DE4034625C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ziehverfahren der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Vorrichtung zur Werkstückbearbeitung im Ziehverfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 4 angegebenen Art.

Bei der Blechbearbeitung unterscheidet man zwischen Streckziehen und Tiefziehen. Bei beiden Verfahren wird das auszuformende Blech an seinem Umfang eingespannt und durch einen quer zur Einspannebene bewegten Werk­ zeugstempel verformt. Während beim Tiefziehen der Blechrand so eingespannt ist, daß Blechmaterial aus dem Randbereich heraus in den Verformungsbereich nach­ fließen kann, ist beim Streckziehverfahren die Rand­ einspannung fest. Bei beiden Verfahren wird außer dem Werkzeugstempel eine Matrizenform mit Ziehkante be­ nutzt. Die beiden Werkzeuge, nämlich der Werkzeug­ stempel und die Matrizenform sind formgebundene Werk­ zeuge, d. h. sie müssen der herzustellenden Ausformung angepaßt sein. Dies bedeutet, daß für jedes Ziehteil entsprechende Werkzeuge hergestellt werden müssen. Da solche Werkzeuge sehr teuer sind, eignen sich die be­ kannten Ziehverfahren wegen des hohen Werkzeugaufwandes ausschließlich für die Serienfertigung.

Für die Kaltumformung bei kleinen bis mittleren Mengen (Losgrößen) wird vorwiegend die schrittweise Formgebung angewendet. Ein Ver­ fahren zum Herstellen von Hohlkörpern aus ebenem Blech durch Treiben ist unter der Bezeichnung "Kümpeln" bekannt. Hier­ bei handelt es sich um ein spezielles Tiefziehverfahren. Zur Durchführung des Verfahrens ist eine bei den Vereinigten Deutschen Metallwerken, Duisburg, verwendete Kümpelein­ richtung für Großböden verwendet worden, bei der eine Kugel als Stempel an einem Kurbelantrieb über ein Seil aufgehängt war. Das Gegenwerkzeug wurde durch einen stählernen großen Ring von etwa der Außendurchmessergröße des herzustellenden Hohlkörpers gebildet. Auf diesem Ring lag das Blech frei auf und die Kugel wurde von einem Bedienungsmann mit ent­ sprechender Erfahrung mittels eines die Kugel horizontal auslenkenden zweiten Seiles an den Ort der nächsten Verfor­ mung gesteuert. Der Bedienungsmann umrundete fortlaufend das Werkstück und schlug es in den freien Raum innerhalb des Ziehringes.

Mit dieser Einrichtung war es jedoch nur möglich, relativ einfache Formen mit großen Krümmungsradien herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ziehver­ fahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art und eine Vorrichtung der im Patentanspruch 4 angegebenen Art derart weiterzubilden, daß zur Herstellung von Aus­ formungen keine werkstückspezifischen formgebundenen Werk­ zeuge benötigt werden, so daß mit einem Werkzeugpaar Aus­ formungen von unterschiedlicher Form und Größe hergestellt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Ziehverfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen und bei der im Oberbegriff des Patentanspruchs 4 an­ gegebenen Vorrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 4 angegebenen Merkmalen.

Im Gegensatz zu einer Kümpeleinrichtung ist das Gegenstück zum Stempelkopf durch zwei Elemente gebildet, nämlich ein­ mal durch die Einspannvorrichtung für das Werkstück und zum anderen durch das Matrizenwerkzeug. Die Gegenkräfte beim Treiben des Werkstückes mittels des Stempelkopfes werden somit nicht durch das Werkstück selbst sondern gemeinsam durch die Einspannvorrichtung und das Matrizenwerkzeug auf­ gebracht. Dadurch behält das Werkstück im Randbereich auch dann seine ebene Ausrichtung bei, wenn Umformungen mit kleinem Krümmungsradius vorgenommen werden.

Durch die Beweglichkeit des Matrizenwerkzeugs relativ zum Stempelkopf wird ferner erreicht, daß Formen mit unterschied­ lichen Krümmungsradien hergestellt werden können und daß Ausformungen unterschiedlicher Art an beliebigen Stellen des Werkstückes möglich sind. Dabei können diese vielfäl­ tigen Formen mit demselben Werkzeugpaar ausgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Um­ formung tafelförmiger Werkstücke, d. h. von Werkstücken, die aus Blech oder einem anderen Flächenmaterial, auch aus Kunststoff bestehen. Das Verfahren kann als Tief­ ziehverfahren oder als Streckziehverfahren ausgeführt werden.

Bei Vertikalbewegung des Stempelkopfes ist der Stempel­ weg dadurch begrenzt, daß bei zu großem Weg das Werk­ stück überbeansprucht wird. Zur Herstellung einer Ausformung, deren Verformungsweg größer als der Stempelweg ist, wird das Ziehverfahren in mehreren Stufen durchgeführt, bei denen die Aus­ formung zunehmend vervollständigt wird. Diese Stufen können entweder dadurch ausgeführt werden, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umläufen die Ausformung ver­ tieft wird, oder dadurch, daß die Vertiefung der Aus­ formung kontinuierlich erfolgt, indem die Absenkung des Stempelkopfes kontinuierlich erfolgt, so daß eine schraubenförmige Bewegung des Stempelkopfes erfolgt.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Kontursteuerung dadurch, daß ein Spannrahmen, in den das Werkstück eingespannt ist, entsprechend der Form der herzustellenden Aus­ formung in der Spannrahmenebene unter Steuerung durch ein Kontursteuergerät bewegt wird. Dabei werden der Stempelkopf und ggf. das Matrizenwerkzeug quer zur Spannrahmenebene verstellt, um die Tiefe des jeweiligen Ausformungsschritts zu verändern. Es ist aber auch mög­ lich, den Spannrahmen feststehend anzuordnen und die beiden Werkzeuge mit einer Kontursteuerung zu bewegen. Schließlich kann auch der Spannrahmen die vertikalen Bewegungen ausführen. Wichtig ist in jedem Fall nur, daß Relativbewegungen zwischen dem Spannrahmen und den beiden Werkzeugen (Stempelkopf und Matrizenwerkzeug) zur fortlaufenden Veränderung des Bearbeitungsortes am Werkstück ausgeführt werden. Wenn Bewegungen des Stempelkopfes relativ zum Werkstück ausgeführt werden, sorgt die Kontursteuerung dafür, daß der Stempelkopf bei zwei aufeinanderfolgenden Bewegungen auf unter­ schiedliche Stellen des Werkstücks örtlich einwirkt.

Obwohl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängig­ keit von den jeweiligen Anforderungen, wie Material­ stärke, Materialbeschaffenheit und Kontur der her­ zustellenden Ausformung, unterschiedliche Stempelköpfe und Matrizenwerkzeuge eingesetzt werden können, ist keine spezielle Anpassung der jeweiligen Werkzeuge an die Form der Ausformung erforderlich. Es ist daher nicht erforderlich, Werkzeuge anzufertigen, die speziell der Kontur der Ausformung entsprechen und nur für eine derartige Ausformung geeignet sind. Das Ver­ fahren eignet sich daher besonders für Kleinserien oder für die Bearbeitung von Einzelstücken, wobei lediglich in die Steuerung die herzustellende Werkstückkontur eingegeben werden muß und die Steuerung dann eine ge­ steuerte Werkzeugmaschine, die den Spannrahmen und die Werkzeuge bewegt, derart steuert, daß die Werkstück­ bearbeitung in zahlreichen kleinen Schritten aufein­ anderfolgend durchgeführt wird. Das Ziehverfahren arbeitet mit Werkzeugen, die nur lokal die Werkstück­ geometrie bestimmen und die Werkstückbearbeitung in zahlreichen kleinen Schritten ohne Werkzeugwechsel durchführen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Ziehteilen ohne Benötigung eines produktspezi­ fischen Werkzeugs.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens und der dazu benötigten Komponenten, und

Fig. 2 und 3 zwei Stufen eines mehrstufigen Bearbeitungs­ verfahrens.

Bei den in den Zeichnungen dargestellten Verfahren handelt es sich um ein Streckziehverfahren, bei dem der Werkstückrand fest eingespannt wird, jedoch ist hierauf die Erfindung nicht beschränkt.

Gemäß Fig. 1 ist das zu bearbeitende Werkstück, nämlich ein aus Metall bestehendes ebenes Blech 10, mit seinem Rand in einen Spannrahmen 11 eingespannt, der ein Unterteil 12 und ein Oberteil 13 aufweist, welche unter Einschluß des Blechrandes so fest gegeneinandergedrückt sind, daß das Blechmaterial aus dem Spalt des Spann­ rahmens heraus nicht nachfließen kann. Der Spannrahmen 11 kann unter Steuerung durch ein Steuergerät 14 in seiner Ebene in X- und Y-Richtung bewegt werden.

Über dem in dem Spannrahmen 11 befindlichen Blech 10 ist ein Stempelkopf 15 angeordnet, der das Oberwerkzeug bildet und bei dem hier beschriebenen Ausführungsbei­ spiel einen Kugelkopf 16 aufweist. Der Durchmesser des Kugelkopfes 16 ist wesentlich kleiner als der Durch­ messer der herzustellenden Ausformung des Bleches 10. Der Stempelkopf 15 ist von einem Schwingantrieb 17 in der Weise angetrieben, daß er Schwingbewegungen recht­ winklig zur XY-Ebene ausführen kann. Der Schwingantrieb 17 ist für den Bearbeitungsvorgang nicht unbedingt er­ forderlich, da die Bewegung des Stempelkopfes 15 auch ausschließlich von einer nichtschwingenden Antriebs­ einrichtung 18 durchgeführt werden kann.

Unter dem Spannrahmen 11 ist das Matrizenwerkzeug 19 angeordnet, das ein aufragendes Matrizenelement 20 mit einer abgerundeten Ziehkante 21 aufweist. Das Matrizen­ element 20 ist an einem Halter 22 in Richtung des Doppelpfeiles 27 verschiebbar befestigt, der um eine Achse 23 schwenkbar ist, welche sich in axialer Aus­ richtung mit der Stempelkopfachse befindet. Der Schwenkantrieb wird ebenfalls von dem Steuergerät 14 entsprechend einem vorgegebenen Programm gesteuert, ebenso wie die Höhenverstellung des Matrizenwerkzeugs 19 in Richtung des Doppelpfeiles 27.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die abge­ rundete Ziehkante 21 einen geradlinigen Verlauf. Es kann auch ein Matrizenelement 20 benutzt werden, dessen Ziehkante gekrümmt ist. Wichtig ist, daß sowohl die Ziehkante 21 als auch der Stempelkopf 15 jeweils eine Abrundung aufweist, da im Falle scharfer Kanten Ein­ schnitte im Blech 10 erzeugt würden. Die Ziehkante 21 hat von der Achse 23 einen seitlichen Abstand, der in der Regel mindestens gleich der Blechstärke ist. Als Stempelkopf oder als Matrizenwerkzeug können auch dreh­ bare Rollen benutzt werden.

Gemäß Fig. 2 erfolgt eine gezielte Vorstreckung des mit seinem Flansch 25 im Spannrahmen 11 fest eingespannten Werkstücks 10 mit Stempelkopf 15 und dem Matrizenwerk­ zeug 19. Dabei wird das Matritzenelement 20 mit seiner Oberseite von unten her gegen das Werkstück gelegt und der Stempelkopf 15 zieht bei seiner vertikalen Bewegung das Blech 10 über die Ziehkante 21, wobei der Spann­ rahmen 11 in dem ortsfesten XY-Koordinatensystem ge­ steuert so bewegt wird, daß der Ziehspalt entsprechend der Seitenkontur der zu bildenden Ausformung bewegt wird. Dies bedeutet, daß der Stempelkopf 15 entlang der inneren Hüllkurve der Ausformung und das Matrizenwerk­ zeug 19 entlang der äußeren Hüllkurve der Ausformung (relativ zum Spannrahmen 11) bewegt wird. Dabei werden zahlreiche Umläufe, d. h. Umdrehungen, durchgeführt, wobei während jedes Umlaufs nur eine weitere Tiefe im Blech 10 ausgeformt wird.

Fig. 2 zeigt einen Zustand, in dem bereits zahlreiche Umläufe stattgefunden haben, wobei der Stempelkopf 15 nach jedem Umlauf oder Ziehschritt weiter abgesenkt wird, um den nächsten Ziehschritt auszuführen. Würde bei einem Ziehschritt eine zu große Verformung statt­ finden, würde die Gefahr bestehen, daß sich der in Fig. 2 bereits verformte (rechte) Teil des Blechs 10 zu­ rückbildet und daß das Blech somit nicht über die Zieh­ kante 21 gestreckt wird. Da sich der Werkstoff durch seine plastische Verformung verfestigt, kann durch ge­ zielt lokal eingebrachte Verformung eine solche Ver­ festigung erreicht werden, daß bei fortschreitender Bearbeitung Formrückbildungen verhindert werden.

Es sei angenommen, daß die herzustellende Ausformung rotationssymmetrisch ist und daß beispielsweise eine Schale oder Schüssel hergestellt werden soll. In diesem Fall verläuft die Vertikalachse des Stempelkopfes 15 außermittig zum Spannrahmen 11 und der Spannrahmen wird kontinuierlich gedreht, wobei die Ziehkante 21 stets tangential zur Ausformung verläuft. Die Ausformung muß aber nicht rotationssymmetrisch sein. Vielmehr kann durch entsprechende Bewegungssteuerung des Spannrahmens 11 auch erreicht werden, daß rechteckige oder anders­ geformte Ausformungen entstehen.

Fig. 3 zeigt den Zustand der Endbearbeitung des Werk­ stücks, wobei der Stempelkopf 15 durch einen Stempel­ kopf 15a mit geringerem Arbeitsdurchmesser und kleinerem Stempelkantenradius ersetzt ist und das Matrizenwerkzeug 19 durch ein Matrizenwerkzeug 19a mit einer Arbeitskante 21a von kleinerem Krümmungsradius ersetzt ist. Die generelle Regel besagt, daß Stempel­ kopf und Ziehkante zunächst mit relativ großen Krüm­ mungsradien verwendet werden und daß bei der End­ bearbeitung mit Werkzeugen mit immer kleineren Krüm­ mungsradien gearbeitet werden sollte. Auch bei der Bearbeitungsstufe von Fig. 3 führt der Stempelkopf 15a vertikale Bewegungen aus, während der Spannrahmen 11 der XY-Ebene so bewegt wird, daß die gesamte Umfangs­ fläche des Werkstücks den Ziehspalt zwischen Stempel­ kopf und Matrizenwerkzeug durchläuft. Auch die in Fig. 3 gezeigte Bearbeitung kann sich über zahlreiche Um­ läufe des Spannrahmens 11 erstrecken.

Claims (6)

1. Ziehverfahren zur Bearbeitung tafelförmiger Werk­ stücke mittels einer Vorrichtung, welche einen auf das Werkstück einwirkenden Werkzeugstempel mit einem Stem­ pelkopf, dessen Ausdehnung parallel zur Tafelebene viel kleiner ist als die Größe der herzustellenden Ausformung, und ein auf der dem Stempelkopf gegenüberliegenden Seite des Werkstückes angeordnetes Matrizenwerkzeug umfaßt, auf dem das Werkstück aufliegt, wobei das Matrizenwerkzeug seitlich neben dem Stempelkopf eine abgerundete Ziehkante aufweist, wobei ferner das Werkstück durch hin- und her­ gehende Vertikalbewegungen des Stempelkopfes relativ zum Matrizenwerkzeug verformt wird und die nur an einem Teil­ bereich des Werkstückes erfolgende örtliche Bearbeitung durch Verschiebung der Einwirkstelle des Stempelkopfes relativ zum Matrizenwerkzeug entlang einer durch Steue­ rung bestimmten Bahn fortschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der örtlich fortschreitenden Bear­ beitung zusätzlich eine Einspannvorrichtung für das Werk­ stück vorgesehen ist und diese realtiv zu Stempelkopf und Matrizenwerkzeug in einem Koordinatensystem bewegt wird, und daß das Matrizenwerkzeug derart um seine Vertikal­ achse gedreht wird, daß seine Ziehkante stets tangential zu der Seitenwand der herzustellenden Ausformung ver­ läuft.

2. Ziehverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die örtliche Blechbearbeitung in mehreren Stufen in aufeinanderfolgend größer werdender Tiefe erfolgt und der seitliche Abstand des Matrizenwerkzeugs von dem Stempel­ kopf zwischen den oder während der Stufen verändert wird.

3. Ziehverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß den Vertikalbewegungen des Stempel­ kopfes eine Schwingung überlagert wird.

4. Vorrichtung zur Bearbeitung tafelförmiger Werkstücke im Ziehverfahren, mit einem auf das eingespannte Werk­ stück einwirkenden Werkzeugstempel mit einem Stempelkopf, dessen Ausdehnung parallel zur Einspannebene viel kleiner ist als die Größe der herzustellenden Ausformung, wobei dem Stempelkopf gegenüber ein Matrizenwerkzeug das seit­ lich neben dem Stempelkopf eine abgerundete Ziehkante aufweist und auf dem das Werkstück aufliegt, angeordnet ist,
und der Ort der Einwirkung des Stempelkopfes gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannrahmen (11) als Einspannvorrichtung vorgesehen ist, der den Werk­ stückrand einspannt, und daß zur Veränderung des Bearbei­ tungsortes am Werkstück (10) eine Steuerung den Spann­ rahmen (11) und das Werkstück (10) relativ zu Stempelkopf (15) und Matrizenwerkzeug (19) bewegt, wobei das Matri­ zenwerkzeug (19) gesteuert um die Längsachse des Stempel­ kopfes (15) drehbar und zur Veränderung der Ziehspalt­ weite gegenüber dieser Achse (23) verschiebbar ist, und beide (15, 19) gemeinsam in der Höhe relativ zum Spann­ rahmen (11) verstellbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwingvorrichtung (17) den Stempelkopf (15) relativ zum Spannrahmen (11) in Schwingungen versetzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stempelkopf (15) und/oder das Matrizen­ werkzeug (19) einen Kugelkopf oder eine Rolle (16) auf­ weist.