 2, einen in einer Durchgangsöffnung 1a des Niederhalters 1 axial verschiebbaren Stempel 3 und einen in einer der Durchgangsöffnung 1a des Niederhalters 1 gegenüberliegend und koaxial angeordneten Durchgangsöffnung 2a der Schneidmatrize 2 axial verschiebbar angeordneten Gegenhalter 4 auf. Sowohl der Stempel 3 als auch die Öffnung 2a der Schneidmatrize weisen einen kreisrunden Querschnitt auf.

An dem Niederhalter 1 ist auf dessen der Schneidmatrize 2 zugeordneten Seite 1b und angrenzend an seine Durchgangsöffnung 1a ein ringförmiger Absatz 1c ausgebildet. Der Absatz 1c trägt ein erstes ebenfalls ringförmiges Druckübertragungselement 5.

Das Druckübertragungselement 5 weist einen zackenförmigen Querschnitt auf, der die Form eines bezüglich einer Senkrechten zur Oberfläche der Seite 1a symmetrisch ausgebildeten, gleichschenkligen Dreiecks besitzt. Die Höhe h des Druckübertragungselements 5 ist maximal gleich der Dicke des ihm zugeordneten, in der Vorrichtung verarbeiteten Bleches B. Die aufgrund der Querschnittsform an dessen freier Stirn gebildete Ringkante des Druckübertragungselements 5 mit einem Abstand x ist zu dem durch die Kante 2b der Durchgangsöffnung 2a der Schneidmatrize festgelegten Randes der Schneid- und Fügezone angeordnet.

Auch an der dem Niederhalter 1 zugeordneten Stirnseite 4a des Gegenhalters 4 ist ein ringförmiges Druckübertragungselement 6 angeordnet. Dieses weist wie das Druckübertragungselement 5 einen zackenförmigen, symmetrisch bezüglich der Oberfläche ausgebildeten dreiecksförmigen Querschnitt und eine Höhe auf, die ebenfalls höhchstens gleich der Dicke des ihm zugeordneten, in der Vorrichtung verarbeiteten zweiten Bleches A ist. Die Ringkante des Druckübertragungselements 6 ist mit einem Abstand y zu der Kante 2b der Durchgangsöffnung 2a der Schneidmatrize 2 angeordnet. Durch die von der Kante 2b der Schneidmatrize 2 beabstandete Anordnung der Druckübertragungselemente 5, 6 und deren Formgebung wird bei vorgegebenen Kräften ein vorbestimmter Spannungszustand in die Bleiche A, B induziert.

Zur Vorbereitung des Stanz- und Fügevorgangs werden, wie in Fig. 1 gezeigt, zwischen der Schneidmatrize 2 und dem Niederhalter 1 Bleche A, B angeordnet, von denen das auf der Schneidmatrize 2 aufliegende Blech A eine geringe Materialstärke aufweist als das auf ihm liegende dickere Blech B. Die Außenform des Blechs A entspricht der gewünschten äußeren Endform der Platine P, die aus dem aus dem Blech A hergestellten Blechteil a und dem aus dem dickeren Blech B ausgestanzten Blechteil b gebildet wird.

Dann wird der Niederhalter 1 abgesenkt, bis das Druckübertragungselement 5 in den Verschnittbereich des Blechs B eingesenkt ist und der Niederhalter 1 auf dem Blech B aufsitzt. Die von dem Niederhalter 1 aufgebrachten Einspannkräfte wirken auf diese Weise über das Druckübertragungselement 5 und die Anpressfläche des Niederhalters 1 auf die Bleche A, B ein. So wird in die Bleche A, B ein Spannungszustand induziert, der das Ergebnis des nachfolgenden Stanz- und Fügeprozesses begünstigt.

Gleichzeitig ist die im Bereich der Durchgangsöffnung 2a der Schneidmatrize 2 angeordnete Stanz- und Fügezone der Bleche A, B durch die Stirnfläche des an sie herangefahrenen Gegenhalters 4 abgestützt. Der Stempel 3 hat demgegenüber noch keinen Kontakt mit dem ihm zugeordneten dickeren Blech B.

Anschließend wird der Stempel 3 gegen das dickere Blech B gefahren. Bei auf den Blechen A, B lastendem Stempel 3 wird über das Druckübertragungselement 6 des Gegenhalters 4 zusätzlich zu der über das Druckübertragungselement 5 erzeugten Spannung eine weitere Spannung in die Stanz- und Fügezone der Bleche A, B induziert. Auch das Druckübertragungselement 6 ist dabei vollständig in den Verschnittbereich c des Blechs A eingesenkt, bis der Verschnittbereich c auf dem Gegenhalter 4 aufliegt. Der so erzeugte Spannungszustand der Bleche A, B wird benutzt, um durch weiteres axiales Vorfahren des Stempels 3 und entsprechendes Zurückfahren des Gegenhalters 4 beide Bleche A, B gleichzeitig zu stanzen. Dabei arbeitet das aus dem dickeren Blech B ausgestanzte Blechteil b als aktiver Teil des Stempels 3 beim Ausstanzen der Ausnehmung des Blechteiles a. Die Bewegung des Stempels 3 und des Gegenhalters 4 wird solange fortgesetzt, bis die dem Stempel 3 zugeordnete obere Fläche des Blechteils b bündig mit der oberen, dem Niederhalter 1 zugeordneten Fläche des nun ringförmigen Blechteils a ausgerichtet ist (Fig. 2).

Aufgrund der geringen Breite des beim Stanzen der Bleche A, B entstehenden Schneidspalts sind die Blechteile a, b in diesem Zustand im Bereich der zwischen den Blechteilen a, b entstandenen Fuge F miteinander derart fest verklammert, daß die Verbindung zwischen ihnen nur mit großem Kraftaufwand gelöst werden kann.

Es wird nun der Stempel 3 zurück- und der Gegenhalter 4 hochgefahren. Dabei drückt der Gegenhalter 4 nach Art eines Auswerfers das aus dem Blechteil A ausgestanzte Verschnitteil c aus der Durchgangsöffnung 2a der Schneidmatrize 2. Die aus dem Blechteil a und dem Blechteil b gebildete Rohplatine kann nun aus der Vorrichtung entnommen werden und einer nicht gezeigten Schweißstation zugeführt werden. Weder bei dem Transport der Rohplatine zu der Schweißstation noch beim Schweißen selbst sind aufgrund der festen Verklammerung der Blechteile a, b aufwendige Einspann- oder Richtmaßnahmen erforderlich. Zudem wirkt sich die geringe Breite der Fuge F zwischen den Blechteilen a, b günstig auf das Schweißergebnis aus.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Stanzen und Fügen von mindestens zwei aus Blechen (A, B) gewonnenen Blechteilen (a, b) zu einer Platine (P), welche mit einer Schneidmatrize (2), einem Niederhalter (1) und einem Stempel (3) ausgestattet ist und die bei zwischen dem Niederhalter (1) und der Schneidmatrize (2) aufeinander liegend eingespannten Blechen (A, B) in einem Arbeitsgang mit dem Stempel (3) aus dem einen Bleche (B) eines der Blechteile (b) ausstanzt und anschließend bei fortgesetztem Arbeitshub des Stempels (3) in das andere Blechteil (a) eine Ausnehmung stanzt, wobei das zuerst ausgestanzte Blechteil (b) als aktives Teil des Stempels (3) wirkt und wobei das zuerst ausgestanzte Blechteil (b) nach Beendigung des Stanzens der Ausnehmung des zweiten Blechteils (a) passgenau in diese gefügt ist, gekennzeichnet
durch einen Gegenhalter, welche bei zwischen dem Niederhalter (1) und der Schneidmatrize (2) angeordneten Blechen (A, B) diese in ihrer Stanz- und Fügezone gegen die Belastung durch den Stempel (3) abstützt, und
durch mindestens ein Druckübertragungselement (5, 6), über das bei zwischen dem Niederhalter (1) und der Schneidmatrize (2) angeordneten Blechen (A, B) diese im Bereich des Randes (2b) der Stanz- und Fügezone mit einer Druckkraft belastet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungselement (5, 6) die Stanz- und Fügezone im wesentlichen vollständig umgibt.

3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungselement (5, 6) einen die Form eines Zacken aufweisenden Querschnitt besitzt, dessen Spitze den Blechen (A, B) zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze des Querschnitts abgerundet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze des Querschnitts abgeflacht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Druckübertragungselements (5, 6) über dessen Verlauf ungleichförmig ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungselement (5, 6) aus einer Mehrzahl von Einzelsegmenten gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsegmente unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungselement (5, 6) mindestens im Bereich seiner mit den Blechen (A, B) in Kontakt kommenden Flächen mit einer Verschleißbeschichtung ausgestattet ist.

10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckübertragungselement (5, 6) an dem Niederhalter (1), dem Stempel (3), der Schneidmatrize (2) und/oder dem Gegenhalter (4) ausgebildet ist.