DE19734277C2 - Vorrichtung zum Tiefziehen eines Bleches mittels Druckmedium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Tiefziehen eines Bleches mittels Druckmedium gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der EP 0 704 258 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem das Blech zwischen dem Ziehring des den Formstempel aufweisenden Oberwerkzeuges und dem den Druckraum aufweisenden Unterwerkzeug eingespannt ist, wobei das Unterwerkzeug mit einer auf das Blech wirkenden Dichtung versehen ist, die den Druckraum abdichtet. Die Verformung erfolgt in zwei Phasen. In einer ersten Phase bleibt das Blech fest eingespannt, so daß bei Druckbeaufschlagung kaum Material nachfließen kann. In einer zweiten Phase wird dieses Nachfließen durch eine kleinere Einspannkraft ermöglicht. Darüber hinaus erfolgen in jeder Phase Feinsteuerungen der Einspannkraft. Alle diese Steuerungen sind erforderlich, um bei zu geringer Einspannkraft Faltenbildungen am eingespannten Material und bei zu großer Einspannkraft Risse zu vermeiden. Um diese sensiblen Steuerungen vornehmen zu können, muß immer die Aufspannplatte der Presse angesteuert werden, was sehr hohe Führungsgenauigkeiten im gesamten System erfordert. Außerdem wird mit jeder Werkzeugbewegung der Grad der Abdichtung beeinflußt, was die Zuverlässigkeit negativ beeinflußt.

In der US 3,820,369 ist eine gattungsgemäße hydraulische Presse für das aufeinanderfolgende Umformen und Perforieren zylindrischer Hohlkörper beschrieben. Sie weist ein feststehendes Unterteil mit horizontal verschiebbaren Formstempeln und ein in dessen Richtung bewegliches Oberteil mit einem vertikal verschiebbaren Auswerfer auf. Zwischen den Formstempeln des Unterteils erstreckt sich in vertikaler Richtung ein gestellfester Druckverteilungszylinder, der in seinem unteren und mittleren Bereich einen Klemmkolben und in seinem oberen Bereich einen Schneidkolben führt. Nachdem das Werkstück unter Bildung eines Druckraums auf den Klemmkolben aufgesetzt, die Formstempel seitlich an das am Klemmkolben anliegende Werkstück herangefahren und das Oberteil sowohl auf das Unterteil als auch auf die Formstempel herabgesenkt sind, beaufschlagt der Druckverteilungszylinder den Druckraum und den Klemmkolben mit Druck, woraufhin das Werkstück an die übrigen Formen der Formstempel und des Oberteils angeformt, das Werkstück gegen Vorsprünge der Formstempel geklemmt und Werkstück und Formstempel gegen federnd vorgespannte Bauteile des Oberteiles verschoben werden. Dabei gibt der Klemmkolben Kanäle des Druckverteilungszylinders frei, durch die hindurch der Schneidkolben mit Druck beaufschlagt wird, der das Werkstück nach dem Hydroumformen perforiert. Der Druckraum wird also hier neben dem Werkstück zum überwiegenden Teil durch den senkrechten Außenmantel des gestellfesten Druckverteilungszylinders und zum kleineren Teil durch die waagerechte Fläche des Klemmkolben gebildet, was eine Druckquelle für hohe Drücke erfordert. Dies ist auch in einer weiteren gattungsgemäßen Vorrichtung mit ebenfalls getrennt steuerbarer Schließ- und Klemmkraft der Fall, bei der der Druckraum durch eine waagerechte Fläche eines gestellfesten Unterwerkzeuges und den senkrechten Innenmantel eines Niederhalters begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Tiefziehen eines Bleches mittels Druckmedium zu schaffen, die eine positiv auf das Ziehverhältnis wirkende Steuerung der Niederhalterkraft mit sicherer Abdichtung des Druckraumes und effektiver Erzeugung des darin erforderlichen Druckes verbindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Zum hydromechanischen Tiefziehen wird zwischen zwei Werkzeughälften in Form des Werkzeugoberteiles und des Werkzeugunterteils ein Blech eingelegt und dieses mit Druck beaufschlagt, so daß es sich an die Gravur der in Werkzeugoberteil angeordneten Form anlegt. Das Blech wird umfangsseitig mit einem Niederhalter geklemmt. Dabei ist ein Schließbereich zum Schließen beider Werkzeughälften und ein vom Schließbereich beabstandeter, mit dem Niederhalter erzeugter Klemmbereich zum Klemmen des Bleches Werkzeugober- und -unterteil vorgesehen. Zunächst erfolgt das druckdichte Schließen beider Werkzeughälften im Schließbereich und anschließend das Klemmen des Bleches im Niederhalterbereich, wobei die beim Klemmen aufgebrachte Niederhalterkraft unabhängig von der beim Schließen aufgebrachten Schließkraft ist. Dabei ist es auch möglich, die Niederhalterkraft in Abhängigkeit von der Umformkraft des Druckmediums zu steuern. Weiterhin kann der Niederhalter mit einer Schwingung beaufschlagt werden, die im Bereich von 10 bis 100 Hz liegen kann. Vorzugsweise sollte die Schwingung 45 bis 100 Hz betragen. Erfolgt das Klemmen unter dieser Schwingungsüberlagerung, läßt sich die Faltenbildung reduzieren und ein größeres Ziehverhältnis erzielen.

Der Niederhalter kann entsprechend der Oberflächenbereiche auch in Niederhalterbereiche segmentiert sein In diesem Fall werden die Segmente einzeln und/oder gruppenweise mit einer Einzelniederhalterkraft oder einer Gruppe von Einzelniederhalterkräften angesteuert. Mit segmentiertem Klemmbereich kann man sich besser auf örtlich sehr unterschiedliche Klemmanforderungen einstellen.

Einen weiteren positiven Effekt auf das Ziehverhältnis bewirkt die Anwendung eines auf den Temperaturbereich der Halbwarmumformung des umzuformenden Bleches erwärmten Druckmediums, denn dadurch erwärmt sich das gesamte Werkzeug und somit auch das darin eingelegte Blech.

Die Vorrichtung zum hydromechanischen Tiefziehen besteht bekannter Weise aus zwei Werkzeughälften in Form eines Werkzeugoberteiles und eines Werkzeugunterteiles, wobei das Werkzeugoberteil eine Tiefziehform und das Werkzeugunterteil einen druckbeaufschlagbaren Druckraum aufweist. Das Blech wird zwischen Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil mittels eines Niederhalters geklemmt. Beide Werkzeughälften sind in einem den Niederhalter umgebenden Schließbereich druckdicht schließbar, und der Niederhalter ist nach dem Schließen der beiden Werkzeughälften in Richtung des Bleches mit einer von der Schließkraft unabhängigen Niederhalterkraft bewegbar. Dabei ist der Niederhalter in einem den Druckraum umgebenden Niederhalterbereich des Werkzeugunterteils angeordnet. Das Werkzeugoberteil weist eine die Tiefziehform umgebende Dichtglocke auf, deren Rand im Schließbereich dichtend auf das Werkzeugunterteil aufsetzbar ist.

Der Druckraum für das Druckmedium wird erfindungsgemäß durch einen gestellfesten Pneumatikzylinder, dessen Kolben durch einen als Druckübersetzer wirkenden Hydraulikzylinder betätigbar ist, oder einen an Führungssäulen des Gestells geführten und auf Pinolen abgestützten Pneumatikzylinder gebildet, wobei der Umformdruck durch Relativbewegung der gefügten Werkzeughälften entlang des feststehenden Kolbens in Richtung zum Pressengestell zu erzeugbar ist. Durch die Kopplung der Druckzuführungen für das Innenhochdruckumformen und den Niederhalterdruck ist es möglich, die Niederhalterkraft in Abhängigkeit von der Umformkraft zu erzeugen. Dadurch vereinfacht sich auch der mechanische Aufbau und die Steuerung.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: einen Querschnitt eines geschlossenen Tiefziehwerkzeugs mit Druckmedium und Druckübersetzer in Ausgangs­ stellung,

Fig. 2: das Tiefziehwerkzeug gem. Fig. 1 während des Tiefziehens,

Fig. 3: das Tiefziehwerkzeug gem. Fig. 1 nach Abschluß des hydromechanischen Tiefziehens,

Fig. 4: den Querschnitt der beiden Werkzeughälften eines geöffneten Tiefziehwerkzeugs ohne Druckübersetzer,

Fig. 5 das geschlossenes Tiefziehwerkzeug gem. Fig. 4,

Fig. 6 das geschlossenes Tiefziehwerkzeug gem. Fig. 5 nach Zuführung des Druckmediums

Fig. 7 das Tiefziehwerkzeug in Endposition nach dem Tiefziehen.

Das Tiefziehwerkzeug gemäß Fig. 1 bis 3 besteht aus einem mit dem Pressenstößel 2 verbindbaren Werkzeugoberteil 4 und einem auf dem Pressentisch 6 aufgenommenen Werkzeug­ unterteil 8. Das Werkzeugoberteil 4 weist eine nach unten offene Tiefziehform 10 auf, die von einer Dichtglocke 12 umgeben ist und über eine Entlüftungsleitung 14 entlüftet werden kann. Das Werkzeugunterteil 8 besitzt einen nach oben offenen Zylinder 16, in dem ein Kolben 18 geführt wird, dessen nach unten weisende Kolbenstange 20 in einen Druckübersetzer 22 führt und dort von einem Kolben 24 des Druckübersetzers 22 abgeschlossen wird. Der Zylinder 16 ist über die Druckleitung 26 und der Druckübersetzer 22 über die Druckleitung 28 mit Druck beaufschlagbar. Das Druckmedium 30 wird über die Leitung 32 dem Zylinder 16 zugeführt. In die plane Oberseite des Zylinders 16 ist ein Niederhalter 34 eingelassen, der über einen Druckraum 36 mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist, das über eine Druckleitung 38 zugeführt wird. Die untere Ringfläche der Tiefziehform 10 entspricht der oberen Ringfläche des Niederhalters 34. Beide Ringflächen befinden sich übereinander und bilden einen Klemmbereich K. Dazwischen liegt der Flanschbereich des tiefzuziehenden Bleches 40. Die Dichtglocke 12, welche die Tiefziehform 10 und das Blech 40 umschließt, sitzt auf der Oberseite des Zylinders 16 auf. Die Berührungslinie bildet in diesem Fall einen sich an den Klemmbereich K anschließenden Schließbereich F. Der Klemmbereich K kann auch zum Schließbereich S beabstandet sein.

Zur Durchführung des Verfahrens wird zuerst das Blech 40 zwischen Werkzeugoberteil 4 und Werkzeugunterteil 8 eingelegt. Dann fährt der Pressenstößel 2 das Werkzeugoberteil 4 mit der Schließkraft Fs gegen das Werkzeugunterteil 8, so daß die Dichtglocke 12 dichtend auf dem Werkzeugunterteil 8 aufsitzt und das Tiefziehwerkzeug 10 am Randbereich des Bleches 40 anliegt (Fig. 1). Anschließend wird über die Leitung 38 der Druckraum 36 mit Druck beaufschlagt, und dadurch der Niederhalter 34 mit der Niederhalterkraft FN gegen den Flanschbereich des Bleches 40 in Richtung zum Werkzeugoberteil 4 gedrückt.

Anschließend oder gleichzeitig wird Druckmedium durch die Leitung 32 in den Zylinder 16 geführt, der Kolben 18 über den Druckübersetzer 22 mit Druck beaufschlagt und in Richtung zum Blech (40) (Pfeilrichtung) bewegt. Dieser sich nach oben bewegende Kolben 18 drückt das Druckmedium von unten her gegen das Blech 40. Um nach oben ausweichen zu können (Fig. 2), muß das Blech 40 von den Seiten her nachfließen, dafür ist eine exakte Niederhalterkraft FN erforderlich, die durch den über den Druckraum 36 auf den Niederhalter 34 wirkenden Druck steuerbar ist. Durch eine definiert gesteuerte Niederhalterkraft, die unabhängig von der Schließkraft ist, kann das Material in das Innere der Tiefziehform 10 nachfließen, bis sich das Blech 40 vollständig an die Gravur der Tiefziehform 10 angelegt hat (Fig. 3). Das Ziehverhältnis läßt sich wesentlich erhöhen, wenn man den Niederhalter 34 mit einem schwingenden Druck beaufschlagt, was über einen Kolben oder Ventilsteuerung möglich ist. Da für das Klemmen des Bleches 40 vorzugsweise das gleiche Druckmedium wie für das Umformen des Bleches 40 genutzt wird, kann die Steuerung sehr einfach gehalten werden. Das ist auch von Vorteil, wenn für komplizierte Teile Niederhalter 34 Verwendung finden, die umfänglich in separat beaufschlagbare Segmente unterteilt sind. Ein solcher Niederhalter kann z. B. aus Kunststoff bestehen, in den Metallsegmente eingelassen sind.

Die Druckbeaufschlagung des Niederhalters oder der Segmente des Niederhalters kann beispielsweise über Stickstoffedern erfolgen

Das zweite Ausführungsbeispiel (Fig. 4 bis 7) zeigt ein hydromechanisches Tiefziehwerkzeug, bei welchem der auf das Blech 40 wirkende Druck nicht über einen Druckübersetzer, sondern direkt über den im Zylinder 60 des Werkzeug­ unterteiles 8 integrierten Kolben 80 erzeugt wird. Das Werkzeugoberteil 4 weist ein Formstück 46 auf, das an einem flanschförmigen Oberwerkzeug 48 befestigt ist. An der Unterseite des Oberwerkzeuges 48 ist ein das Formstück 46 radial umschließendes ringförmiges Zwischenstück 50 und ein sich daran anschließender Ziehring 52 angeordnet. Ebenfalls an der Unterseite des Oberwerkzeugs 48 sitzt eine Dichtglocke 54, die das Zwischenstück 50 und den Ziehring 52 umgibt, nach unten über diese hinausragt und an ihrer Unterseite einen axial wirkenden Dichtring 56 und einen radial wirkenden Dichtring 58 aufnimmt. Das Werkzeug­ unterteil 8 besteht aus einem sich auf dem Pressentisch 6 abgestützten Zylinder 60 und einem darauf sitzenden Unterwerkzeug 62. Dieses weist einen ringförmigen Druckraum 64, in dem ein Niederhalter 66 vertikal geführt ist, und eine ringförmige Ausnehmung 68, in welcher die Dichtglocke 54 des Werkzeugoberteils 4 aufgenommen werden kann, auf. Der Niederhalter 66 ist über den Druckraum 64 mit dem Druckmedium beaufschlagbar, welches über eine Leitung 70 zugeführt wird. Die Zentralbohrung des Unterwerkzeugs 62 bildet einen über die Leitung 27 beaufschlagbaren Druckraum 74, der mit dem Druckraum 78 des Zylinders 60 in Verbindung steht. Dessen Kolben 80 ist mit einer Kolbenstange verbunden, die sich auf dem Pressentisch 6 abstützt. Der Zylinder 60 selbst ist mittels Führungssäulen 82 und Pinolen 84 in bezug auf den Pressentisch 6 vertikal geführt. Oberwerkzeug 48, Unterwerkzeug 62 und Zylinder 60 sind mittels Bolzen 86 miteinander verspannbar. Die übereinander liegenden Ringflächen des Ziehrings 52 und des Niederhalters 66 bilden den Klemmbereich K, die davon beabstandeten Ringflächen der Dichtglocke 54 und der ringförmigen Ausnehmung 68 den Schließbereich F.

Nachdem bei dieser Ausführungsform das umzuformende Blech 40 auf das Unterwerkzeug 62 des Werkzeugunterteils 8 aufgelegt wurde und der Pressenstößel 2 das Werkzeugoberteil 4 mit der Schließkraft Fs gegen das Werkzeugunterteil 8 gefahren hat, so daß die Dichtglocke 54 form- und kraftschlüssig in der ringförmigen Ausnehmung 68 sitzt und der Ziehring 52 dicht über dem Blech 40 steht, bzw. an diesem anliegt, werden Oberwerkzeug 48, Unterwerkzeug 62 und Zylinder 60 mittels Bolzen 86 miteinander verspannt (Fig. 5). In dieser Position ist der Kolben 80 im Zylinder 60 in der unteren Endlage und das Werkzeugunterteil ist um den Hub H vom Pressentisch entfernt. Dann führt die Leitung 70 Druckmittel zum Druckraum 64, unter dessen Einwirkung der Niederhalter 66 von unten her mit der Niederhalterkraft FN gegen den Flanschbereich des Bleches 40 gedrückt wird und dieses gegen den Ziehring 52 klemmt. Gleichzeitig dazu oder in dessen Folge gelangt über die Leitung 70 Druckmittel in die Druckräume 74 und 78 des Zylinders 60 bzw. des Unterwerkzeugs 62 (Fig. 6). Nun fahren Pressenstößel 2 und Pinolen 84 synchron nach unten, wodurch sich der an den Führungssäulen 82 geführte Zylinder 60 über den feststehenden Kolben 80 schiebt, das in den Druckräumen 74 und 78 befindliche Druckmedium gegen das Blech 40 drückt und dieses über den Ziehring 52 in Richtung des Formstück 46 des Werkzeugoberteils zieht (Fig. 7).

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden alle Vorteile der von der Schließkraft der beiden Werkzeugteile unabhängigen Niederhalterkraft des Bleches wirksam. Es ist ebenfalls möglich, den Umformdruck für den Nieder­ halterdruck zu nutzen und einen segmentierten Niederhalter einzusetzen bzw. die Niederhalterkraft mit Schwingungen zu überlagern.

Es ist ebenfalls möglich, das Druckmedium zu erwärmen. Besitzt das Druckmedium eine für das Halbwarmumformen geeignete Temperatur, beispielsweise etwa 250°C für Aluminium oder etwa 750° bis 850°C für Stahl, lassen sich aufgrund der Erwärmung des gesamten Werkzeuges und des darin eingelegten Bleches Teile mit einem großen Ziehverhältnis erzeugen. Als Druckmedium kann dabei bei der Erwärmung auf ca. 250°C beispielsweise CALFLOHTF der Firma Fragol und bei der Erwärmung auf ca. 750°C bis 850°C z. B. flüssige Salze eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Tiefziehen eines Bleches (40) mittels Druckmedium, mit zwei Werkzeughälften in Form eines Werkzeugoberteiles (4) und eines Werkzeugunterteiles (8), wobei

• 1. das Werkzeugoberteil (4) eine Tiefziehform (10, 46, 50, 52) und das Werkzeugunterteil (8) einen druckbeaufschlagbaren Druckraum (30, 74, 78) aufweist und das Blech (40) zwischen Werkzeugoberteilteil (4) und Werkzeugunterteil (8) mittels eines Niederhalters (34, 66) klemmbar ist,
• 2. beide Werkzeughälften (4, 8) in einem den Niederhalter (34, 66) umgebenden Schließbereich (F) druckdicht schließbar sind,
• 3. der Niederhalter (34, 36) nach dem Schließen der beiden Werkzeughälften (4, 8) in Richtung des Bleches (40) mit einer von der Schließkraft unabhängigen Niederhalterkraft bewegbar ist, und
• 4. die Druckzuführungen zum Umformen und zum Klemmen miteinander gekoppelt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (30, 78) gebildet wird durch

• 1. einen gestellfesten Pneumatikzylinder (16), dessen Kolben (18) durch einen als Druckübersetzer wirkenden Hydraulikzylinder betätigbar ist, oder
• 2. einen an Führungssäulen (82) eines Gestells geführten und auf Pinolen (84) abgestützten Pneumatikzylinder (60), wobei der Umformdruck durch Verschieben der gefügten Werkzeughälften (4, 8) entlang eines gestellfesten Kolbens (80) erzeugbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederhalter (34, 66) in einem den Druckraum (30, 74) umgebenden Klemmbereich (K) des zweiten Werkzeugteils (8) eingelassen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeugoberteil (4) eine die Tiefziehform (10, 46, 50, 52) umgebende Dichtglocke (12, 54) aufweist, deren Rand im Schließbereich (F) dichtend auf das Werkzeugunterteil (8) aufsetzbar ist.