DE19751035C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Umformen eines Werkstückes unter Einwirkung eines Druckmediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umformen eines Werkstückes unter Einwirkung eines Druck­ mediums gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5. Dabei kann das Werkstück als ein Hohlkörper oder als blechförmiges Teil in Form einer einfach- oder Doppelplatine ausgebildet sein. Das Werkstück wird einem unter Hochdruck stehenden Druckmedium ausgesetzt, wobei das Werkzeug einen Gegenhalter, der während des Umformprozesses zurückfährt und ein Formelement freigibt oder einen Formstempel, der durch eine Vorschubbewegung Formelemente im Werkstück erzeugt, aufweisen kann und beim Innenhochdruckumformen an den offenen Enden des Werkstückes Nachschiebezylinder zum Nachführen des Werkstoffs angeordnet sein können. Es findet dabei eine Hochdruckquelle zum bereitstellen eines mit Hochdruck beauf­ schlagbaren Druckmediums und eine Druckzuführung zum Zuführen des Druckmediums in den Hochdruckraum Anwendung.

Beim Innenhochdruck-Umformverfahren und dem ebenso bekannten hydromechanischen Tiefziehen werden Bauteilwandungen unter Einwirkung eines unter hohem Druck stehenden Druckmediums an die Konturen eines Werkzeuges gedrückt.

So wird gemäß DE 44 34 799 A1 ein Verfahren zum Umformen von Metallblech beschrieben, wobei eine Platine zwischen einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug flüssigkeitsdicht eingespannt und durch das Einwirken eines hydraulischen Druckmediums auf die Formkontur abgeformt wird. Dieser Prozeß läuft in zwei Stufen ab, wobei in der ersten Stufe die Platine zunächst bis zu einer Dehnung von 10 bis 17 Prozent in Richtung auf die Formkontur vorgeformt und in der zweiten Stufe das bei anhaltendem Druck unter nachziehen des Bleches ohne weitere Dehnung bis zum vollständigen Anliegen an der Form endgeformt wird.

Der Formstempel kann in Richtung zur Trennebene verfahren werden. Auch das Innenhochdruckumformen von zwei randseitig miteinander verbundenen Blechplatonen ist gemäß DE 195 35 870 A1 bekannt. Dabei kann nach dem Innenhochdruckumformen durch einen Preßstempel eine topfförmige Einbuchtung erzeugt werden. Es sind auch zahlreiche Lösungen zum Innen­ hochdruckumformen von rohrförmigen Ausgangsteilen bekannt, bei welchen das Rohr beidseitig durch Nachschiebezylinder nachgeschoben werden kann. Der Nachteil beim Herstellen von Formelementen beim Umformen mittels Druckmediums besteht darin, daß sehr kleine Radien nicht herstellbar sind und daß bei Formelementen im Werkzeug durch die Reibung an den Kanten des Formelementes der Werkstückwerkstoff reißen kann oder eine ungenügende Ausformung erzielt wird.

Auch das Ausformen von runden Werkstücken zu Profilen mit vieleckigem Querschnitt ist möglich, wobei die Größe der Eckradien ebenfalls begrenzt ist.

Beim Innenhochdruckumformen rohrförmiger Ausgangswerkstücke drücken die Nachschiebezylinder mit einer definierten Kraft F beidseitig gegen das Werkstück und das Werkzeug verschleißt an der Innenkontur sehr schnell. Um die Reibung herabzu­ setzen, müssen spezielle Schmiermittel eingesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, beim Umformen mittels Druckmedium das Ausformen von Formelementen mit kleinen Radien zu gewährleisten, die Reibung und den Verschleiß an den Kanten der Formelemente und der Gleitflächen des Werkzeuges zu verringern und Schmiermittel einzusparen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten und fünften Patentanspruches gelöst. Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dabei kann das Werkstück zum Innenhochdruckumformen als ein Hohlkörper oder als eine an den Kanten verbundene oder nicht verbundene Doppelplatine und zum hydromechanischen Tiefziehen als blechförmiges Teil in Form einer einfach- oder Doppel­ platine ausgebildet sein. Eine Seite der Wandung des Werkstückes wird einem unter Hochdruck stehenden Druckmedium ausgesetzt, so daß sich das Werkstück an die Konturen des Werkzeuges anlegt. Dabei können zum Einbringen von Formelementen und/oder Nebenformelementen und/oder zur Gewährleistung des Werkstofflusses bewegbare aktive Werkzeugelemente im Werkzeug angeordnet sein. Beim Innenhochdruckumformen rohrförmiger Werkstücke wird das Nachfließen des Werkstoffs durch Nachschiebezylinder verbessert.

Erfindungsgemäß erfolgt daß Aufbringen des an der Wanderung anliegenden Hochdruckes durch das Druckmedium im Rhythmus einer Schwingung und/oder die Bewegung der beweglichen aktiven Werkzeugelemente in Form von Gegenhalter und/oder Formstempel und/oder Nachschiebezylinder, wird von einer Schwingung überlagert.

Dabei kann die Bewegung des Gegenhalters und/oder des Form­ stempels und/oder der Nachschiebezylinder bei nichtschwingen­ dem oder schwingendem zu- oder abnehmendem Hochdruck des Druckmediums erfolgen. Die Frequenz der Schwingung des Druckmediums und/oder von Gegenhalter und/oder Formstempel und/oder Nachschiebezylinder liegt vorzugsweise im nieder­ frequenten Bereich bis 100 Hz. Es ist jedoch auch möglich, eine Schwingung im Ultraschallbereich zu verwenden, vorzugsweise für die Formstempel, Gegenhalter und Nachschiebezylinder. Die Schwingungsamplituden/oder die Frequenzen der Schwingungen des Druckmediums und/oder von Formstempel und/oder Gegenhalter und/oder Nachschiebe­ zylinder können gleich oder unterschiedlich sein.

Bei der Vorrichtung zum hydromechanischen Tiefziehen eines blechförmigen Werkstückes oder beim Innenhochdruckumformen eines Werkstückes in Form einer Doppelplatine, befindet sich auf einer Seite der Wandung des Werkstückes das Formelement und bedarfsweise ein Gegenhalter und/oder ein Formstempel und auf der anderen Seite der Wandung ein Hochdruckraum. Weiterhin ist eine Hochdruckquelle zum Bereitstellen eines Druckmediums und eine Druckzuführung zum Zuführen des Druckmediums in den Hochdruckraum vorgesehen. Erfindungsgemäß sind der Druckzylinder zur Erzeugung des Hochdruckes des Druckmediums sowie der Druckzylinder zur Erzeugung des Vorschubes und des Rückhubes von Formstempel und/oder Gegenhalter mit einer Einrichtung zur Erzeugung der Schwingungen im Druckmedium sowie zur Erzeugung der Schwingung des Gegenhalters und oder Formstempels gekoppelt. Weiterhin ist vorteilhafter Weise eine Steuereinrichtung vorgesehen, mit der der Hochdruck des Druckmediums und dessen Schwingungsüberlagerung und/oder die Bewegung und die Schwingung des Gegenhalters und/oder des Formstempels steuerbar sind. Durch die Schwingungsüberlagerung des Druckes des Druckmediums und/oder der Bewegung von Gegenhalter und/oder Formstempel erfolgt das Umformen in der Art eines pulsierenden Umformens der Wandung des Werkstückes im Rhythmus der jeweiligen Schwingungen. Dadurch wird die Umformbarkeit des Werkstückes wesentlich verbessert und die Reibung in den Kontaktzonen zwischen Werkstück und Werkzeug herabgesetzt. Formelemente, insbesondere kleine Radien werden besser ausgeformt. Der Verschleiß von Gegenhalter und/oder Formstempel und der Verschleiß der Kanten der Formelemente und Nebenformelemente wird durch die Schwingungsüberlagerung wesentlich verringert. Es ist ebenfalls möglich, die Umformkraft des Gegenhalters und/oder des Formstempels zu verringern, wodurch auch der Gegenhalterdruck reduziert werden kann.

Beim Innenhochdruckumformen von rohrförmigen Werkstücken können beidseitig an den offenen Seiten des Werkstückes Nach­ schubzylinder vorgesehen werden. Diese können ebenfalls mit Schwingungen beaufschlagt werden, wodurch der Verschleiß an den Reibflächen des Werkzeuges sinkt und Schmierstoff eingespart werden kann.

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

Fig. 1: eine Vorrichtung zum Hydroumformen bzw. Hydrotiefziehen mit Formelement und schwingendem Formstempel zur Erzeugung eines Nebenformelementes.

Fig. 2: eine Vorrichtung zum Innenhochdruckumformen eines Werkstückes in Form einer Doppelplatine mit einem zusätzlichen Nebenformelement

Fig. 3: eine Vorrichtung zum Innenhochdruckumformen eines rohrförmigen Werkstückes mit einem Nebenformelement und Gegenhalter.

Fig. 4: den Schnitt A-A gemäß Fig. 3.

Fig. 5: ein Weg-Zeit-Diagramm eines schwingenden Formstempels.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist ein Werkzeug 2 auf, zwischen dessen Werkzeugoberteil 4 und Werkzeugunterteil 6 das Werkstück 8 druckmitteldicht eingespannt ist. Im Werkzeugoberteil 4 ist ein Formelement 10 eingebracht, und es wird ein Formstempel F zum Erzeugen eines Nebenformelementes 11 geführt, der durch einen Antrieb 12 in Richtung der Wandung des Werkstückes 8 (Vorschubbewegung) und von diesem weg (Rückhubbewegung) bewegbar ist. Das Werkzeugunterteil 6 besitzt einen Druckraum 14, der über eine Druckzuführung 16 mit einer Hochdruckquelle 18 in Verbindung steht.

Der Antrieb 12 und die Hochdruckquelle 18 sind mit einer Steuereinrichtung 20 verbunden, die es ermöglicht, die Bewegung des Formstempels F und/oder den Druck des Druckmediums D im Rhythmus einer Schwingung zu steuern, vorzugsweise wird dazu ein pulsierendes Ventil oder ein schwingendes Quarz eingesetzt. Ein ähnlicher Aufbau findet beim Innenhochdruckumformen von Werkstücken 8 in Form einer Doppelplatine Anwendung. Dabei befindet sich gem. Fig. 2 auch im Werkzeugunterteil 6 ein Formelement 10. Die Druckzuführung wird zum Beispiel durch die untere Blechplatine des Werkstückes 8 zugeführt; der Druckmittelraum befindet sich somit zwischen beiden Blechplatinen. Zum Innenhochdruckumformen von rohrförmigen Werkstücken 8 entsprechend Fig. 3 ist das Werkstück 8 ein zwischen zwei Werkzeughälften 4, 6 eingelegter und anschließend mit Innenhochdruck beaufschlagter Hohlkörper. Zum Ausformen des Nebenformelementes ist ein Gegenhalter G vorgesehen, der über einen mit der Steuereinrichtung 20 verbundenen Antrieb 12 ebenfalls eine Vorschub- und Ruckhubbewegung ausführen kann und auch mir einer Schwingung überlagert werden kann.

Entsprechend des ersten Ausführungsbeispieles (Fig. 1), erteilt die Steuereinrichtung 20 dem Formstempel F über den Antrieb 12 einen mit einer Schwingung überlagerten konstanten Vorschub in Richtung der unteren Werkzeughälfte 6, bis die Endposition gemäß Fig. 1 erreicht ist, Während durch das Druckmedium D im Hochdruckraum ein Druck P erzeugt wird. Indem sich der Formstempel F je Schwingungsperiode immer ein größeres Stück vorwärts bewegt, als er sich zurückzieht, und somit eine Schwingungsamplitude in Höhe der Wegdifferenz Δs vollführt, gelangt er schrittweise vorwärts, bis er seine Endposition erreicht hat. Durch die schwingungsüberlagerte Bewegung des Formstempels F sind dabei größere Ziehtiefen möglich.

Neben der schwingenden Bewegung des Formstempels F kann auch das Druckmedium D zusätzlich mit einer Schwingung beaufschlagt werden oder es kann auch nur das Druckmedium schwingen, so daß der Druck p_i von einer Schwingungsamplitude Δp_i überlagert wird. Selbstverständlich ist dieses Verfahren auch ohne zusätzliches Einbringen eines Nebenformelementes durch den Formstempel F anwendbar.

Durch das neue Verfahren werden auch kleine Radien des Formelementes 10 im Oberwerkzeug 4 und des durch den Formstempel F erzeugten Nebenformelementes 11 zuverlässig ausgeformt.

In Abhängigkeit vom Werkstückwerkstoff und der gewünschten Geometrie des Formelementes 10 bzw. des Nebenformelementes 11 kann es vorteilhaft sein, den konstanten Druck p_i des Druckmediums D durch einen schwingenden oder nicht schwingenden zu- oder abnehmenden Hochdruck zu ersetzen. D. h., der Druck p_i steigt oder sinkt bei einer Schwingungsüberlagerung von Δp_i. Das Innenhochdruckumformverfahren eines Werkstückes 8 in Form einer Doppelplatine entsprechend eines weiteren Ausführungs­ beispieles (Fig. 2) läuft analog ab. Beide Platinen werden durch den Druck p_i des Druckmediums, der auch hier um den Betrag Δp_i pulsierend ist, umgeformt und gegen die Innenwandungen der beiden Werkzeughälften 4 und 6 gedrückt. Auch hier ist ein Formstempel F in der oberen Werkzeughälfte 4 angeordnet, der ein zusätzliches Nebenformelement 11 einbringen kann. Die Vorschubbewegung des Formstempels F kann ebenfalls mit einer Schwingung in Größe der Amplitude Δs überlagert werden.

Beim Innenhochdruckumformen gemäß Fig. 3 befindet sich im Werkzeug ein Formelement 10 und ein Gegenhalter G. Beidseitig an den offenen Seiten des Werkstückes 8 sind Nachschiebe­ zylinder Z angeordnet. Bei Druckbeaufschlagung des Druckmediums D mit dem Druck p_i, wahlweise mit einer Schwingungsüberlagerung Δp_i wird das rohrförmige Werkstück 8 an die Innenwandung gepreßt, und der Werkstoff legt sich an die durch die Rückhubbewegung des Gegenhalters G freigegebene Wanderung des Nebenformelementes 11 an. Gleichzeitig wird durch eine Vorschubbewegung der Nachschiebezylinder Z mit den Antrieben 12.1 das Nachfließen des Werkstoffs gewährleistet. Auch die Bewegungen des Gegenhalters G und/oder der Nachschiebezylinder Z können von einer Schwingung in der Größe Δs (Amplitude) überlagert sein.

In Fig. 4 ist der Schnitt A-A des Werkstückes 8 nach dem Innenhochdruckumformen gemäß Fig. 3 dargestellt. Aus dem röhrförmigen Ausgangswerkstück wurde ein Werkstück 8 mit bereichsweise rechteckigem Profil erzeugt. Auch sehr kleine Radien r_min werden dabei durch den pulsierenden Druck Δp_i des Druckmediums D wesentlich zuverlässiger ausgeformt als beim herkömmlichen Innenhochdruckumformen.

In Fig. 5 ist das Weg-Zeit-Diagramm eines das Werkstück 8 umformenden Formstempels F dargestellt. Unter dem Einfluß der Steuereinrichtung 20 ist dem durch den Antrieb 12 realisierten Vorschub s eine Schwingung Δs mit einer Frequenz von 17 Hz überlagert worden. Die Amplitude Δs der resultierenden Vorschubbewegung weist z. B. einen positiven Anteil von 0,06 Millimeter pro Sekunde und einem negativen Anteil von 0,04 Millimeter pro Sekunde auf. Auf dieser Basis formt der Formstempel F bei geringer Kraft in die Wand eines Werkstückes hinein und bildet dabei ein Nebenformelement 11 von hoher Qualität ab. Ein vergleichbares Ergebnis läßt sich mit einer von einem Ultraschallgeber bereitgestellten Ultraschallschwingung erzielen, deren Frequenz vorzugsweise bis 25 Hertz beträgt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Umformen eines Werkstückes unter Einwirkung eines Druckmediums, wobei das Werkstück (8) als ein Hohlkörper oder als blechförmiges Teil in Form einer einfach- oder Doppelplatine ausgebildet sein kann, und das Werkstückes (8) einem unter Hochdruck stehenden Druckmedium (D) ausgesetzt wird, wobei an Formelementen des Werkzeuges (2) Gegenhalter (G), oder Formstempel (F) und beim Innenhochdruckumformen an den offenen Enden des Werkstückes (8) Nachschiebezylinder (Z) zum Nachführen des Werkstoffs angeordnet sein können, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bewegung des Gegenhalters (G) und/oder des Formstempels (F) und/oder des Nachschiebezylinders (Z) und/oder das Aufbringen des anliegenden Hochdrucks durch das Druckmedium (D) im Rhythmus einer Schwingung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Schwingung des Gegenhalters (G) und/oder des Formstempels (F) und/oder des Nachschiebezylinders (Z) und/oder Druckmediums (D) in der Größenordnung von 5 bis 100 Hz liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Schwingung des Gegenhalters (G) und/oder des Formstempels (F) und/oder des Nachschiebezylinders (Z) und/oder Druckmedium (D) im Ultraschallbereich in der Größenordnung bis 25 kHz liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsamplituden und/oder die Frequenzen der Schwingungen des Gegenhalters (G) und/oder des Formstempels (F) und/oder des Nachschiebezylinders (Z) und des Druckmediums (D) gleich oder unterschiedlich sind.

5. Vorrichtung zum Umformen eines Werkstückes unter Einwirkung eines Druckmediums, mit einem Hochdruck- Umformwerkzeug (2), wobei auf einer Seite der Wandung des Werkstückes (8) das Werkzeug (2) angeordnet ist und sich auf der anderen Seite der Wandung des Werkstückes (8) ein Hochdruckraum (14) befindet sowie mit einer Quelle (18) zum Bereitstellen eines mit Hochdruck beaufschlagbaren Druckmediums (D) und einer Druckzuführung (16) zum Zuführen des Druckmediums (D) in den Hochdruckraum (14), wobei an Formelementen des Werkzeuges (2) Gegenhalter (G), oder Formstempel (F) und beim Innenhochdruckumformen an den offenen Enden des Werkstückes (8) Nachschiebezylinder (Z) zum Nachführen des Werkstoffs angeordnet sein können, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckzylinder (12) zur Erzeugung des Stempelrückhubes des Gegenhalters (G), und/oder des Stempelvorschubes und des Stempelrückhubes des Formstempels (F) und/oder des Stempelvorschubes des Nachschiebezylinders (Z) mit einer Einrichtung zur Erzeugung der Schwingung und/oder daß der Druckzylinder (12) zur Erzeugung des Hochdruckes des Druckmediums (D) mit einer Einrichtung zur Erzeugung der Schwingungen im Druckmedium (D) gekoppelt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (20) vorgesehen ist, mit der die Bewegung des Gegenhalters (G) und/oder des Formstempels (F) und/oder des Nachschiebezylinders (Z) und/oder der Hochdruck des Druckmediums (D) und dessen Schwingungsüberlagerung steuerbar sind.