DE19714888A1

DE19714888A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus nicht miteinander verbundenen Blechzuschnitten

Info

Publication number: DE19714888A1
Application number: DE19714888A
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: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 1998-10-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus nicht miteinander verbundenen Blechzuschnitten.

Stand der Kenntnisse

Aus DE 195 35 870 A1 und einem Beitrag von Schmoeckel, D. sowie Dick, P (EFB-Tagungsband Innenhochdruckumformen: Anwendung des Innenhochdruck-Umformens auf ebene Blechplatinen) sind Verfahren bekannt, bei denen aus nicht miteinander verbundenen Blechzuschnitten Hohlkörper durch Innenhochdruckumformen hergestellt werden. Hierzu werden die Ränder der aufeinanderliegenden Zuschnitte (auch Flansche genannt) zwischen zwei Ziehringen eingespannt und anschließend ein Druckmedium zwischen beide Zuschnitten eingeleitet. Dadurch erfahren beide Blechzuschnitte eine zunächst freie Umformung, die je nach Klemmkraft im Flansch streckziehtypische bzw. tiefziehähnliche Ausprägung der Spannungen und Formänderungen in den Umformzonen aufweisen kann. Große Formänderungen können insbesondere dann erreicht werden, wenn die Klemmkraft so niedrig gewählt wird, daß möglichst viel Werkstoff aus dem Flanschbereich in den druckbeaufschlagten Bereich nachfließen kann, d. h. ein hoher Tiefziehanteil an der Umformung vorliegt.

Sind innerhalb der Ziehringe formgebende Werkzeugelemente, auch Matrizen genannt, angeordnet, so kommt es bei geeigneter Steuerung der Prozeßparameter im Verlauf der Umformung zur Anlage der Formteile an die Matrizenoberfläche. Im Verlauf dieser sogenannten formgebundenen Umformung ist in der Regel ein starker Druckanstieg zu verzeichnen, der erforderlich ist, um enge Radien auszuformen.

Nachteilig sind an diesen Verfahren insbesondere folgende Sachverhalte:
Das System zur Zuführung des Druckmediums muß gewährleisten, daß das Nachfließen des Werkstoffes in den erwünschten Bereichen nicht behindert wird. Druckzuführungen in solchen Flanschbereichen sind daher nur sehr schwer zu realisieren.

Zum Abdichten des druckbeaufschlagten Bereiches ist eine Mindestklemmkraft im Flansch erforderlich, die sich überwiegend aus einer Schließkraft (Innendruck × proj. Fläche), einer Niederhalterkraft zur Vermeidung der Faltenbildung (durch Zug-Druck-Spannungszustand) und ggf. einem Zuschlag zusammensetzt. Der Klemmkraftanteil, der über die reine Schließkraft hinaus geht, bewirkt eine Reibung im Flansch, die das Nachfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich behindert. Man muß also bestrebt sein, die Klemmkraft so niedrig wie möglich zu halten. Andererseits kommt es bei zu niedriger Klemmkraft zu unerwünschter Faltenbildung bzw. zu Undichtigkeit. Der Toleranzbereich für die Klemmkraft ist demzufolge recht schmal und zudem von den Prozeßbedingungen abhängig. Die Prozeßbeeinflussung ist daher u. U. recht aufwendig und erfordert komplexe Steuerungs- bzw. Regelungssysteme, um Gutteile produzieren zu können.

Das Formgeben mit Flüssigkeitsdruck in der bekannten Weise führt bereits in der Phase der freien Umformung zwangsläufig zu einer Ausdünnung des Bleches. Dies ist in der Regel 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 Umformprozesses 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, insbesondere zum Ausprägen enger Radien, erforderlich sind, werden Zuhalteeinrichtungen benötigt, die erhebliche Schließkräfte aufbringen müssen.

Im Gegensatz zum konventionellen Tiefziehen, bei dem der starre Stempel über Reibungskräfte zwischen Stempeloberfläche und Blechoberfläche das gleichmäßige Nachfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich nahezu erzwingt, fließt bei der Umformung mit Druckmedium jeweils dort Werkstoff aus dem Flansch nach, wo der lokale Widerstand am geringsten ist. Der Widerstand gegen Nachfließen aus dem Flansch wird dabei überwiegend durch die vorhandenen tribologischen Verhältnisse im Flansch (Flächenpressung, Schmierstoff . . .) sowie die Geometrie der Werkzeugelemente beeinflußt. Wird nun das Einzugsverhalten insbesondere während der freien Umformung nicht aktiv beeinflußt, kann es vorkommen, daß das Einzugsverhalten instabil wird, d. h. es zu einem verstärkten lokalen Einzug kommt. Es ist es daher 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 werden können.

Diese Aufgabe wird entsprechend der Erfindung dadurch gelöst, daß zunächst durch einen Vorformvorgang aus den Zuschnitten eine Vorformgeometrie dergestalt hergestellt wird, daß der eine Blechzuschnitt sich bereits weitestgehend an die zu fertigende Fertigteilgeometrie anpaßt. Der weitere Blechzuschnitt bleibt dabei zunächst zwangsläufig in Kontakt zu dem anderen Blechzuschnitt.

Anschließend wird zwischen die Blechzuschnitte Druckmedium eingebracht, so daß der eine der Blechzuschnitte sich weitergehend der zu fertigende Fertigteilgeometrie anpaßt, während der anderen Blechzuschnitt zunächst einen Stülpvorgang erfährt 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. sogar in einem Werkzeug durchgeführt werden können. Aber auch andere bekannte Verfahren, wie z. B. das Biegen oder Drücken sind denkbar (vgl. DIN 8584, DIN 8585 und DIN 8586).

Dabei ist das Tiefziehen eine hinlänglich bekannte Fertigungsverfahrensgruppe (vgl. Lange, K.; Lehrbuch der Umformtechnik, Bd. 3, Seite 311-468). Neben dem Tiefziehen mit starren Werkzeugen, kommen dabei auch die sogenannten Sondertiefziehverfahren, insbesondere diejenigen mit starrem Stempel und Flüssigkeitskissen (z. B. Hydromechanisches Tiefziehen) oder elastischem Kissen (Gummikissenziehen) in Frage. Auch der Einsatz vibrierender Niederhalter ist denkbar. Zur Beeinflussung des Nachfließens von Werkstoff aus dem Flanschbereich können dabei alle bekannten Möglichkeiten zum Einsatz kommen. 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).

Nach Abschluß des gesamten Umformprozesses bzw. nach Abschluß des Stülpvorganges lassen sich beide Formteile mittels geeigneter Fügeverfahren, wie z. B. Widerstandspunktschweißen, Rollnahtschweißen, Schutzgasschweißen aber auch mechanische Fügeverfahren oder Klebeverfahren, miteinander verbinden. So kann auf einfache Weise ein Hohlkörper hergestellt werden. Da beide Formteile in einem Prozeß hergestellt werden ist dabei ein gute Paßgenauigkeit der Teile zueinander gewährleistet. Dabei ist es ohne weiteres möglich vor dem Fügeprozeß zusätzliche Funktionselemente in den Hohlraum zwischen den beiden Formteilen einzubringen. Zum Beispiel ist so die Herstellung von Schalldämpfern für Abgasanlagen denkbar.

Vorteile der Erfindung

Es sind komplex geformte offene und geschlossene Hohlkörper herstellbar.

Es können zwei unterschiedliche Blechformteile in einem Arbeitsgang hergestellt werden.

Werden zwei oder mehr Blechformteile zu einem Hohlkörper zusammengefügt, so können vom dem Fügevorgang zusätzliche Funktionselemente in den Hohlraum eingebracht werden.

Es können konventionelle Pressen zum Tiefziehen und zum Schließen der Werkzeuge beim Endumformen eingesetzt werden.

Da die Zuschnitte während der Vorumformung nicht miteinander verbunden sind, können sich diese frei gegeneinander verschieben.

Durch die Abfolge, daß zunächst ein Tiefziehen und dann ein Streckziehen durchgeführt wird, werden maximale Umformgrade erreicht.

Das Tiefziehen von Doppelblechen erweitert die Verfahrensgrenzen gegenüber dem Tiefziehen der einzelnen dünnen Blechschalen.

Insbesondere, wenn vor der abschließenden "Kalibrier"-Umformung geschweißt wird, gibt es wenig Probleme mit einem Verzug 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 Flanschbereich der Außenfläche beider Blechzuschnitte erforderlich. Die innen liegenden 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 Endumformphase in der Formhöhlung befindet, muß bei der Endumformung weniger Werkstoff aus dem Flanschbereich nachfließen. Infolge dessen findet wenig gleitende 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 geringer Druck erforderlich. Lediglich bei der "Kalibrier"-Umformung, 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 unterhalb 5 Mpa bereits zur vollständigen Endumformung ausreichen. Als Druckmedium können 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 Gase, z. B. Luft oder Stickstoff, diese unkritisch in die Atmosphäre entweichen dürfen.

Durch die plastischen Dehnungen während des Umformprozeß können Schweißeigenspannungen abgebaut werden.

Zusätzliche Operationen, wie z. B. Lochen, sind in den Endumformprozeß integrierbar.

Der Einsatz von beweglichen Werkzeugelementen erweitert die Verfahrensgrenzen bei der Endumformung.

Es erfolgt bei der Vorumformung eine Zwangszentrierung reibschlüssig durch den Stempel, daher ist weniger Aufwand beim Regeln des Einzugsverhaltens nötig.

Nicht aufgeschäumte Bauteile können sehr einfach rezykliert werden.

Wird statt eines flüssigen oder gasförmigen Druckmediums ein Medium (z. B. ein Schaum) eingesetzt, welches sich mit den innen liegenden Blechoberflächen stoffschlüssig verbindet, so kann auf zusätzliche Fügeverbindungen entlang der Flansche ggf. sogar verzichtet werden.

Der Druckanschluß für den Endumformvorgang kann für spätere Einsatzzwecke genutzt werden, z. B. als Anschlußteil, Einfüllstutzen etc.

Der Druckanschluß kann als Werkzeugelement z. B. zum Lochen oder Aushalsen genutzt werden.

Die erzeugten Werkstücke haben eine gute Schwingungssteifigkeit.

Eine Kombination von Zuschnitten unterschiedlicher Qualität, Dicke, Werkstoff usw. ist möglich.

Werden die Formteile zu einem Hohlkörper verbunden, können vor dem Fügeprozeß zusätzliche Bauteil in den Hohlraum eingebracht werden.

Hohlräume des Fertigteils können im Einbauzustand zum Transport von Medien genutzt 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 werden.

Vorumformung und Endumformung können in jeweils speziellen Werkzeugen gegebenenfalls 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 Zuhalteeinrichtung 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. 1 das allgemeine Verfahrensprinzip;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines typischen Verfahrensablaufes, bei dem die Vorumformung (Schritt III) in demselben Werkzeug durchgeführt wird wie die Endumformung (Schritt IV). Das optionale Fügen der Formteile zu einem Hohlkörper kann hier z. B. nach dem Umformprozeß erfolgen;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines typischen Verfahrensablaufes, bei dem die Vorumformung (Schritt II) und das Stülpen (Schritt III) in einem Tiefziehwerkzeug durchgeführt wird, während die abschließende "Kalibrier"-Umformung (Schritt V) außerhalb des Werkzeugs durchgeführt wird, so daß eine freie Umformung stattfindet. Hierzu wird in Schritt IV eine Fügeoperation durchgeführt, bei der die Formteile miteinander verbunden werden.

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

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen aus flächigen, vorzugsweise metallischen Halbzeugen (z. B. Blech), dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zuschnitte aufeinander geschichtet und nicht verbunden werden, anschließend durch ein geeignetes Umformverfahren (vorzugsweise Tiefziehverfahren) eine dreidimensionale (nicht abwickelbare) Vorform erhalten und schließlich durch Beaufschlagen des Zwischenraumes mit Druck die endgültige Geometrie erhalten. Dabei wird eines der Deckbleche entgegengesetzt zur ursprünglichen Ziehrichtung gestülpt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem erfolgten Stülpvorgang, jedoch vor der abschließenden "Kalibrier"-Umformung die beiden Zuschnitte randseitig umlaufend durch ein geeignetes Fügeverfahren, insbesondere thermisches Fügeverfahren, wie z B. Laserstrahlschweißen oder Widerstandsschweißen, miteinander verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor- und/oder die End umformung in mehreren Umformstufen durchgeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beeinflussen des Nachfließens von Werkstoff aus dem Flanschbereich bei der Vorumformung und bei der Endumformung Fließbehinderungen eingesetzt werden, wie sie beim Tiefziehen komplexer Ziehteile allgemein üblich sind, z. B. Ziehleisten.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck durch eine chemische Reaktion erzeugt wird, deren Produkte den Hohlraum ausfüllen (z. B. PUR-Schaum)

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum nach erfolgter Endumformung, jedoch noch im Werkzeug ausgeschäumt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beaufschlagen des Zwischenraumes in einer Form durchgeführt wird, die durch bewegliche und feste Elemente die Endgeometrie beeinflußt:

- beispielsweise Nachschiebeeinrichtungen, wie sie bei der Innenhochdruckumformung 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 Nebenformelementen unterstützen.
- beispielsweise Lochstempel, die nach der erfolgten Endumformung Durchbrüche in das Bauteil einbringen.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beaufschlagen des Zwischenraumes mit Druckmedium ohne zusätzliche Form durchgeführt wird, so daß sich die Endgeometrie entsprechend der Zuschnittgeometrie, der Vorformgeometrie, der Fügestellen und des Druckes einstellt.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorumformung und die Endumformung mittels Wirkmedium in demselben Werkzeug durchgeführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorumformung und die Endumformung mittels Wirkmedium in jeweils unterschiedlichen Werkzeugen durchgeführt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorumformung durch ein Sondertiefziehverfahren, insbesondere durch hydromechanisches Tiefziehen erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils zwei der Umformstufen eine thermische Behandlung (z. B. Glühen) des Werkstückes erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßparameter (Kräfte, Drücke) während der Umformungsprozesse gesteuert werden, z. B. elektro hydraulisch, so daß eine weitergehende Beeinflussung des Umformvorganges möglich ist.

14. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformvorgänge Vorformen und Endformen in jeweils unterschiedlichen Umformmaschinen durchgeführt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform mittels Tiefziehen mit sehr hohem Biegeanteil hergestellt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr in der Trennebenen der Blechlagen im Flansch erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr in Normalenrichtung zur Trennebene der Blechlagen im Flansch erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch die Ziehteilwandung erfolgt, z. B. im Bereich des Ziehteilbodens durch ein bewegliches Werkzeugelement wie den Stempel.

19. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch ein unlösbar, fügetechnisch mit einem der Zuschnitte verbundenen Element, wie z. B. einer Anschweißmutter erfolgt.

20. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch ein Werkzeugelement erfolgt, welches vor dem Aufeinanderschichten der Blech lagen in den Zwischenraum eingeführt wird und im Anschluß an die Endumformung durch Krafteinwirkung nach außen eine Aushalsung, bzw. mittels entsprechender Schneidkanten einen Durchbruch im Ziehteil erzeugt.

21. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch mehrere, gegebenenfalls unterschiedliche Prinzipien an unterschiedlichen Stellen erfolgt.

22. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß 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 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtwirkung durch zusätzliche Dichtelemente erzeugt wird, die in die Trennebene eingelegt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß keine vollständige Dichtwirkung zwischen den beiden Zuschnitten erreicht wird, so daß ein Leckmassenstrom entsteht. Ein Druckaufbau kann dann erreicht werden, indem der Wirkmedien zufuhr-Massenstrom größer als der Leckmassenstrom eingestellt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Zuschnittgestaltung und Prozeßbeeinflussung nur lokal ein Restflansch am Fertigteil verbleibt, während in anderen Bereichen der Flansch vollständig eingezogen wird.

26. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.