DE2332287C3

DE2332287C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Tiefziehen von Stahlblechen

Info

Publication number: DE2332287C3
Application number: DE19732332287
Authority: DE
Inventors: Eike-Fritz Dr.-Ing. 7343 Kuchen Wend
Original assignee: WUERTTEMBERGISCHE METALLWARENFABRIK 7340 GEISLINGEN
Current assignee: WUERTTEMBERGISCHE METALLWARENFABRIK 7340 GEISLINGEN
Priority date: 1973-06-25
Filing date: 1973-06-25
Publication date: 1980-06-04
Also published as: DE2332287B2; DE2332287A1

Description

Es ist ein Verfahren zum Tiefziehen von Stahlblechen bekannt (»Fertigungstechnik«, 1957, Heft 1, S. 1 —6), bei welchem das Blech im Bereich der Formgebung erwärmt und im Bereich der Kraftübertragung gekühlt wird. Bei diesem bekannten Verfahren, welches zum Umformen von Tiefziehblechen der Qualität ST V1I.23, von Zinkblech sowie von Leichtmetall verwendet wird, erfolgt eine Erwärmung des Bleches in der Formgebungszone auf Temperaturen im Bereich der Rekristallisationstemperatur, wohingegen das Blech im Bereich der Kraftübertragung mit Hilfe von den Tiefziehstempel durchströmendem Kühlwasser gekühlt wird. Um nach Möglichkeit die Gefahr des Blaubruches zu vermeiden, werden bei den bekannten Verfahren Ziehtemperaturen von 600 bis 700⁰C angewendet. Derart hohe Heizzonentemperatur erfordern jedoch nicht nur einen beträchtlichen technischen Aufwand, sondern führen zu unbefriedigender Maßhaltigkeit des Erzeugnisses und zu herabgesetzten Oberflächenqualitäten.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tiefziehverfahren der vorstehend erörterten Art so zu verbessern, daß insbesondere

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65 austenitische Stahlbleche bei technisch einfach zu beherrschenden Temperaturen, d.h. insbesondere bei relativ niedrigen Temperaturen in dei Heizzone, umformbar sind.

Mit dem Tiefziehverfahren nach der Erfindung wird eine Verbesserung des Tiefziehverhaltens inbesondere bei austenitischen Stahlblechen erreicht So macht das geforderte Erwärmen des Materials in der Formgebungszone auf maximal 200⁰C keinerlei Schwierigkeiten, da Heizungseinrichtungen, die den Ziehring und den Blechhalter entsprechend erwärmen, ohne Mühe herstellbar sind. Auch das Kühlen des Kraftübertragungsbereiches des Bleches auf die angegebenen Temperaturen zwischen Raumtemperatur und —6⁰C stellt den Fachmann nicht vor ernstliche Probleme, da vielfältige Kühlmittel bekannt sind, die den genannten Temperaturbereich abdecken. Somit ist der mit Hilfe Jer Erfindung erzielbare technische Fortschritt in erster Linie darin zu sehen, daß günstige Ziehverhältnisse von bis zu 2,7 erreicht werden können, ohne daß Ziehtemperaturen angewandt werden, die im Bereich der Rekristallistationstemperatur des jeweils umzuformenden Werkstoffes liegen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Mit den Ausgestaltungen des Tiefziehverfahrens nach den Ansprüchen 2 bis 5 werden besonders günstige Ergebnisse erreicht Anspruch 6 betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung, wobei sich diese Vorrichtung vom Stand der Technik in erster Linie dadurch unterscheidet, daß die Heizung für den Ziehring und den Blechhalter auch die Ziehkante beaufschlagt und daß die Kühleinrichtung bevorzugt den Kopf des Stempels kühlt.

Aus »Maschine und Werkzeug« (1950), Nr. 17, S. 6 ist ein Sondertiefziehverfahren für Leichtmetallbleche bekannt, bei welchem die Verformungszone des Bleches erwärmt und die Ringrundung abgekühlt wird. Die Leichtmetallbleche werden bis in den Bereich der bei technischem Aluminium zwischen 300 und 400⁰C liegenden Rekristallisationstemperatur erwärmt.

Aus »Wiadom Hutnik« 24 (1968), S. 12-19 ist es bekannt, durch Erwärmen auf 90 bis 150⁰C bei hochlegierten austenitischen Blechen eine Erhöhung des Dehnungskoeffizienten beim Tiefziehen um das 2,4-fache zu erreichen. Es ist dem Fachmann bekannt, daß die Dehnungswerte eines Werkstoffes eine unmittelbare Aussagekraft über das Umformvermögen dieses Werkstoffes beinhalten. So steigt die Erichsentiefung bei vielen Metallwerkstoffen mit der Dehnung an. (»Berichte zum Symposium der Deutschen Gesellschaft für Metallkunde«, Bad Nauheim, 1975, Bild 8).

Aus »Kuzn.-Stamp. Proizvod 5« (1963), S. 23 bis 35 ist es beim Tiefziehen rostbeständiger Stähle bekannt, den Bereich höchster Beanspruchung der Ronde zum Zwecke einer Verfestigung dieses Bereiches zu kühlen, während der umzuformende Flanschbereich von der Kühlung unberührt bleibt und somit seine Ausgangsplastizität beibehält. Die Kühlwirkung wird durch Füllen des Ziehstempels mit flüssigen Kältemitteln erreicht, wobei Kühltemperaturen von —160 bis 175°C benutzt werden. Es versteht sich, daß dieses bekannte Verfahren für die großtechnische Anwendung wenig tauglich ist, da derart tiefe Temperaturen technisch nur mit unvertretbar hohem Aufwand beherrscht werden können.

Das Verfahren nach der Erfindung beruht auf dem Leitgedanken, daß insbesondere bei austenitischen

Stahlsorten bereits mit beträchtlich unterhalb der Rekristallisationstemperatur liegenden Temperatur der Blech-Umformzone bei gleichzeitiger Kühlung des Bleches im Bereich der Kraftübertragung deutliche Verbesserungen des Ziehverhaltens, insbesondere des Grenzziehverhältnisses, erzielbar iyid. So sind Steigerungen des Ziehverhältnisses um 20 bis 30% durch geeignete Abstimmung der Temperaturen einerseits in Ziehring und Blechhalter und andererseits im Stempel, insbesondere im Stempelkopf, erzielbar. Die besten Ergebnisse werden bei austenitischen Chrom-Nickel-Stählen und innerhalb dieser nickelarmen Chrom-Nikkel-Stählen erzielt, bei welchen bei gegebener Ziehring/ Blechhalter-Temperatur und Stempeltemperatur eine Verbesserung des erzielbaren Ziehverhältnisses mit abnehmender Stabilität zu beobachten ist.

Die mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung umgeformten Werkstücke zeichnen sich durch weitaus geringere Maßschwankungen, beispielsweise hinsichtlich des Durchmessers, gegenüber auf herkömmliche Weise tiefgezogenen Werkstücken aus. Außerdem wird durch das Verfahren nach der Erfindung dem Auftreten von Spannungsrissen, die gerade bei austenitischen Werkstoffen bei starker Verformung häufig auftreten, wirkungsvoll entgegengetreten.

Die Kühlung des Rondenbereiches, in dem die Kraftübertragung erfolgt, d.h. des Bodens und der bereits umgeformten Teile der Zarge, wird durch die Kühlung des Stempeis, insbesondere des Stempelkopfes bew'rkt

Der Bereich der erfindungsgemäß einzuhakenden Stempeltemperaturen wird in der Regel nach oben durch die Raumtemperatur, d. h. durch eine Temperatur von etwa 20 bis 25° C begrenzt, während die untere Grenze der Stempeltemperaturen bei —6⁰C liegt. Tiefere Stempeltemperaturen können zwar eine weitere Verbesserung des Ziehverhältnisses bringen, führen andererseits jedoch zur Eisbildung am Stempel und zu einer starken Verdickung der üblichen Schmiermittel, so daß die Kühlung des Stempels auf beträchtlich unter ίο dem Gefrierpunkt liegende Temperaturen nur in Ausnahmefällen zweckmäßig ist. Eine derart starke Abkühlung des Stempels, daß insbesondere bei instabilen Austeniten die Bildung von Martensit in dem gekühlten Rondenbereich auftritt, ist jedoch zweckmäßig, da auf diese Weise in der Kraftübertragungszone eine starke Erhöhung der Zugfestigkeit und damit der maximal übertragbaren Kraft auftritt, was eine kräftige Erhöhung des Grenzziehverhältnisses hervorruft.

Bevorzugt werden durch Stempelkühlung erzielbare Temperaturen in dem Bereich der Kraftübertragung von —5 bis +6° C, da die Temperaturen dieses Bereiches eine zur spürbaren Verbesserung des Ziehverhältnisses beitragende hinreichend starke Vergrößerung der übertragbaren Kraft hervorrufen.

Ein Temperaturausgleich zwischen der gekühlten Mitte und dem über den Ziehring und den Blechhalter geheizten Außenbereich der Ronde ist beim Ziehvor-. gang nicht zu erwarten, da die vorzugsweise verwendeten austenitischen Werkstoffe schlechte Wärmeleiter sind.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß beispielsweise bei einer Ziehring/Blechhalter-Temperatur von 120⁰C und einer Stdmpeltemperatur von 6⁰C das gleiche gute Zieh Verhältnis von ßo max = 2,50 erreichbar ist, wie auch bei einer Ziehring/Blechhalter-Temperatur von 8O⁰C und eip.er Stempeltemperatur von —4°C. Daraus ergib¹ sich, daß es zum Erzielen verbesserter Ziehverhältnisse mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung besonders auf die Größe der Temperaturdifferenz zwischen den erhitzten und den gekühlten Bereichen der Ronde ankommt.

Untersuchungen haben ergeben, daß das Grenzziehverhältnis linear mit der Temperaturdifferenz zwischen Ziehring/Blechhalter und Stempel ansteigt

Ein Ausführungsbeispiel einer zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung geschaffenen Vorrichtung ist in der Figur dargestellt.

Wie die Figur zeigt, sind im Unterbau eines in bekannter Weise einen Ziehring 1, einen Blechhalter oder Niederhalterring 2 und einen Stempel 3 enthaltenden Tiefziehwerkzeuges oberhalb des Ziehrings 1 und unterhalb des Blechhalters 2 elektrisch betreibbare Heizspiralen 4 bzw. 4' vorgesehen, die zum Erhitzen derjenigen Rondenbereiche dienen, in denen die zur Formgebung erforderliche Kraft auftritt Bei diesen Bereichen handelt es sich im wesentlichen um diejenigen Teile der Ronde, die im Werkzeug im Bereich des Ziehringes und des Blechhalters liegen. Anstelle der Heizspiralen 4 bzw. 4' können auch elektrisch zu betreibende Heizstäbe oder andere Heizelemente verwendet werden, die das Erreichen der erforderlichen Temperaturen gestatten, wobei diese Heizelemente jedoch stets derart ausgelegt sein müssen, daß mit Sicherheit eine Ziehring/BIechhalter-Temperatur von 200° C erzielbar ist

Zwischen den oberen Heizspiralen 4 und dem Ziehring i ist vorteilhafterweise eine Platte 5 aus einem . gut wärmeleitendem Material, wie Kupfer, angeordnet. Eine entsprechende Platte 5' ist zwischen den unteren Heizspiralen 4' und dem Blechhalter 2 vorgesehen. Diese Platten 5 bzw. 5' dienen dazu, die von den Heizspiralen 4 bzw. 4' erzeugte Wärme möglichst verlustfrei auf den Ziehring bzw. auf den Blechhalter oder Niederhalterring und auf die Ziehkante zu übertragen.

Vorzugsweise sind die Heizspiralen 4 bzw. 4' derart teilweise in den Platten 5 bzw. 5' angeordnet, daß möglichst wenig der erzeugten Wärme in die oberhalb der Heizspirale 4 bzw. in die unterhalb der Heizspiralen 4' liegenden Teile des Werkzeuges gelangt, damit die erzeugte Wärme möglichst vollständig in den zu erhitzenden Ziehring 1 und in den gleichfalls zu erhitzenden Blechhalter 2 sowie an die Ziehkante gelangt.

Die Temperaturen der Heizspiralen 4 und 4' sind vorzugsweise mit Hüte eines nicht dargestellten Thermostaten regelbar, um eine konstante Temperatur in den zu erhitzenden Bereichen des umzuformenden Werkstoffs sicherzustellen. Da die Heizelemente für den Ziehring und für den Blechhalter im Unterbau des Werkzeuges angeordnet sind, können Ziehring und Blechhalter leicht ausgewechselt werden.

Wie der Figur weiterhin zu entnehmen ist, ist im Stempel 3 eine Kühlmittel-Umlaufkühlung vorgesehen. Die vorzugsweise flüssigen Kühlmittel werden je nach angestrebter Stempeltemperatur ausgewählt und treten durch den Kühlmitteleinlaß 6 in den unteren Teil des Stempels ein. Nach Durchlaufen der hauptsächlich im Stempelkopf ausgebildeten Kühlkanäle 7, die in der Figur lediglich schematisch angedeutet sind, treten die Kühlmittel aus einem im unteren Teil des Stempels angeordneten Kühlmittelaustritt 8 aus. Die Kühlkanäle sind im Stempelkopf konzentriert, um dort die angestrebten neidrigen Temperaturen hervorzurufen. Die verwendeten Kühlmittel werden mit Hilfe einer

nicht dargestellten Pumpe in dem zur Aufrechterhaltung der angestrebten Stempeltemperatur erforderlichen Umfang umgewälzt, so daß eine hinreichende Wärmeabfuhr aus dem Stempelkopf gewährleistet ist.

Bei Wahl geeigneter Kühlmittel sind mit Hilfe der erfindungsgemäßen Stempelkühlung genügend niedrige Stempelkopftemperaturen erzielbar, um die angestrebte Vergrößerung der maxiamal übertragbaren Kraft hervorzurufen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Beispielen erläutert

Beispiel 1

Sowohl bei diesem als auch bei den beiden folgenden Beispielen wurde ein mit erfindur.gsgernäß aufgebauter Heizung für den Ziehring und den Blechhalter sowie mit erfindungsgemäß aufgebauter Kühlung für den Stempel versehenes zylindrisches Tiefziehwerkzeug mit einem Stempeldurchmesser von 100 mm, einem Stempelradius von 10 mm und einem Ziehringradius von 4 mm verwendet. Als Werkstoff diente bei diesem Versuch ein 18-9 CrNi-Stahl, der Werkstoff-Nr. 14 301. Ohne Betätigung der Ziehring/Blechhalter-Heizung und der Stempelkühlung wurde bei diesem Werkstoff ein Grenzziehverhältnis von ß₀ max = 2,08 ermittelt. Die am Ziehring und am Blechhalter sowie am Stempel gemessenen Temperaturen lagen bei 25° C. Als Schmiermittel diente ein bekanntes, für Cr-Ni-Stähle speziell geeignetes Markenschmiermittel. Nachdem der Ziehring und der Blechhalter auf eine Temperatur von 120° C aufgeheizt und der Stempel auf eine Temperatur von 6° C abgekühlt worden war, wurde bei Verwendung des gleichen Schmiermittels ein Grenzziehverhältnis von ßo max = 2,50 erreicht. Das gefertigte Ziehteil besaß eine einwandfreie Oberfläche und deutlich geringere Maßabweichungen als die auf herkömmliche Weise gezogenen Ziehteile.

Beispiel 2

Mit einem anderen Kühlmittel wurde eine Stempeltemperatur von —4° C eingestellt, während die Ziehring-Blechhalter-Temperatur von vorher 120° C auf 80° C abgesenkt wurde. Das bei diesen Werkzeugtempe-

raturen erzielte Grenzziehverhältnis lag bei ßo max = 2,50, woraus sich ergibt, daß durch gute Abstimmung der im Werkzeug verwendeten Temperaturen übereinstimmende Ziehverhältnisse bei unterschiedlichen Temperaturen in den geheizten und den gekühlten Werkstoffbereichen erzielbar sind. Weitere Versuche ergaben, daß das erzielbare Ziehverhältnis mit der Temperaturdifferenz zwischen den Ziehring/Blechhalter-Temperatur und der Stempeltemperatur anwächst. Bei Stempeltemperaturen von —4°C wurden am Stempel gelegentlich eisförmige Ablagerungen festgestellt, die jedoch nach Wechsel des verwendeten Schmiermittels nicht mehr auftraten.

Beispiel 3

Dieser Versuch wurde mit einem Cr-Ni-Stahl der Werkstoff-Nr. 14 310 durchgeführt. Die Ziehring/Blechhalter-Temperatur wurde auf 120°C eingestellt und der Stempel wurde durch Verwendung von Leitungswasser als Kühlmittel auf eine Temperatur von 25° C eingestellt. Unter diesen Bedingungen wurde ein Grenzziehverhältnis von J3o max = 2,55 erreicht. Nach Absenkung der Stempeltemperatur auf +6°C stieg das Grenzziehverhältnis auf ßo max = 2,70 an.

Die Beispiele zeigen deutlich, daß mit Hilfe der Erfindung Ziehverhältnisse zu erreichen sind, die beim konventionellen Tiefziehen von Cr-Ni-Stählen je nach Zusammensetzung nur in drei Zügen mit zwei Zwischenglühungen oder in vier Zügen ohne Zwischenglühung zu erreichen sind. Im Vergleich zu dem beim Arbeiten nach dem Stand der Technik erforderlichen Aufwand an Werkzeugen und Glüheinrichtungen ist der Aufwand für die Heizung des Ziehringes und des Blechhalters sowie für die Kühlung des Stempels bei dem Verfahren nach der Erfindung relativ gering. Da auch die Oberflächenqualität und die Maßgenauigkeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu der bisher erforderlichen Arbeitsweise mit mehreren Zügen und etlichen Zwischenglühungen deutlich besser ist, bietet das erfindungsgemäße Verfahren für die Umformung von vorzugsweise austenitischen Stahlwerkstoffen bisher nicht gekannte Möglichkeiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Tiefziehen tfon Stahlblechen, insbesondere Blechen aus austenitischen Stählen, bei welchem das Blech im Bereich der Formgebung erwärmt und im Bereich der Kraftübertragung gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech im Bereich der Formgebung auf eine deutlich unterhalb seiner Rekristallistationstemperaiur liegende Temperatur zwischen Raumtemperatur und 200⁰C erwärmt wird und daß das Blech im Bereich der Kraftübertragung auf eine zwischen Raumtemperatur und -6⁰C liegende Temperatur abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Formgebung auf eine zwischen 60 und 200° C liegende Temperatur erhitzt und im Bereich der Kraftübertragung auf eine zwischen —5 und +6⁰C liegende Temperatur gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Kraftübertragung auf eine Temperatur von 115 bis 120° C erwärmt und im Bereich der Kraftübertragung auf + 6⁰C abgekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Formgebung auf eine Temperatur von 70 bis 8O⁰C erhitzt und im Bereich der Kraftübertragung auf —4°C gekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefziehen des Bleches in einem einzigen Zug ausgeführt wird.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer den Ziehring und den Blechhalter einer Tiefzieheinrichtung beaufschlagenden elektrischen Heizeinrichtung und einer den Stempel der Tiefzieheinrichtung beaufschlagenden KühlmiUel-Umlaufkühlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (4, 4') auch die Ziehkante beaufschlagt und die Kühlung bevorzugt den Kopf des Stempels (3) kühlt.