DE4232913A1 - Explosionsunterstütztes hydromechanisches Tiefziehen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum hydromechanischen Tiefziehen von Blech in eine durch nur einen der beiden Werkzeug­ teile, vorzugsweise den Stempel vorgegebene Form mittels einer Presse, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielswei­ se durch die DE-OS 37 09 181 als bekannt hervorgeht.

Der Vorteil des hydromechanischen Tiefziehens liegt darin, daß ein Teil des Ziehwerkzeuges, vorzugsweise die Matrize relativ einfach gestaltet ist und nur bezüglich seiner Anlagefläche an den gegenüberliegende Werkzeugteil angepaßt zu sein braucht, was die Werkzeugkosten erheblich verbilligt. Jedoch müssen beim hy­ dromechanischen Tiefziehen zumindest gegen Ende des Formvorganges sehr hohe, im Bereich von 600 bis 1000 bar liegende Drücke wir­ ken, um das Blech formgetreu in die Gravur des Stempels einpres­ sen zu können. Nachdem diese hohen Drücke über die gesamte Fläche des Werkstückes wirksam sind, resultieren daraus sehr hohe Kräf­ te, die wesentlich höher sind, als die beim rein mechanischen Tiefziehen zwischen formgebendem Stempel und Matrize auftretenden Pressenbelastungen, weil dort die Belastung im wesentlichen le­ diglich durch den Materialquerschnitt im Ziehbereich und die Fließ­ spannung des Werkstoffes bestimmt ist. Sollen beispielsweise Ka­ rosserieteile mit einer Flächenerstreckung von etwa einem Qua­ dratmeter hydromechanisch tiefgezogen werden, so treten je nach erforderlichem Ausformdruck Kräfte in der Größe von 0,6 bis 1 Giganewton auf. Abgesehen von den dazu erforderlichen schweren, voluminösen und dementsprechend teuren Pressenkonstruktionen tre­ ten unter diesen Belastungen unvermeidlicherweise Verformungen der Presse auf, die in ihrer Größe nicht mehr tolerierbar sind, um einwandfreie Ziehergebnisse und vertretbare Werkzeugstandzei­ ten erzielen zu können. Darüber hinaus ist auch zu berücksichti­ gen, daß das gesamte, vom fertig gezogenen Blech eingenommene Volumen unter Druck mit Flüssigkeit aufgefüllt werden muß, was relativ lange dauert, weil dazu in der Druckhöhe zwar leistungs­ starke, aber im Förderstrom nur schwache Druckpumpen verwendet werden. Preßzeiten von zwei Minuten können ohne weiteres vorkom­ men, die im Vergleich zu den mit herkömmlichen Karosserie-Pressen erzielbaren Zykluszeiten von vier bis sechs Sekunden viel zu lang sind. Nachteilig beim hydromechanischen Tiefziehen von größeren Blechteilen in Pressen ist also, daß die Pressen unverhältnismä­ ßig teuer und trotzdem noch zu wenig steif sind und daß das Ver­ fahren zu wenig produktiv ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegelegte Verfahren zum hydromechanischen Tiefziehen von Blech mittels ei­ ner Presse dahingehend zu verbessern, daß das Verfahren in der Produktivität erheblich gesteigert und diesbezüglich dem rein mechanischen Tiefziehen angenähert wird und daß zugleich die Pres­ se von den hohen Kräften entlastet wird und somit bei vertretba­ rer Steifigkeit wesentlich kostengünstiger herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Verfah­ rens erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von An­ spruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt nicht nur eine Vereinigung des bekannten hydromechanischen Tiefziehens mit dem für sich bekannten Explosionsumformen dar, wodurch kurze Zy­ kluszeiten und somit eine hohe Produktivität erreicht wird. Als weiterer Erfindungsschritt kommt die Trägheitsverriegelung des Stempels und der Werkzeugkammer durch eine entsprechend großzügi­ ge Massenbelegung hinzu, wodurch die hohen, jedoch nur kurzzeitig wirkenden Umformkräfte auf diese Teile beschränkt bleiben und von der Pressenkonstruktion ferngehalten werden.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigt die einzige Figur eine Presse zum hydromechanischen Tiefziehen von Blechen mit starker Massebelegung der am Ziehvorgang beteiligten Werkzeugteile und mit der Möglichkeit zur Einspeisung einer gas­ förmigen Treibladung.

Die dargestellte Presse 1 ist bezüglich ihres statischen Teiles im wesentlichen durch einen Preßrahmen 2 gebildet, der seitliche Pressenständer, oben ein Pressenhaupt und unten einen Pressenfuß enthält. Für die Darstellung ist das Beispiel einer doppeltwir­ kenden Presse gewählt, wenngleich dieses nicht für die vorlie­ gende Erfindung Voraussetzung ist; vielmehr läßt sich diese auch an anderen Pressentypen realisieren. Auf dem Pressenfuß ist als unterer Teil des Werkzeuges eine Matrize 6 mit großer Masse ange­ ordnet. Auf diese Massenbelegung sei weiter unten noch näher ein­ gegangen. Zur Formgebung wird beim dargestellten Ausführungsbei­ spiel - wie beim konventionellen Tiefziehen - ein in Bewegungs­ richtung 24 hubbeweglich antreibbarer Stempel 7 benötigt. Durch den Stempel 7 ist die Form, mit welcher das in die Presse 1 ein­ gebrachte Blech 8 tiefgezogen werden soll, vorgegeben. Die gegen­ überliegend zum Stempel angeordnete Matrize 6 ist in Form einer offenen Werkzeugkammer 9 ausgebildet, die mit ihrer oberen stirn­ seitigen Anlagefläche flüssigkeits- und gasdicht an das eingeleg­ te Blech 8 anlegbar ist. In die mit dem Blech 8 in Berührung ge­ langende Anlagefläche der Matrize 6 sind dementsprechend Dichtun­ gen eingelassen. Das in die Presse eingebrachte Blech 8 ist an seinem Außenrand zwischen dieser Anlagefläche einerseits und ei­ ner entsprechend geformten Gegen-Anlagefläche eines Niederhalter- Rahmens 5 an der Stirnseite des Niederhalter-Bärs 4 andererseits einklemmbar. Der Niederhalterbär 4 ist ebenfalls mit einer sehr großen Masse belegt, worauf weiter unten noch näher eingegangen werden soll. Der Niederhalterrahmen 5 ist auswechselbar mit dem Niederhalterbär verschraubt. Bei Ausführung eines Pressenhubes wird der Niederhalterbär mit dem Niederhalterrahmen auf das ein­ gelegte Blech abgesenkt und dort flüssigkeitsdicht und mit an­ haltender Kraft angedrückt. Innerhalb des Niederhalterbärs ist der gesondert antreibbarer Stößelbär 3 mit dem bereits erwähnten Stempel 7 angebracht, der innerhalb des Niederhalterbäres 4 nach Art des Stößels einer doppeltwirkenden Tiefziehpresse auf- und abbeweglich ist.

Um mit einer solchen Presse einen hydromechanischen Tiefziehvor­ gang ausüben zu können, muß - nach dem Einlegen des Bleches 8 in die Presse bzw. auf die Matrize 6 - der Niederhalterrahmen 5 durch Absenken des Niederhalterbäres 4 dichtend zur Anlage gebracht werden. Die zunächst weitestgehend mit Flüssigkeit gefüllte Werk­ zeugkammer 9 muß ein gewisses Restvolumen von Stauerstoff oder Luft enthalten. Zu diesem Zweck ist eine durch ein Steuergerät 20 ansteuerbare Füll- und Entleerungspumpe 19 an die Werkzeugkammer 9 über eine Füll- und Entleerungsleitung 25 angeschlossen; das Steuergerät für die Pumpe 19 erhält seitens des Winkelgebers 11 ein zeitlich abgestimmtes Triggersignal für die Füll- bzw. Entlee­ rungsvorgänge. Vor und während des Niedergehens des Stempels 7 wird in der Werkzeugkammer 9 ein ansteigender Druck in der Flüs­ sigkeit und im Gas entsprechend der Stößelbewegung und der Stö­ ßelkraft erzeugt. Seitens eines Steuergerätes 18, welches von einem Winkelgeber 11 ein zeitlich abgestimmtes Triggersignal er­ hält, wird das Ventil 16 zum Einspeisen einer gasförmigen Treib­ ladung in die Werkzeugkammer zu einem geeigneten Zeitpunkt inner­ halb des Preßzyklus′ eingeschaltet. Die Möglichkeit zum Einspei­ sen der Treibladung in die Werkzeugkammer 9 während des Befüll­ vorganges ist durch eine in die Werkzeugkammer einmündende Gas zu­ fuhrleitung 17 mit Rückschlagventil 21 und durch das steuerbare Gaszufuhrventil 16 geschaffen. Die gasförmige Treibladung kann aus der Gasflasche 14 und - sofern und/oder soweit notwendig - aus der Sauerstoffflasche 15 zugeführt werden, in denen die er­ wähnten Gase in hochgespannter Form bevorratet sind, so daß sie ohne Druckanhebung in die anfänglich noch unter relativ niedrigem Druck stehende Werkzeugkammer 9 eingespeist werden können.

Sowohl die Flüssigkeitsbefüllung als auch die Einspeisung der gasförmigen Treibladung sollten weitgehend abgeschlossen sein, bevor der Stößelbär 3 etwa den Umkehrpunkt seines Hubes erreicht hat. Dadurch wird erreicht, daß die Befüllung der Werkzeugkammer mit Gas bzw. mit Flüssigkeit bei relativ niedrigem Druck aber mit hoher Geschwindigkeit vorgenommen werden kann. Es kann durchaus sein, daß während der Befüllung, die selbstverständlich mit an­ steigendem Druck erfolgt, das Blech sich dem niedergehenden Stem­ pel entgegen- und - soweit das Blech den Stempel berührt - in seine Gravur hineinwölbt.

Nach Abschluß der flüssigkeitsseitigen und der gasseitigen Befül­ lung der Werkzeugkammer 9 erfolgt ein weiterer Druckaufbau darin aufgrund des niedergehenden Stempels 7, der die in der Werkzeug­ kammer 9 eingeschlossenen Medien unter gleichzeitiger Kompression des eingeschlossenen Gases vor sich herschiebt, wobei das Blech 8 durch den Druck zunehmend in die Gravur des Stempels hineinge­ wölbt wird und wobei das randseitig eingeklemmte Blech aus dieser Randeinklemmung herausgleitet. Mit zunehmendem Verformungsgrad und Vollendung der Blechausformung nimmt der Druck in der einge­ gebenen Flüssigkeit bzw. in dem eingegebenen Gas mehr und mehr zu. Kurz vor Erreichen des unteren Umkehrpunktes des Stempels 7 wird mittels der am oberen Bereich des Stößelkolbens eingelasse­ nen Zündeinrichtung 12 die eingebrachte, komprimierte gasförmige Treibladung gezündet. Zu diesem Zweck ist ein Steuergerät 13 für die Zündeinrichtung vorgesehen, die ebenfalls von dem Winkelgeber 11 ein zeitlich abgestimmtes Zündsignal erhält. Mit Rücksicht auf die Tatsache, daß sich die gasförmige Treibladung stets an der höchsten Stelle der weitgehend mit Flüssigkeit gefüllten Zünd­ kammer hält, muß auch dort oben die Zündeinrichtung 12 angebracht sein. Es kann sich dabei bspw. um eine elektrische Zündeinrich­ tung nach Art einer Zündkerze handeln, wie sie aus der Technik der Verbrennungsmotoren bekannt ist. Durch einen kurzen Stromstoß bei hoher Spannung kann ein leistungsfähiger Zündfunke an den Elektroden der Zündkerze ausgelöst werden, der die Treibladung zur Entzündung bringt und einen explosionsartigen Druckaufbau in der ohnehin bereits unter einem relativ hohen Druck stehenden Werkzeugkammer hervorruft. Dank der Vorkompression der Treibla­ dung kommt es zu einem sehr raschen Druckanstieg auf einen hohen Spitzenwert; diese leistungsstarke Druckspitze bewerkstelligt die Endausformung des Bleches in die Gravur des Stempels. Dank der in die Gaszufuhrleitung 17 und in die Füll- und Entleerungsleitung 25 für die Flüssigkeit angeordneten Rückschlagventile 21 bzw. 22 wird ein Abströmen der eingebrachten Medien verhindert. Aufgrund einer Entlüftungsbohrung 23 am Stempel wird auch ein widerstands­ freies Abströmen der zwischen Blech und Gravur des Stempels ein­ geschlossenen Luft sichergestellt, so daß die Gravur sauber und formgetreu durch das Blech ausgeformt werden kann.

Zwar kommt es aufgrund einer Abkühlung der verbrannten Treibgase zu einem relativ raschen Druckabfall, der jedoch durchaus er­ wünscht ist, um die Pressenkonstruktion von hohen Kräften zu ent­ lasten. Die hohen Druckspitzen der explodierenden Treibladung und die damit ausgelösten hohen, auf die Wandungen der Werkzeugkammer 9 bzw. des Stempels 7 ausgeübten Kräfte werden durch eine Träg­ heitsverriegelung dieser Teile von der Pressenkonstruktion bzw. dem Pressenrahmen 2 ferngehalten. Diese Trägheitsverriegelung kommt durch die bereits weiter oben erwähnte großzügige Massenbe­ legung der Matrize 6 bzw. durch eine sehr große massenmäßige Dimensionierung des Stößelbäres 3 und des Niederhalterbäres 4 zustande. Da die sehr hohe Druckspitze nur während einer sehr geringen Zeit im Bereich weniger Millisekunden wirksam ist, die jedoch ausreicht, um eine vollständige Ausformung des Bleches sicherzustellen, können die beteiligten Massen nicht aus der Ru­ helage herausbewegt werden. Die auf die sehr stark massebelegte Werkzeugkammer 9 bzw. der Matrize 6 einerseits und auf den Stem­ pel 7 bzw. Stößelbär 3 und Niederhalterbär 4 andererseits einwir­ kenden fluidischen Kräfte bleiben also in der sehr kurzen Zeit der Druckspitze auf die erwähnten Massen beschränkt; der Pressen­ rahmen 2 wird durch diese Kräfte nicht belastet.

Das in der Füll- und Entleerungsleitung 25 für die Flüssigkeit angeordnete Rückschlagventil 22 ist steuerbar ausgebildet, so daß die Schließwirkung ggf. aufhebbar ist und zu einem geeigneten Zeitpunkt eine Entleerung der Werkzeugkammer 9 erforderlichen­ falls eingeleitet werden kann. Hierbei erhält das steuerbare Rück­ schlagventil 22 von dem Steuergerät 20 für die Pumpe ein entspre­ chendes Öffnungssignal, so daß zu einem geeigneten Zeitpunkt in­ nerhalb des Preßzyklus, beispielsweise vor dem Einspeisen der Treibladung, eine Abströmung eines entsprechenden Teiles der ein­ geschlossenen Flüssigkeit eingeleitet werden kann. Hierbei wird nicht nur die Pumpe 19 in Abströmrichtung angetrieben, sondern es wirkt außerdem noch der im Innern der Werkzeugkammer 9 anstehen­ der Restdruck der Treibladung.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Vorteile eines einfachen Werkzeuges für das hydromechanische Tiefziehen voll erhalten bleiben, daß aber die Nachteile dieses Verfahrens ver­ mieden werden, daß also relativ kurze Preßzykluszeiten im Bereich von wenigen Sekunden erreichbar sind und daß die Pressenkonstruk­ tion von den hohen Druckkräften entlastet ist.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß auch andere Möglich­ keiten der Treibladungseinbringung möglich sind. Bspw. kann die Treibladung auch in Form einer Sprengstofftablette mit integrier­ ter Zündeinrichtung lagedefiniert in die Werkzeugkammer einge­ bracht werden, was jedoch aufwendiger ist als das Einströmenlas­ sen eines Gases. Ferner ist es auch denkbar, während des Befül­ lens lediglich Sauerstoff oder unter Umständen sogar Luft in die Werkzeugkammer einzuspeisen und diese adiabatisch nach Art eines Dieselmotores zu verdichten und den Brennstoff der Treibladung erst zum Zeitpunkt der Zündung in Form eines vernebelten flüssi­ gen Kraftstoffes einzuspritzen, dessen Zündtemperatur unterhalb der Verdichtungstemperatur der komprimierten Luft bzw. des kom­ primierten Sauerstoffes liegt. Nachdem jedoch die Kompressions­ vorgänge im Vergleich zu motorischen Anwendungen vorliegend re­ lativ langsam ablaufen und die beteiligten Medien vergleichsweise kühl sind, wird es schwierig sein, eine annähernd adiabatische Verdichtung zu erreichen. Die eingespritzte Kraftstoffflüssigkeit müßte demgemäß eine vergleichsweise sehr niedrige Zündtemperatur aufweisen. Als Gas für die gasförmige Treibladung wäre Wasser­ stoff geeignet, zumal es keine schädlichen Verbrennungsgase bil­ det und die Verbrennungsprodukte sich ohne weiteres mit der im wesentlichen durch Wasser gebildeten Druckflüssigkeit vertragen; die Verbrennungsgase kondensieren selber sehr schnell zu Wasser. Außerdem bilden Wasserstoff und Sauerstoff eine hochbrisante Mi­ schung, die in sehr weiten Mischungsgrenzen zündfähig ist. Um allerdings sicherzustellen, daß sich im Bereich der Presse kein Wasserstoff ansammeln kann, um andererseits sicherzustellen, daß kein übermäßiger Überschuß an Sauerstoff innerhalb der Presse entsteht, was ebenfalls ein Gefahrenpunkt sein kann, sollte an­ nähernd stöchiometrisch mit leichtem Sauerstoffüberschuß gefahren werden, um eine vollständige Verbrennung des Treibgases sicher­ zustellen.

Claims (3)

1. Verfahren zum hydromechanischen Tiefziehen von Blech in eine durch nur eines der beiden Werkzeugteile, vorzugsweise den Stem­ pel, vorgegebene Form mittels einer Presse, die den formbestim­ menden Werkzeugteil, vorzugsweise den Stempel und eine mit Druck­ flüssigkeit beaufschlagbare, zum formbestimmenden Werkzeugteil hin offene Werkzeugkammer enthält, wobei eines der beiden Teile hubbeweglich antreibbar ist,

• - bei dem das Blech an seinem Außenrand zwischen einer Anlage­ fläche an der Stirnseite des formbestimmenden Werkzeugteiles, vorzugsweise des Stempels bzw. Niederhalters und einer ent­ sprechend geformten Gegen-Anlagefläche an der Stirnseite der Werkzeugkammer flüssigkeits- und gasdicht und mit anhaltender Kraft eingeklemmt wird,
• - bei dem ferner die flüssigkeitsgefüllte Werkzeugkammer zuneh­ mend unter Druck gesetzt wird, wobei das nachgebende Blech unter Nachgleiten des Blechrandes aus der Randeinklemmung durch den Flüssigkeitsdruck gezogen und formgetreu in die Gravur des formbestimmenden Werkzeugteiles hineingedrückt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß vor dem oder während des Füllen(s) der Werkzeugkammer (9) mit Flüssigkeit in diese eine abgemessene Treibladung eingebracht, die Werkzeugkammer (9) bei relativ geringem Druck zügig mit Druck­ flüssigkeit gefüllt und die Treibladung zu einem bestimmten Zeit­ punkt vor Vollendung des Ziehvorganges gezündet wird und daß die durch die Explosion der Treibladung auf den formbestimmenden Werkzeugteil, vorzugsweise den Stempel (7) und auf die Werkzeug­ kammer (9) kurzzeitig in Bewegungsrichtung (24) des hubbewegli­ chen Werkzeugteiles (7) einwirkenden Kräfte durch eine entspre­ chend dimensionierte Massenbelegung dieser Teile von der Pressen­ konstruktion (2) ferngehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibladung in Form eines brennbaren, mit Sauerstoff ge­ mischten Gases in die Druckflüssigkeit eingebracht wird.