DE19709513A1

DE19709513A1 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Formteilen aus miteinander verbundenen Blechzuschnitten

Info

Publication number: DE19709513A1
Application number: DE1997109513
Authority: DE
Inventors: Attila Dipl Ing Gartzke; M Prof Dr Ing Kleiner
Original assignee: Individual
Current assignee: KLEINER, MATTHIAS, PROF. DR- ING., 58739 WICKEDE,
Priority date: 1997-03-09
Filing date: 1997-03-09
Publication date: 1998-09-10

Description

Stand der Technik

Zur Herstellung von Hohlkörpern aus Blech sind zwei grundsätzliche Möglichkeiten be kannt:

1) Herstellung von einzelnen Blechschalen z. B. durch Tiefziehen, Drücken oder Biegen und anschließendes Verbinden der Blechschalen zu einem Hohlkörper z. B. durch thermi sche Fügeverfahren wie z. B. Rollnahtschweißen, Laserschweißen

Hier sind insbesondere folgende Nachteile zu nennen:

- Jedes Blechteil wird einzeln hergestellt. Es bedarf eines erhöhten Aufwandes zum Zu sammenführen der Einzelschalen zur Montage des Hohlkörpers.
- Jedes Blechteil benötigt z. B. im Falle des Tiefziehens einen Werkzeugsatz gegebenen falls mit mehreren aufeinander abgestimmten Ziehstufen mit einem hohen Aufwand zum Herstellen und Einarbeiten der Werkzeugsätze. Bei Änderungen am Hohlteil müs sen u. U. alle Werkzeuge geändert werden.
Jedes Blechteil unterliegt Ungenauigkeiten im Hinblick auf Form, Lage und Abmessun gen. Um die Teile fügen zu können, sind nur sehr kleine Toleranzen zulässig. Abwei chungen im Halbzeug, in den Prozeßparametern (Schmierung, Kräfte), oder im Werk zeug (Verschleiß) führen zu Problemen im Montageprozeß. Das Fügen der Einzelscha len insbesondere bei räumlich gekrümmten Fügenähten erfordert hochwertige Füge einrichtungen (z. B. Schweißroboter) und aufwendige Vorrichtungen zum Positionieren und Spannen der Einzelschalen.
- Durch den Fügeprozeß insbesondere bei thermischen Fügeverfahren werden die Blechteile lokal stark erwärmt, was zu Eigenspannungen oder gar zum Verzug des Hohlkörper führen kann, so daß zum Teil nach dem Fügen ein Richtvorgang durchge führt werden muß.

2) Herstellen eines Doppelbleches aus randseitig miteinander verbundenen Blechzu schnitten und anschließendes Innenhochdruckumformen diese Doppelbleches (vgl. DE 44 16 147 A1 und DE 42 32 161 A1)

Gegenüber der zuvor genannten Möglichkeit der Herstellung von Hohlkörpern hat diese Herstellung weise prinzipiell eine Reihe von Vorteilen, wie z. B.:

- Je Hohlkörper muß je erforderlicher Umformstufe nur ein Werkzeugsatz hergestellt werden.
- Die Zuschnitte können mit einer vergleichsweise einfachen Fügeeinrichtung verbunden werden, da die Fügenähte in der Ebene verlaufen.

Jedoch sind insbesondere folgende Nachteile zu nennen (vgl. DE-Z "Blech" 6 (1996) Sei ten 54-58):

- Das Formgeben mit Flüssigkeitsdruck in der bekannten Weise führt bereits in einer frühen Phase der Umformung zu einer Ausdünnung des Bleches. Dies ist jedoch nicht erwünscht, da hierdurch die erreichbare Formänderung verringert wird (vgl. Lange, K.; Lehrbuch der Umformtechnik, Bd. 3, Seite 35-77).
- Die Formgebung mit Flüssigkeit führt bereits in einer frühen Phase des Umformpro zesses zur Anlage der Blechoberflächen an die Werkzeugoberfläche, z. B. im Bereich der Ziehkantenrundung. Durch den Flüssigkeitsdruck kommt es hier zu einer hohen Kontaktnormalspannung und damit zu einer hohen Reibkraft, die dem Nachfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich entgegenwirkt.
- Aufgrund der großen Flüssigkeitsdrücke, die zur Umformung erforderlich sind, werden Zuhalteeinrichtungen benötigt, die erhebliche Schließkräfte aufbringen müssen.
- Dabei ist es zum Herstellen von Gutteilen erforderlich, die Schließkraft entlang des Umfangs des Hohlkörpers geregelt zu variieren, um das gewünschte Einzugsverhalten aus dem Flanschbereich zu erreichen. Es sind also aufwendige Zuhalteeinrichtungen erforderlich.

Hohlkörper mit komplexer Geometrie lassen sich daher mit den o.a. Verfahren nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand realisieren.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Herstellungsverfahren in der Weise weiterzubilden, daß Hohlkörper mit komplexen Geometrien hergestellt wer den können.

Diese Aufgabe wird entsprechend der Erfindung dadurch gelöst, daß zunächst durch ei nen Vorformgang aus dem Grundkörper eine Vorformgeometrie dergestalt hergestellt wird, daß das einer oder mehrere der Blechzuschnitte sich weitestgehend an die zu ferti gende Fertigteilgeometrie angepaßt. Der oder die weiteren Blechzuschnitte bleiben da bei zunächst zwangsläufig in Kontakt zu den anderen Blechzuschnitten.

Anschließend wird zwischen die Blechzuschnitte Druckmedium eingebracht, so daß einer oder mehrere der Blechzuschnitte sich ganz der zu fertigende Fertigteilgeometrie ange paßt, während der oder die anderen Blechzuschnitte zunächst einen Stülpvorgang erfah ren und sich dann der zu fertigende Fertigteilgeometrie anpaßt.

Zum Vorformen kommen dabei insbesondere Fertigungsverfahren aus der Gruppe der Tiefziehverfahren in Frage, da dann die Vorumformung und die Endumformung ggf. so gar in einem Werkzeug durchgeführt werden können. Aber auch andere bekannte Verfah ren wie z. B. das Biegen oder Drücken sind denkbar (vgl. DIN 85??).

Dabei ist das Tiefziehen eine hinlänglich bekannte Fertigungsverfahrensgruppe (vgl. Lan ge, K.; Lehrbuch der Umformtechnik, Bd. 3, Seite 311-468). Neben dem Tiefziehen mit starren Werkzeugen, sind dabei auch die sogenannten Sondertiefziehverfahren insbe sondere diejenigen mit starrem Stempel und Flüssigkeitskissen (z. B. Hydromechanisches Tiefziehen) oder elastischem Kissen (Gummikissenziehen) in Frage. Auch der Einsatz vi brierender Niederhalter ist denkbar. Zur Beeinflussung des Nachfließens von Werkstoff aus dem Flanschbereich können dabei alle bekannten Möglichkeiten zum Einsatz kom men. Beispielsweise das Anordnen von sogenannten Ziehleisten oder Ziehwulsten (vgl. VDI Richtlinie 3141), aber auch flexible Niederhalter, Mehrpunktziehtechnik u.a.m. Zum Verbessern des Tribologischen Verhaltens (Herabsetzen der Reibung zwischen Ziehkante und Blech) können dabei übliche Tiefziehschmiermittel zum Einsatz kommen (vgl. Lange, K.; Lehrbuch der Umformtechnik, Bd. 3, Seite 78-110).

Vorteile der Erfindung

- Es sind komplex geformte Hohlkörper herstellbar.
- Es können konventionelle Pressen zum Tiefziehen und zum Schließen der Werkzeuge beim Endumformen eingesetzt werden.
- Die Blechzuschnitte können im ebenen Zustand zum Grundkörper gefügt werden, so daß vergleichsweise einfache Fügeeinrichtungen eingesetzt werden können.
- Durch die Abfolge, daß zunächst ein Tiefziehen und dann ein Streckziehen durchge führt wird, werden maximale Umformgrade erreicht.
- Das Tiefziehen von Doppelblechen erweitert die Verfahrensgrenzen gegenüber dem Tiefziehen der einzelnen dünnen Blechschalen.
- Da vor der Umformung geschweißt wird, gibt es weniger Probleme mit einem Ver zug der Bleche durch den Schweißvorgang. Die plastische Umformung ergibt eine bessere Form- und Maßgenauigkeit.
- Ein Schmiermittel zur Minimierung der Reibung ist in der Regel lediglich im Flanschbe reich der Außenfläche des Grundkörpers erforderlich. Die innenliegenden Flächen der Blechzuschnitte können ohne Schmiermittelschicht umgeformt werden. Infolge dessen muß bei einem Schmiermitteleinsatz das Schmiermittel nach erfolgter Umformung gegebenenfalls lediglich von der Außenfläche des Hohlkörpers entfernt werden.
- Da der Großteil des umzuformenden Werkstoffes sich bereits zu Beginn der End umformphase bereits in der Formhöhlung befindet, muß bei der Endumformung we niger Werkstoff aus dem Flanschbereich nachfließen. Infolge dessen findet wenig glei tende Relativbewegung zwischen Blechwerkstoff und Werkzeugoberfläche statt, so daß geringere Anforderungen an die Verschleißfestigkeit des Werkzeugwerkstoffes für die Endumformung gestellt werden.
- Für das Stülpen des einen Deckbleches bei der Endumformung ist vergleichsweise ge ringer Druck erforderlich. Lediglich beim Kalibrieren, d. h. Anlegen der Bleche an die Formkontur wird u. U. ein hoher Druck benötigt. Infolge dessen werden weniger hohe Anforderungen an die Druckmedienquelle und an die mechanischen Eigenschaften des Endumformwerkzeuges gestellt. Außerdem werden geringere Schließkräfte der Zuhalteeinrichtung für den Endumformprozeß benötigt.
- Bei entsprechender Prozeß- und Bauteilgestaltung können Druckmediendrücke unter halb 5 Mpa bereits zur vollständigen Endumformung ausreichen. Als Druckmedium kann daher neben praxisüblichen Wasser-Öl-Emulsionen auch gasförmige Medien zum Einsatz kommen.
- Beim Einsatz gasförmiger Druckmedien entfällt neben dem Problem der Entleerung des Hohlkörpers nach erfolgter Umformung auch das Problem der Aufbereitung und umweltgerechten Entsorgung des Druckmediums, da bei Auswahl entsprechender Ga se, z. B. Luft oder Stickstoff, diese unkritisch in die Atmosphäre entweichen dürfen.
- Durch die plastischen Dehnungen während des Umformprozeß können Schweißeigen spannungen abgebaut werden.
- Zusätzliche Operationen, wie z. B. Lochen, sind in den Endumformprozeß integrier bar.
- Der Einsatz von beweglichen Werkzeugelementen erweitert die Verfahrensgrenzen bei der Endumformung.
- Es erfolgt eine Zwangszentrierung reibschlüssig durch den Stempel, daher ist weniger Aufwand beim Regeln des Einzugsverhaltens nötig.
- Nicht aufgeschäumte Bauteile können sehr einfach rezykliert werden.
- Ein einfaches Anbringen von zusätzlichen, inneren Versteifungselementen ist durch Anbringen von Blechstreifen, die sich im Verlauf des Aufweitevorganges längen, mög lich.
- Der Druckanschluß für den Endumformvorgang kann für spätere Einsatzzwecke ge nutzt werden, z. B. als Anschlußteil, Einfüllstutzen etc.
- Der Druckanschluß kann als Werkzeugelement z. B. zum Lochen genutzt werden.
- Die erzeugten Werkstücke haben eine gute Schwingungssteifigkeit.
- Eine Kombination von Zuschnitten unterschiedlicher Qualität, Dicke, Werkstoff usw. ist möglich.
- Hohlräume des Fertigteils können im Einbauzustand zum Transport von Medien ge nutzt werden, z. B. im Heizungs- und Lüftungsbereich etc.
- Bei der Herstellung von komplex geformten Druckbehältern kann die Druckprüfung direkt mit in das Fertigungsverfahren integriert werden.
- Vorumformung und Endumformung kann in einem Werkzeugsatz durchgeführt wer den.
- Vorumformung und Endumformung können in jeweils speziellen Werkzeugen gege benenfalls auf unterschiedlichen Umformmaschinen durchgeführt werden. So kann z. B. die Vorumformung mit einer schnellaufenden, z. B. mechanischen Tiefziehpresse durchgeführt werden, während die Endumformung in einer speziellen Zuhalteeinrich tung durchgeführt wird, die z. B. im Takt des Montagebandes läuft.
- Ein Aufweiten ist bis direkt zur Schweißnaht möglich. Damit ergeben sich minimale Flanschbereiche und eine optimierte Querschnittsgestaltung.
- Bauteile, die umlaufend dicht verschweißt und nicht ausgeschäumt werden, können als Druckspeicher, Vorratsbehälter (z. B. als Kraftstoffvorratsbehälter im Kraftfahrzeug) genutzt werden.

Ausführungsbeispiele

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines typischen Verfahrensablaufes, bei dem die Vorumformung (Schritt III) in demselben Werkzeug durchgeführt wird wie die Endumformung (Schritt IV),

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines typischen Verfahrensablaufes, bei dem die Vorumformung (Schritt III) in einem Tiefziehwerkzeug durchgeführt wird, während die Endumformung (Schritt V) außerhalb des Werkzeugs durchgeführt wird, so daß eine freie Umformung stattfindet,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines typischen Verfahrensablaufes bei dem die Vorumformung (Schritt III) hydromechanisch in demselben Werkzeug durchgeführt wird wie die Endumformung (Schritt V),

Fig. 5 zwei Ansichten sowie eine Schnitt eines unsymmetrischen Hohlkörpers mit gekrümmter Längsachse und unterschiedlichen Querschnittsformen ent lang der Längsachse, wie er erfindungsgemäß hergestellt werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen aus flächigen, vorzugswei se metallischen Halbzeugen (z. B. Blech), dadurch gekennzeichnet, daß mehrere (min destens zwei) Zuschnitte aufeinander geschichtet und verbunden werden, anschlie ßend durch ein geeignetes Umformverfahren (vorzugsweise Tiefziehverfahren) eine dreidimensionale (nicht abwickelbare) Vorform erhalten und schließlich durch Beauf schlagen des Zwischenraumes mit Druck die endgültige Geometrie erhalten. Dabei wird eines der Deckbleche, und unter Umständen auch Zwischenbleche, entgegenge setzt zur ursprünglichen Ziehrichtung gestülpt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Zu schnitte randseitig umlaufend durch ein geeignetes Fügeverfahren, insbesondere thermisches Fügeverfahren, wie z. B. Laserstrahlschweißen oder Widerstandsschwei ßen, miteinander verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beeinflussen des Nach fließens von Werkstoff aus dem Flanschbereich bei der Vorumformung und bei der Endumformung Fließbehinderungen eingesetzt werden, wie sie beim Tiefziehen kom plexer Ziehteile allgemein üblich sind, z. B. Ziehleisten.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck durch eine chemi sche Reaktion erzeugt wird, deren Produkte den Hohlraum ausfüllen (z. B. PUR-Schaum).

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum nach erfolgter Endumformung, jedoch noch im Werkzeug ausgeschäumt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beaufschlagen des Zwi schenraumes der Mehrlagenvorform in einer Form durchgeführt wird, die durch be wegliche und feste Elemente die Endgeometrie beeinflußt:

- Beispielsweise Nachschiebeeinrichtungen, wie sie bei der Innenhochdruckumfor mung rohrförmiger Bauteile üblich sind, die eine axiale Kraft auf das Werkstück ausüben, die das Nachfließen von Werkstoff in axialer Richtung bewirken.
- Beispielsweise Gegenhalter, die Dome bei der Ausbildung von Nebenformelemen ten unterstützen.
- Beispielsweise Lochstempel, die nach der erfolgten Endumformung Durchbrüche in das Bauteil einbringen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beaufschlagen des Zwi schenraumes mit Blech ohne zusätzliche Form durchgeführt wird, so daß sich die End geometrie entsprechend der Zuschnittgeometrie, der Vorformgeometrie, der Füge stellen und des Druckes einstellt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorumformung und die Endumformung mittels Wirkmedium in demselben Werkzeug durchgeführt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorumformung und die Endumformung mittels Wirkmedium in jeweils unterschiedlichen Werkzeugen durch geführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorumformung in mehreren Umformstufen erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorumformung durch ein Sondertiefziehverfahren, insbesondere durch hydromechanisches Tiefziehen er folgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei der Um formstufen eine thermische Behandlung des Werkstückes erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßparameter (Kräf te, Drücke) während der Umformungsprozesse gesteuert werden, z. B. elektro hydraulisch, so daß eine weitergehende Beeinflussung des Umformvorganges möglich ist.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformvorgänge Vor formen und Endformen in jeweils unterschiedlichen Umformmaschinen durchgeführt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform mittels Tief ziehen mit sehr hohem Biegeanteil hergestellt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr in der Trennebenen der Blechlagen im Flansch erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr in Normalenrichtung zur Trennebene der Blechlagen im Flansch erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch die Ziehteilwandung erfolgt, z. B. im Bereich des Ziehteilbodens durch ein be wegliches Werkzeugelement wie den Stempel.

19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch ein unlösbar, fügetechnisch mit der Vorform verbundenes Element, wie z. B. eine Anschweißmutter erfolgt.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch ein Werkzeugelement erfolgt, welches vor dem Aufeinanderschichten der Blechlagen in den Zwischenraum eingeführt wird und im Anschluß an die End umformung durch Krafteinwirkung nach außen eine Aushalsung, bzw. mittels entspre chender Schneidkanten einen Durchbruch im Ziehteil erzeugt.

21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch mehrere, gegebenenfalls unterschiedliche Prinzipien an unterschiedlichen Stel len erfolgt.

22. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht umlaufend füge technisch verbundenen Deckblechen die Dichtwirkung ohne zusätzliche Dichtelemente erzeugt wird, indem durch entsprechende Wulste im Niederhalter bzw. Ziehring eine lokal erhöhte Flächenpressung in der Trennebene erzeugt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht umlaufend füge technisch verbundenen Deckblechen die Dichtwirkung durch zusätzliche Dichtelemen te erzeugt wird, die in die Trennebene eingelegt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Zu schnittgestaltung und Prozeßbeeinflussung nur lokal ein Restflansch am Fertigteil ver bleibt, während in anderen Bereichen der Flansch vollständig eingezogen wird.

25. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprü che.