DE19943250B4

DE19943250B4 - Tool for pulling cup-shaped workpieces with a small edge radius, in particular seat cushion frame for vehicle seats

Info

Publication number: DE19943250B4
Application number: DE1999143250
Authority: DE
Inventors: Stephanus Dipl.-Ing. Faller; Karl-Heinz Dr. Füller; Reinhard Dipl.-Ing. Heinze; Jens Stefan Dipl.-Ing. Müller
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2019-09-11
Also published as: DE19943250A1

Abstract

Ziehwerkzeug mit einem Stempel, einem Niederhalter und einer Matrize, zum Ziehen von Blechen zu einem napfförmigen Teil mit engem Kantenradius, insbesondere von Sitzkissenrahmen für Fahrzeugsitze, dadurch gekennzeichnet, daß dasjenige Teil des Ziehwerkzeuges, insbesondere die Matrize (1), welches im Bereich kleiner Kantenradien (R) gleitend über das zu ziehende Blech hinwegstreicht, mit Keramik-Einsätzen (8ⁱ, 9ⁱ, 20) aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder aus Zirkonoxid (ZrO₂) versehen ist oder als ganzes aus einem solchen Keramikwerkstoff besteht.Drawing tool with a punch, a hold-down device and a die, for drawing sheets to a cup-shaped part with narrow edge radius, in particular of seat cushion frame for vehicle seats, characterized in that that part of the drawing tool, in particular the die (1), which in the range of small edge radii (R) sliding over the sheet to be drawn away, with ceramic inserts (8 ⁱ , 9 ⁱ , 20) of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) or of zirconium oxide (ZrO ₂ ) is provided or as a whole consists of such a ceramic material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ziehwerkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Werkzeuge zum Tiefziehen von napfförmigen Teilen mit kleinem Kantenradius, insbesondere von Sitzkissenrahmen für Fahrzeugsitze sind aus der industriellen Fertigung bekannt.The The invention relates to a pulling tool according to the preamble of the claim 1. Such tools for deep-drawing cup-shaped parts with a small edge radius, in particular of seat cushion frame for vehicle seats are from the industrial manufacturing known.

Tiefziehwerkzeuge werden heute üblicherweise aus hochfesten Werkzeugstählen hergestellt und die formgebende Oberfläche auf kostspielige Weise mit einer sehr harten und verschleißfesten Beschichtung, beispielsweise aus TiC/TiN, aus CrN o.dgl. versehen. Bei Werkstücken mit kleinem Kantenradien, wie z.B. Sitzkissenrahmen für Fahrzeugsitze, können trotz intensiven Schmiermittelauftrages auf die Blechplatinen nur etwa 300.000 Werkstücke gezogen werden. Dann zeigt die Matrize sehr starke Verschleißerscheinungen und hinterläßt auf den Werkstücken tiefe und zahlreiche Riefen. Zwar läßt sich das Werkzeug nacharbeiten und erneut Beschichten. Ein nachbehandeltes Werkzeug verschleißt jedoch schneller und ermöglicht im Fall eines Sitzkissenrahmens vielleicht nur noch 200.000 Werkstücke. Durch wiederholte Nachbeschichtungen des Werkzeuges kann dessen Nutzungsdauer noch weiter hinausgezögert werden. Spätestens nach etwa fünf oder sechs Nachbehandlungen oder – im Fall des Sitzkissenrahmens – nach etwa eine Millionen Werkstücken muß jedoch ein neues Tiefziehwerkzeug bereitgestellt werden.Thermoforming molds become common today made of high-strength tool steels manufactured and the shaping surface in a costly manner with a very hard and wear-resistant coating, for example of TiC / TiN, of CrN or the like. Mistake. For workpieces with small edge radii, such as. Seat cushion frame for Vehicle seats, can despite intensive application of lubricant to the sheet metal blanks only pulled about 300,000 workpieces become. Then the die shows very severe signs of wear and leaves deep on the workpieces and numerous scores. Although can be rework the tool and re-coat. An aftertreated Tool wears out but faster and possible in the case of a seat cushion frame perhaps only 200,000 workpieces. By repeated re-coatings of the tool may shorten its useful life delayed even further become. No later than after about five or six after-treatments or, in the case of the seat cushion frame, after about one million workpieces must however a new thermoforming tool can be provided.

Aus der DE 689 05 420 T2 ist ein Ziehwerkzeug zur Umformung aus Zinnblech bekannt. Das Werkzeug ist mit einem Einsatz aus einem Verbundwerkstoff versehen, durch den ausgewählte Bereiche des Werkzeugs gegenüber Abnutzung geschützt werden soll. Der Verbundwerkstoff besteht aus einer verteilten harten Phase in einer Matrix. Ein solcher Werkstoff mag geeignet sein, die Verschleißfestigkeit des Werkzeugs bei der Bearbeitung vergleichsweise weicher Bleche ausreichend zu erhöhen. Allerdings reichen Einsätze eines solchen Verbundwerkstoffs nicht aus, wenn – wie im Automobilbau – mit dem Werkzeug hochfeste und höchstfeste Bleche umgeformt werden sollen. In diesem Fall sind zur Erhöhung der Werkzeug-Standzeiten Werkstoffe extremer Härte und Verschleißfestigkeit notwendig, die insbesondere die hochbeanspruchten Bereiche des Werkzeugs (z.B: Bereiche geringer Kantenradien) verstärken müssen.From the DE 689 05 420 T2 is a drawing tool for forming of tinplate known. The tool is provided with a composite insert which is intended to protect selected portions of the tool from wear. The composite consists of a distributed hard phase in a matrix. Such a material may be suitable for sufficiently increasing the wear resistance of the tool when machining comparatively soft sheets. However, use of such a composite material is not sufficient if - as in the automotive industry - high-strength and ultra-high-strength sheets are to be formed with the tool. In this case, materials of extreme hardness and wear resistance are necessary to increase the tool life, which in particular must reinforce the highly stressed areas of the tool (eg: areas of low edge radii).

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrunde gelegte Ziehwerkzeug im Hinblick auf eine höhere Standzeit zu verbessern.task The invention is the generically based drawing tool with regard to a higher To improve service life.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Ziehwerkzeugs erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. These Task is based on the generic drawing tool according to the invention by the characterizing features of claim 1 solved.

Aufgrund des Einsatzes von Keramik-Einlagen aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder aus Zirkonoxid (ZrO₂) an den höchstbeanspruchten Stellen der Matrize können auch ohne teure TiC/TiN-Beschichtung wesentlich höhere Standzeiten des Ziehwerkzeuges als bisher erreicht werden. Bei einer Stückzahl, bei der die Lebensdauer eines konventionellen Ziehwerkzeuges trotz mehrfacher Nacharbeit bereits mehr als erschöpft war, zeigte das erfindungsgemäß ausgerüstete Ziehwerkzeug noch kaum Verschleißerscheinungen. Die Erwartung einer Lebensdauer des erfindungsgemäß ausgerüsteten Ziehwerkzeuges über die volle Produktionszeit eines Kraftfahrzeugtyps hinweg ist also keineswegs unrealistisch.Due to the use of ceramic inserts of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) or of zirconium oxide (ZrO ₂ ) at the most heavily stressed areas of the die, significantly longer service lives of the drawing tool than before can be achieved even without expensive TiC / TiN coating. In a number of pieces in which the life of a conventional drawing tool was already more than exhausted despite repeated reworking, the drawing tool equipped according to the invention hardly showed any signs of wear. The expectation of a lifetime of the inventively equipped drawing tool over the full production time of a motor vehicle type is therefore by no means unrealistic.

Die Keramik-Einlagen verhalten sich nicht nur bezüglich der Verschleißbeständigkeit sehr gut, sondern sie zeigen auch sonst in tribologischer Hinsicht hervorragende Eigenschaften. Aufgrund dessen können Stahlbleche ohne zusätzliche Schmiermittelgabe, d.h. lediglich unter Ausnutzung der walzwerkseitigen Korrosionsschutzölung der Bleche als Schmiermittel, gezogen werden. Selbst wenn zwischendurch Stahlplatinen ganz trocken sein sollten, beeinträchtigt dies einen geordneten Produktionsbetrieb nicht. Aufgrund der ohne weiteres zulässigen Minimalschmierung beim Ziehen von Stahlblechen wird nicht nur das sonst erforderliche Schmiermittel entbehrlich, sondern es entfallen auch erhebliche Kosten für ein anschließendes Entfetten der Ziehteile mit den dazugehörigen Investitions- und Betriebskosten der Entfettungsanlage und den Entsorgungskosten für das gesammelte Schmiermittel. Darüber hinaus können auch Leichtmetall-, insbesondere Aluminiumbleche völlig schmiermittelfrei mit einem erfindungsgemäß ausgerüsteten Tiefziehwerkzeug gezogen werden. Dank des Wegfalls der wartungsbedingten Produktionsunterbrechungen kann die Produktivität einer Presse mit einem erfindungsgemäßen Tiefziehwerkzeug gesteigert werden. Aufgrund der vielen Kostenvorteile amortisiert sich die Investition für das teurere Keramikwerkzeug in relativ kurzer Zeit, so daß die Erfindung einen hoch profitablen Vorschlag beinhaltet.The Ceramic inserts are not just about wear resistance very good, but they also show tribologically in other ways excellent properties. Due to this, steel sheets can be used without additional Lubricant, i. only using the rolling mill side Corrosion protection oiling the sheets are used as a lubricant. Even if in between Steel blanks should be completely dry, this affects an orderly Production operation not. Due to the readily permissible minimum lubrication when pulling steel sheets is not only the otherwise required Lubricant dispensable, but it also accounts for significant costs for a then Degreasing of the drawn parts with the associated investment and operating costs the degreasing plant and the disposal costs for the collected Lubricant. About that can out also light metal, especially aluminum sheets completely lubricant-free with a thermoforming tool equipped according to the invention to be pulled. Thanks to the elimination of maintenance-related production interruptions can productivity a press with a deep-drawing tool according to the invention increased become. Due to the many cost advantages, the amortized Investment for the more expensive ceramic tool in a relatively short time, so that the invention includes a highly profitable proposal.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:Advantageous embodiments of the invention the dependent claims be removed; Furthermore the invention with reference to two shown in the drawings Exemplary embodiments below still explained; show:

1 einen Querschnitt durch ein Ziehwerkzeug zum Tiefziehen von napfförmigen Werkstücken mit engem Kantenradius, z.B. von Sitzkissenrahmen von Fahrzeugsitzen, 1 a cross section through a drawing tool for deep drawing cup-shaped workpieces with narrow edge radius, eg of seat cushion frames of vehicle seats,

2 eine perspektivische Einzeldarstellung der Matrize des Ziehwerkzeuges nach 1, 2 a perspective single representation of the die of the drawing tool after 1 .

3 einen partiellen Schnitt durch einen fertigen Sitzkissenrahmen und 3 a partial section through a finished seat cushion frame and

4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Ziehwerkzeuges zum Ziehen eines zylindrischen Kragens am Rand eines vorgestanzten Loches. 4 another embodiment of a pulling tool for pulling a cylindrical collar at the edge of a pre-punched hole.

Das in 1 dargestellte Ziehwerkzeug ist in einen oberen und in einen unteren Werkzeugteil geteilt, die in Ziehrichtung 14 zueinander hubbeweglich sind. Der heb- und senkbare obere Werkzeugteil umfaßt einen Niederhalter 2 und einen Stempel 3. Der untere, ortsfeste Werkzeugteil enthält die Matrize 1. Das Ziehwerkzeug dient zum Ziehen von Blechplatinen 4 zu einem im wesentlichen napfförmigen Werkstück mit einem engem Kantenradius R, z.B. von Sitzkissenrahmen 5 für Fahrzeugsitze. Der Kantenradius R am Übergang von der Anlagefläche 13 der Platine an der Matrize in die Tiefe der Ziehrichtung 14 wird insbesondere dann als eng angenommen, wenn dieser (R) weniger als das Zehnfache der Blechstärke s beträgt; in ausgeführten Beispielen von Tiefziehwerkzeugen der Anmelderin betrug der Kantenradius lediglich etwa das Zwei- bis Vierfache der Blechstärke. Derartig enge Kantenradien verursachen an der Matrize eines konventionell ausgerüsteten Ziehwerkzeuges einen spürbaren Verschleiß, der auch durch eine harte TiC/TiN-Beschichtung auf einer aus Werkzeugstahl bestehenden Matrize nicht dauerhaft vermieden werden kann.This in 1 shown pulling tool is divided into an upper and a lower tool part, in the pulling direction 14 are mutually liftable. The raised and lowered upper tool part includes a hold-down 2 and a stamp 3 , The lower stationary tool part contains the die 1 , The drawing tool is used to pull sheet metal blanks 4 to a substantially cup-shaped workpiece with a narrow edge radius R, eg of seat cushion frame 5 for vehicle seats. The edge radius R at the transition from the contact surface 13 the board on the die in the depth of the drawing direction 14 is especially considered to be narrow if this (R) is less than ten times the plate thickness s; in embodiments of thermoforming tools of the applicant, the edge radius was only about two to four times the thickness of the sheet metal. Such narrow edge radii cause a noticeable wear on the die of a conventionally equipped drawing tool, which can not be permanently avoided even by a hard TiC / TiN coating on a die made of tool steel.

Für Werkstücke, die in sehr hoher Stückzahl produziert werden müssen, werden besonders verschleißfeste Werkstoffe benötigt. Gehärtete und/oder beschichtete Stähle reichen hierbei häufig nicht aus. Beispielsweise müssen Sitzkissenrahmen für Fahrzeugsitze in besonders hoher Stückzahl hergestellt werden, weil sie unabhängig von der Fahrzeugausstattung gleichbleibend mehrfach in jedem Fahrzeug benötigt werden. Über die Produktionsjahre eines Fahrzeuges hinweg werden demzufolge viele Millionen derartiger Werkstücke benötigt.For workpieces that produced in very high quantities Need to become, become particularly wear-resistant Materials needed. hardened and / or coated steels rich here often not from. For example, must Seat cushion frame for Vehicle seats are manufactured in particularly high numbers, because they are independent be required by the vehicle equipment consistently multiple times in each vehicle. About the The production years of a vehicle are therefore many Millions of such workpieces needed.

Der enge Kantenradius an Sitzkissenrahmen ist vor allem aus Montagegründen bedingt. In den Randumbug 15 wird später der Bezug des Fahrzeugsitzes mit einem eingenähten Kederstreifen eingehängt. Andere Werkstücke mit einem lokal ebenfalls relativ engen Kantenradius, die in großer Stückzahl benötigt werden, sind beispielsweise Türinnenbleche für Fahrzeugtüren.The narrow edge radius of seat cushion frame is mainly due to assembly reasons. Into the Randumbug 15 Later, the reference of the vehicle seat is hung with a sewn-in Kederstreifen. Other workpieces with a locally also relatively narrow edge radius, which are required in large numbers, are for example door inner panels for vehicle doors.

Um derartige Ziehwerkzeuge im Hinblick auf ihre Standzeit zu verbessern, ist die Matrize 1 im Bereich der engen Kantenradien R erfindungsgemäß mit Keramik-Einsätzen 8, 9 aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder aus Zirkonoxid (ZrO₂) versehen. Diese Keramik-Einsätze sind aus Herstellungsgründen und aus Montagegründen in mehrere Segmente unterteilt, und zwar sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel vier Eckstücke 8, 8', 8'', 8''' und vier Seitenstücke 9, 9', 9'', 9''' von Keramik-Einsätzen vorgesehen. Die Segmentunterteilung der Keramik-Einsätze ermöglicht es im Bedarfsfall auf einfach Weise, beispielsweise durch Austausch einzelner Segmente, eine Reparatur durchzuführen.To improve such dies in terms of their life, the die is 1 in the field of narrow edge radii R according to the invention with ceramic inserts 8th . 9 made of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) or of zirconium oxide (ZrO ₂ ). These ceramic inserts are divided for manufacturing reasons and assembly reasons into several segments, in the illustrated embodiment, four corner pieces 8th . 8th' . 8th'' . 8th''' and four side pieces 9 . 9 ' . 9 '' . 9 ''' provided by ceramic inserts. The segmental division of the ceramic inserts makes it possible in a simple manner, if necessary, to perform a repair, for example by replacing individual segments.

In dem Matrizengrundkörper 6 ist ein etwa rechteckiger Querschnitt freigearbeitet, wodurch eine quer zur Ziehrichtung 14 liegende Anlageschulter 7 für die Keramik-Einsätze geschaffen ist. Die Keramik-Einsätze stützen sich auf dieser Anlageschulter in Ziehrichtung 14 ab. Der freigearbeiteten Raum wird im übrigen vollständig von den Keramik-Einsätzen ausgefüllt, die im übrigen oberflächenbündig in die sonstigen Oberflächen des Matrizengrundkörpers übergehen. In den Keramik-Einsätze sind quer zur Ziehrichtung 14 liegende Schraubendurchgangslöcher 10 mit Ansenkungen 11 für den Schraubenkopf eingearbeitet. Mit den Befestigungsschrauben 12 sind die Keramik-Einsätze in dem freigearbeiteten Raum der Matrize 1 befestigt und können bedarfsweise rasch ausgetauscht werden. Die Ansenkung 11 für den Kopf der Befestigungsschraube öffnet sich in die in Ziehrichtung 14 liegende, innere Seitenfläche 16 der Matrize hinein, die tribologisch nicht mehr beansprucht ist. Dadurch stört diese Öffnung dort nicht.In the Matrizengrundkörper 6 is an approximately rectangular cross-section worked, creating a transverse to the drawing direction 14 lying abutment shoulder 7 created for the ceramic inserts. The ceramic inserts are supported on this contact shoulder in the pulling direction 14 from. Incidentally, the freed-up space is completely filled by the ceramic inserts, which, moreover, are flush with the surface in the other surfaces of the matrix base body. In the ceramic inserts are transverse to the pulling direction 14 lying screw through holes 10 with countersinks 11 incorporated for the screw head. With the fixing screws 12 are the ceramic inserts in the cleared space of the die 1 attached and can be replaced quickly if necessary. The countersink 11 for the head of the fastening screw opens in the pulling direction 14 lying, inner side surface 16 the matrix, which is no longer tribologically stressed. As a result, this opening does not bother there.

Das in 4 dargestellte, aus Oberwerkzeug 19 und Unterwerkzeug 19' bestehende Ziehwerkzeug, welches Teil eines Folgewerkzeuges ist, dient zum Anbringen eines zylindrischen, in Fertigungslage nach unten weisenden Kragens 18 im Bereich eines Blechloches 17 der Platine 4'. Zu diesem Zweck ist im Unterwerkzeug konzentrisch zu dem Blechloch eine Vertiefung 22 als eine Art Matrize angebracht, die mit einer Verrundung in die Blechanlagefläche des Unterwerkzeuges übergeht. Im Oberwerkzeug 19 ist hubbeweglich darin ein Stempel 20 gelagert und mit einem entsprechenden Antrieb versehen. An der Vorderseite des Stempels ist ein Zapfen 23 angebracht, der der Form und – abzüglich der zweimaligen Blechstärke – der Größe der Vertiefung 22 entspricht. Er ist vorderseitig mit einer Anfasung 21 versehen. Beim Ziehen des Kragens 18 aus dem Rand des Blechloches 17 gleitet der Zapfen über das Blech hinweg und wird somit tribologisch sehr stark beansprucht. Demgegenüber kommt bei diesem Tiefziehwerkzeug der Rand der Vertiefung 22, gewissermaßen der Matrizenrand, nur ruhend mit dem Blech zur Anlage und unterliegt praktisch keinem Verschleiß. Demgemäß ist hier der Stempel 20 zumindest partiell, nämlich zumindest in seinem vorderen, blechzugewandten Teil aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder aus Zirkonoxid (ZrO₂) hergestellt.This in 4 shown, from upper tool 19 and lower tool 19 ' existing drawing tool, which is part of a follower tool, is used for attaching a cylindrical, in production position facing collar 18 in the area of a sheet metal hole 17 the board 4 ' , For this purpose, a recess in the lower tool concentric with the hole 22 attached as a kind of matrix, which merges with a rounding in the sheet metal machining surface of the lower tool. In the upper tool 19 Hubbeweglich is a stamp in it 20 stored and provided with a corresponding drive. At the front of the stamp is a pin 23 appropriate, that of the form and - minus twice the sheet thickness - the size of the recess 22 equivalent. He is front with a chamfer 21 Mistake. When pulling the collar 18 from the edge of the sheet metal hole 17 slides over the pin over the sheet and is therefore very heavily loaded tribologically. In contrast, comes in this thermoforming tool, the edge of the recess 22 , as it were the edge of the die, only resting with the sheet to the plant and is subject to virtually no wear. Accordingly, here is the stamp 20 at least partially, at least in its front, sheet-facing part made of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) or zirconium oxide (ZrO ₂ ).

Claims

Drawing tool with a punch, a blank holder and a die, for drawing sheet metal to a cup-shaped part with a narrow edge radius, in particular seat cushion frame for vehicle seats, characterized in that that part of the drawing tool, in particular the die ( 1 ), which in the region of small edge radii (R) sliding past the sheet to be drawn, with ceramic inserts ( 8 ⁱ . 9 ⁱ . 20 ) of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) or of zirconium oxide (ZrO ₂ ) is provided or as a whole consists of such a ceramic material.

Drawing tool according to claim 1, characterized in that the ceramic inserts ( 8 ⁱ . 9 ⁱ ) of the die ( 1 ) into several segments ( 8th . 8th' . 8th'' . 8th''' . 9 . 9 ' . 9 '' . 9 ''' ) are divided.

Drawing tool according to claim 1, characterized in that the ceramic inserts ( 8 ⁱ . 9 ⁱ ) of the die ( 1 ) by transverse to the drawing direction ( 14 ) mounting screws ( 12 ) in the die ( 1 ) are attached.

Drawing tool according to claim 1, characterized in that the edge radius (R) at the transition from the abutment surface (R) ( 13 ) of the board ( 4 ) on the die ( 1 ) in the depth of the draw direction ( 14 ) is less than ten times, preferably about two to four times the sheet thickness (s).

Drawing tool according to claim 1, characterized in that in the matrix base body ( 6 ) one transverse to the drawing direction ( 14 ) lying abutment shoulder ( 7 ) is arranged, on which the ceramic inserts ( 8 ⁱ . 9 ⁱ ) in the pulling direction ( 14 ), whereby they ( 8 ⁱ . 9 ⁱ ) also transverse to the drawing direction ( 14 ) lying fixing screws ( 12 ) in the matrix base body ( 6 ) are attached.

Drawing tool according to claim 1, characterized in that in a drawing tool ( 19 . 19 ' ) for attaching a Cylindrical collar ( 18 ) in the area of a sheet metal hole ( 17 ) The Stamp ( 20 ) consists of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) or of zirconium oxide (ZrO ₂ ) at least partially, namely in the front, sheet-metal facing part.