DE19807404A1 - Tief- und Streckziehwerkzeug mit durch konturgetreu geformte Masken abgedeckten Funktionsflächen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeuges entspre­ chend dem Oberbegriff des Anspruchs I und den Aufbau des Werkzeugs selbst.

Damit Blechformteile im Tiefziehprozeß wirtschaftlich und prozeßsicher hergestellt werden können, muß eine über die Nutzungsdauer in definierten Grenzen gleichblei­ bende Beschaffenheit der Werkzeugoberflächen gewährleistet sein.

Es ist bekannt, Ziehwerkzeuge aus hochwertigen Materialien anzufertigen, die bedingt durch ihre Materialeigenschaften und in vielen Fällen eine zusätzliche Oberflächenbe­ handlung, eine ausreichende Verschleißbeständigkeit besitzen, um einen prozeßsiche­ ren Betrieb während ihrer Nutzungsdauer zu gewährleisten.

Diese Werkzeuge weisen in Abhängigkeit von der zu fertigenden Bauteilgröße eine Masse von bis zu mehreren Tonnen auf und werden in der Regel aus Eisenlegierungen hergestellt. Im Bereich der Vorserienwerkzeuge werden häufig alternative Werkstoffe eingesetzt. Dies sind z. B. Kunststoffe, die zur Verbesserung ihrer tribologischen Ei­ genschaften mit Füllstoffen verschiedenster Art versehen oder an ihrer Oberfläche be­ schichtet sind oder niedrigerschmelzende Metallegierungen z. B. auf Zinn-Wismuth oder Zinkbasis. Durch die bessere Bearbeitbarkeit dieser Werkstoffe läßt sich eine deutliche Verkürzung der Herstellzeit der Betriebsmittel bei gleichzeitiger Kostensen­ kung erreichen. Allerdings erreichen diese Werkstoffe nicht die Standzeiten der her­ kömmlichen aus Eisenlegierungen gefertigten Werkzeuge mit hoher Oberflächenhärte, so daß ein Einsatz in der Großserie nicht wirtschaftlich ist.

Bedingt durch die in der Regel großen Abmessungen der Werkzeuge ist ein großer Materialeinsatz zur Herstellung der Werkzeuge erforderlich. Gleichzeitig muß der Werkstoff gute Verschleißeigenschaften und/oder eine gute Eignung zur Beschichtung mit entsprechenden Verschleißschutzschichten aufweisen. Dies bedingt den Einsatz hochwertiger Werkstoffe und führt zu hohen Material- und damit Werkzeugkosten. Kommt es während des Betriebs der Werkzeuge zu einer Beschädigung der Werk­ zeugoberfläche, so muß i.d.R. das gesamte Werkzeug ausgebaut, lokal neuer Werk­ stoff aufgetragen und mechanisch bearbeitet werden. Bei beschichteten Werkzeugen muß das Werkzeug anschließend nachbeschichtet werden. Diese Faktoren führen i.d.R. zu einer beträchtlichen Störung des Produktionsablaufs.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Werkzeugkonzept und das zugehörige Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung der Werkzeuge zu schaffen, um bei ver­ gleichbarer bzw. verbesserter Standzeit und Prozeßsicherheit der Werkzeuge eine günstigere und schnellere Bereitstellung der Werkzeuge zu gewährleisten. Außerdem wird der Instandsetzungsaufwand des Werkzeugs nach einer Beschädigung minimiert, um Störungen im Produktionsablauf durch erforderliche Werkzeugreparaturen zu be­ grenzen.

Diese Aufgabe wird durch ein neuartiges Werkzeugkonzept und das Verfahren zur Herstellung derartiger Werkzeuge mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Zur Vermeidung der genannten Schwierigkeiten und der Nachteile die bei Verwendung herkömmlicher Werkzeugkonzepte auftreten, wird durch die vorliegende Erfindung ein neuartiger Werkzeugaufbau angestrebt, der mit überraschend geringem Aufwand an Fertigungsschritten und Materialkosten die Herstellung eines Umformwerkzeuges gestattet, welches einerseits die Fertigungsgenauigkeit und Prozeßsicherheit herkömmlicher Tiefziehwerkzeuge erreicht und andererseits eine schnellere Verfüg­ barkeit des Werkzeugs bei niedrigeren Erstehungskosten und verbesserter Repara­ turfreundlichkeit gewährleistet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen (s. Anlage 7) dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. In den Zeichnungen ist als Beispiel zur Ver­ deutlichung des grundsätzlichen Aufbaus des erfindungsgemäßen Werkzeugs ein geometrisch einfaches, rotationssymmetrisches Tiefziehwerkzeug dargestellt. Die Er­ findung bezieht sich jedoch auf Tief- und Streckziehwerkzeuge zur Herstellung beliebi­ ger Bauteilgeometrien.

Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug (beispielhaft hier ein Werkzeug für einen rotationssymmetrischen Napf alle Kontaktzonen durch Masken abgedeckt),

Fig. 2 Niederhaltergrundkörper (3), Niederhaltermaske (3a), Stempelgrundkörper (1) und Matrizengrundkörper,

Fig. 3 Umlegen des Maskenmaterials für die Matrizenmaske durch Handbearbeitung (z. B. Bördeln) oder durch die Einwirkung des Stempels. 1 Stempelgrundkörper, 1a Stempelmaske, 2 Matrizengrundkörper, 2a Matrizenmaske, 3 Niederhaltergrundkörper, 3a Niederhaltermaske,

Fig. 4 Tiefziehen eines Bauteils zum Kalibrieren der Maske in der Matrizengravur (2b),

Fig. 5 Herstellung der Werkzeugmasken, 1a Stempelmaske, 2a Matrizenmaske, 2b Maske für Werkzeuggravur,

Fig. 6 Abguß des Matrizengrundkörpers, 1 Stempelgrundkörper, 1a Stempelmaske, 2 Matrizengrundkörper, 2a Matrizenmaske, 2b Maske für Matrizengravur, 4 Formmaterial
Ein Tiefziehwerkzeug besteht i.d.R. aus drei Baugruppen. (Vgl. Fig. 1)

• 1. Stempel
• 2. Matrize
• 3. Niederhalter.

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Werkzeug zeichnet sich das erfindungsge­ mäße Werkzeug dadurch aus, daß einige oder alle Bereiche, die aufgrund der Kon­ takteinwirkung zwischen Werkzeug und Werkstück einer Verschleißbeanspruchung unterliegen, mit einer entsprechenden Formmaske (Fig. 1: 1a, 2a, 2b, 3a) abgedeckt sind. Der formgebende Stempel (Fig. 1: 1) ist mit der Stempelmaske (Fig. 1: 1a) ver­ sehen. Die Krafteinleitung der Stempel kraft erfolgt vom Stempel über die Stempel­ maske (Fig. 1: 1a) in das Werkstück (Fig. 1: 4). Der Matrizenrand und die Ziehkan­ tenrundung werden von der Matrizenmaske (Fig. 1: 2a) abgedeckt. Die Niederhalter­ fläche ist mit der Niederhaltermaske (Fig. 1: 3a) versehen. Für den Fall, daß im unte­ ren Totpunkt des Stempels ein Prägeprozeß erfolgt, kann die Matrizengravur ebenfalls mit einer Maske (Fig. 1: 2b) versehen sein. In einer nicht dargestellten Ausführung können eine oder einzelne der Masken weggelassen sein.

Die Formmasken werden aus einem Platinen-Material hergestellt, das in der Paarung mit dem zu verarbeitenden Blechwerkstoff günstige Reibeigenschaften besitzt. Als Maskenwerkstoff kommen je nach zu verarbeitendem Werkstückmaterial (Fig. 1: 4) verschiedene Metallbleche (z. B. Eisen oder Buntmetallegierungen mit oder ohne Be­ schichtung) aber auch andere Materialien, wie z. B. Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe (z. B. auf Basis textiler Gewebe etc.) zum Einsatz.

Die Formgebung der Masken der Werkzeugteile kann dabei im Werkzeug selbst erfol­ gen, so daß eine Reproduktion mehrerer der erforderlichen Masken schnell und wirt­ schaftlich durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht einen einfachen und schnellen Austausch beschädigter oder abgenutzter Werkzeugmasken durch zuvor angefertigte Ersatzmasken. Durch diese Vorgehensweise wird es möglich, Maskenmaterialien zu verwenden, die gute Reibeigenschaften besitzen, auch wenn sie nur eine relativ ge­ ringe Verschleißbeständigkeit aufweisen. Dies trifft insbesondere für Maskenmateria­ lien zu, die nicht wesentlich härter oder aber sogar weicher sind, als das zu verarbei­ tende Werkstückmaterial. Gerade solche Werkzeugoberflächen bieten ein großes Potential zur Fertigung von Werkstücken großer Oberflächengüte, da im Gleitkontakt zwischen Werkzeug und Werkstück die Furchung auf der Werkzeugoberfläche und nicht auf dem Werkstück stattfindet. Die Werkstückoberfläche bleibt daher weitgehend unversehrt. Zusätzlich ist der zu erwartende abrasive Verschleiß der Werkzeuge sehr gut voraussagbar, so daß bei regelmäßigem Maskenwechsel in der Serienfertigung eine deutliche Steigerung der Prozeßsicherheit und der Bauteilgüte gegenüber her­ kömmlichen Werkzeugen zu erwarten ist. Bei geschickter Auswahl eines selbst­ schmierenden Maskenwerkstoffs wird eine schmierstofffreie Umformung möglich. Der­ artige Werkzeugmaterialien konnten bislang nicht wirtschaftlich eingesetzt werden, da bei Abnutzung der Werkzeugoberfläche das gesamte Werkzeug überarbeitet werden mußte. Insbesondere bei Werkstückmaterialien, deren Verarbeitung in Werkzeugen aus Eisenlegierungen kritisch ist (z. B. Aluminiumlegierungen) sind durch die Verwen­ dung geeigneter Maskenmaterialien große Fortschritte zu erwarten.

Die Masken können aber auch aus einem Material hergestellt werden, das bedingt durch seine Materialeigenschaften oder durch zusätzliche Wärmebehandlung oder Be­ schichtung härter ist, als der umzuformende Werkstückwerkstoff. Hier kommen als Maskenwerkstoff z. B. hochwertige Stähle in Frage, insofern diese als Blechhalbzeuge verfügbar sind.

Als Grundwerkstoff für die Werkzeugkörper kann bei Verwendung von Werkzeugmas­ ken ein beliebiger Werkstoff ausgewählt werden, dessen Festigkeitseigenschaften den mechanischen Beanspruchungen im Werkzeuginneren genügen. Auf günstige tribolo­ gische Eigenschaften gegenüber dem zu verarbeitenden Werkstückwerkstoff oder die Eignung zur Beschichtung braucht keine Rücksicht genommen zu werden. Dies er­ möglicht den Einsatz leichter und/oder kostengünstiger Werkzeugwerkstoffe, wie z. B. Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, Polymerbeton, günstiger Metallgußlegierungen o. ä. als Werkzeuggrundwerkstoffe.

Die Verwendung verschiedener Platinenmaterialien mit unterschiedlichen Reibzahlen zur Herstellung der Masken ermöglicht eine Einflußnahme auf den lokalen Werkstoff­ fluß im Ziehprozeß. So kann zum Erreichen großer Ziehtiefen z. B. eine Stempelmaske mit großer Reibzahl gegenüber dem zu verarbeitenden Material und für die Masken im Niederhalter und Matrizenrandbereich ein Maskenmaterial mit geringer Reibzahl ein­ gesetzt werden. Auch am Umfang der Matrizenöffnung ist die Verwendung verschiede­ ner Maskenmaterialien mit verschiedenen Reibzahlen und damit eine gezielte Einfluß­ nahme auf den lokalen Werkstofffluß denkbar, wenn die Matrizen- bzw. Niederhalter­ maske mehrteilig angefertigt wird. Die Verwendung der Werkzeugmasken erlaubt eine Erweiterung des bisher bekannten Werkzeugmaterialspektrums und damit eine gezielte Anpassung der tribologischen Werkstoffeigenschaften.

Die Arbeitsstufen zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ziehwerkzeugs umfassen die Anfertigung der Werkzeug Grundkörper und die Anfertigung der Werkzeugmasken. Als Ausführungsbeispiele werden im folgenden beispielhaft zwei Vorgehensweisen zur Herstellung erfindungsgemäßer Werkzeuge geschildert.

Herstellung des erfindungsgemäßen Werkzeuges, wobei zuerst die Werkzeuggrund­ körper hergestellt werden.

Bei dieser Vorgehensweise werden zunächst die Werkzeuggrundkörper aus einem ge­ eigneten Werkstoff hergestellt. Dies kann auf herkömmliche Art und Weise, z. B. durch spanbildende Formgebung oder durch beliebige andere formgebende Verfahren, z. B. durch computergestützte generative Verfahren zur 3D Prototypenerzeugung (z. B. Stereolithographie, LOM Verfahren, Lasersintern u.ä.) erfolgen. Die Dicke der späteren Werkzeugmasken ist bei der Fertigung der Grundkörper als Untermaß zu berücksichti­ gen. Anschließend werden die Werkzeugmasken auf den Grundkörpern der Werk­ zeugteile formgebend in der Regel ausgehend von Platinen-Halbzeug hergestellt. Hierbei ist es sinnvoll zunächst die Maske für den Niederhalter (Fig. 2: 3a) und den Matrizenrand zuzuschneiden. Fig. 2 zeigt die Grundkörper des Ausführungsbeispiels für ein rotationssymmetrisches Napfziehwerkzeug sowie die zugeschnittene Nieder­ haltermaske. Der hier nicht dargestellte Zuschnitt für die Maske des Matrizenrandes entspricht dem Zuschnitt für die Niederhaltermaske (Fig. 2: 3a), allerdings mit kleine­ rem Durchbruch.

Anschließend wird die Niederhaltermaske auf dem Niederhalter fixiert. Danach wird die Maske für den Matrizenrand auf dem Matrizengrundkörper (Fig. 2: 2) ausgerichtet und fixiert. Die Fixierung kann dabei form- bzw. kraftschlüssig durch in die Mas­ kenoberfläche versenkte Verbindungselemente oder stoffschlüssig durch Kleben oder Löten erfolgen.

Es ist darauf zu achten, daß der Zuschnitt für die Maske des Matrizenrandes (Fig. 3: 2a) so ausgeführt wird, daß nach dem Umlegen des Maskenwerkstoffs um die Zieh­ kantenrundung der gesamte Kontaktbereich der Ziehkantenrundung abgedeckt ist. Das Umlegen des Maskenmaterials um die Ziehkantenrundung kann entweder durch einen Bördelvorgang von Hand, oder aber durch einen Kragenziehvorgang unter Zu­ hilfenahme des Stempels erfolgen.

Sollen zusätzlich zu den Masken im Blechhalterbereich (Fig. 4: 2a und 3a) auch die Stempelstirnseite und/oder die Grundfläche der Matrizengravur mit Masken versehen werden, bietet es sich an, diese Masken durch Tiefziehen des Maskenwerkstoffs im Werkzeug selbst herzustellen. Dazu wird ein Zuschnitt des Maskenwerkstoffs in das Werkzeug eingelegt und im Werkzeug umgeformt. Der Tiefziehvorgang kann dabei bereits dann abgebrochen werden, wenn die Stempelstirnfläche und die Stempelkante mit Maskenwerkstoff abgedeckt sind. Das Ziehen bis zum unteren Totpunkt des Stem­ pels ist dabei i.d.R. nicht erforderlich, d. h. der Maskenwerkstoff braucht keine sehr gu­ ten Tiefzieheigenschaften zu besitzen. Bei schwer umformbaren Maskenwerkstoffen kann evtl. eine partielle Erwärmung der Platine, aus der die Maske geformt wird, erfol­ gen. Die Masken werden anschließend aus den so entstehenden Werkstücken aus dem Maskenwerkstoff ausgeschnitten und an der Stempelstirnseite bzw. In der Matri­ zengravur fixiert. Anschließend sollte ein Werkstück aus einem Platinenmaterial mit der Blechstärke des späteren Werkstückmaterials gezogen werden, um die Masken endgültig zu kalibrieren.

Herstellung des erfindungsgemäßen Werkzeugs, wobei zunächst die Werkzeugmas­ ken angefertigt werden.

Der Stempel des Ziehwerkzeugs oder ein zuvor angefertigtes Modell liegt i.d.R. als maßgebendes und die Toleranzen des Bauteils bestimmendes Positivmodell vor. Aus­ gehend vom Positivmodell bzw Stempel werden zunächst eine Niederhaltermaske und eine Maske für den Matrizenrand angefertigt. Zur Herstellung der Niederhaltermaske wird das Maskenmaterial entsprechend der Außenkontur des Niederhalters zuge­ schnitten. Anschließend wird die Maske mit einem Durchbruch versehen, der in seiner Form und seinen Abmessungen dem Stempelquerschnitt entspricht. Die Maske für den Matrizenrand erhält man durch Zuschnitt des Maskenmaterials entsprechend der Außenkontur der Werkzeugmatrize. Die Maske wird anschließend mit einem Durch­ bruch versehen, der in Form und Abmessung der späteren Matrizenöffnung entspricht. Es ist darauf zu achten, daß am inneren Rand der Öffnung genug Maskenmaterial stehenbleibt, um die spätere Matrizenrundung vollständig abzudecken.

Am inneren Rand der Maske (Fig. 5: 2a) wird nun durch Bördeln der spätere Zieh­ kantenradius des Werkzeugs angebracht und an die Außenkontur des Positivmodells angepaßt. Falls auch die Grundfläche der Matrizengravur und oder der Stempel mit Masken versehen werden sollen, so werden diese Masken nun auf der Stirnseite des Positivmodells durch Bördeln abgeformt oder von Hand in einem anderen Verfahren hergestellt. Anschließend werden das Positivmodell und die Masken mit einem geeig­ neten Trennmittel versehen und der Matrizengrundkörper wird durch Urformen mit ei­ nem geeigneten Werkstoff erzeugt (Fig. 6). Dabei ist darauf zu achten, daß der erfor­ derliche Ziehspalt zwischen Stempel und Matrize durch geeignete Maßnahmen (Fig. 6: 5) erhalten bleibt. Denkbar ist hier das Anbringen eines leicht entfernbaren Füll­ stoffs, z. B. Wachs auf der Stempeloberfläche oder die in Fig. 6 dargestellte Umscha­ lung des Stempels. Nach dem Entformen erhält man den Matrizengrundkörper. Der Niederhaltergrundkörper kann einfach hergestellt werden, indem die Niederhalter­ maske auf die Matrizenmaske aufgelegt und entlang der Innen- und Außenkonturen mit geeignetem Schalungsmaterial umgeben wird. Die Niederhaltermaske wird nun mit einem Trennmittel versehen. Anschließend wird der Niederhaltergrundkörper direkt in dieser Lage auf dem Matrizenrand abgegossen. Diese Vorgehensweise hat den Vor­ teil, daß die entstehende Niederhalteroberfläche exakt zu der Oberfläche des Matrizen­ randes paßt. Die Anfertigung zusätzlicher Ersatzmasken erfolgt analog der oben be­ schriebenen Vorgehensweise zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkzeugs, wobei die Werkzeuggrundkörper zuerst existieren. Nach Entfernung der Masken, die während des Gießvorgangs benutzt wurden, können auf den darunterliegenden Ober­ flächen der Werkzeuggrundkörper weitere Ersatzmasken abgeformt werden.

Claims (6)

1. Tiefziehwerkzeug und Verfahren zur Herstellung eines Tiefziehwerkzeuges zur Produktion metallischer Blechformteile, dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle Bereiche der Werkzeugoberfläche, die aufgrund der Kontakteinwirkung zwischen Werkzeug und Werkstück einer Verschleißbeanspruchung unterliegen, mit einer Formmaske abgedeckt sind.

2. Tiefziehwerkzeug und Verfahren zur Herstellung eines Tiefziehwerkzeuges zur Produktion metallischer Blechformteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle Bereiche der Werkzeugoberfläche, die aufgrund der Kontakteinwirkung zwischen Werkzeug und Werkstück einer Verschleißbeanspruchung unterliegen, mit Formmasken abgedeckt sind, die formgebend in dem Werkzeug selbst erzeugt werden.

3. Tiefziehwerkzeug und Verfahren zur Herstellung eines Tiefziehwerkzeuges zur Produktion metallischer Blechformteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gezielt unterschiedliche Maskenmaterialien an verschiedenen Stellen des Werkzeugs eingesetzt werden, um lokal unterschiedliche Reibverhältnisse zu erzielen.

4. Tiefziehwerkzeug und Verfahren zur Herstellung eines Tiefziehwerkzeuges zur Produktion metallischer Blechformteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Maskenmaterial Werkstoffe eingesetzt werden, die geeignet sind, als Trockenschmierstoff für den Umformprozeß zu wirken.

5. Tiefziehwerkzeug und Verfahren zur Herstellung eines Tiefziehwerkzeuges zur Produktion metallischer Blechformteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Maskenmaterial Werkstoffe eingesetzt werden, die nach der Umformung zu einer Werkzeugmaske mittels Wärmebehandlung oder Hartstoffbeschichtung auf eine hohe Oberflächenhärte gebracht werden können.

6. Tiefziehwerkzeug und Verfahren zur Herstellung eines Tiefziehwerkzeuges zur Produktion metallischer Blechformteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masken so ausgeführt werden, daß zu Reparaturzwecken ein schneller Austausch der Masken vorgenommen werden kann.