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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Blechformteilen durch Streck- oder Tiefziehen aus Platinen,
wobei ein Druckmedium über
eine Zwischenplatte an die Wirkstelle einer zwischen einem Ziehring
und einem Niederhalter gehaltenen Blechplatine geleitet wird.
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Beim
Streck- oder Tiefziehen treten radiale Zug- und tangentiale Druckspannungen
auf, die noch von Biegekräften
im Bereich des Ziehringes überlagert
werden. Damit der Flansch unter der Einwirkung der tangentialen
Druckspannung nicht ausknickt und Falten bildet, wird der am Niederhalter
wirkende Druck möglichst
hoch eingestellt. Dabei darf die maximale Ziehkraft nicht größer sein
als die Bodenreißkraft,
so dass das Grenzziehverhältnis
durch den Anfangsdruck des Niederhalters begrenzt ist.
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In
manchen Anwendungsfällen
ist eine Variation der Niederhaltekräfte während des Umformvorganges erforderlich.
Bisher wurden die Niederhalterkräfte
und damit eine Veränderung
der Blechdicke oder Tiefe ausschließlich über die Federvorspannung aufgebracht.
Zur Abdichtung gegenüber
den Kontaktflächen
der Druckkammer ist üblicherweise
eine Dichtung im Außenbereich
der Druckkammer angeordnet. Eine Abdichtung zwischen dem Formraum und
dem Druckreservoir ist nicht vorgesehen.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
US 2,399,775 bekannt.
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Zur
Herstellung von Produkten unterschiedlicher Blechdicke und Tiefe
kann gemäß
US 2,399,775 der über Federn
auf die Druckplatte ausgeübte
Anpressdruck mechanisch eingestellt werden. Diese Einstellung muss
im Ruhezustand durch Auswechseln der Federn erfolgen, wobei der
geeignete Anpressdruck über
mehrere Umformversuche vorher zu ermitteln ist.
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Aus
der DE PS 465103 ist ein Verfahren zum freien Wölben von Gefäßwänden beschrieben,
bei dem keine Druckplatten oder Zwischenplatten eingesetzt werden
sondern übliche
Niederhalter, die ringförmig
ausgebildet sind.
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Ein
Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Hohlkörper durch
Blasumformen ist aus
DE
3418691 A1 bekannt. Die Verwendung einer Zwischenplatte
in der Doppelfunktion als Niederhalter mit Dichtfunktion und zur
Druckkammerbegrenzung ist in dieser Druckschrift jedoch nicht beschrieben.
Eine als Niederhalter wirksame Zwischenplatte wird in
US 1,800,133 genannt, wobei hier die
Abdichtung zwischen den Gesenkhälften
erfolgt und daher nicht als Druckkammerbegrenzung wirksam ist.
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In
der Dissertation von U. Herold „Verbesserung der Form- und
Maßgenauigkeit
kreiszylindrischer Werkstücke
aus unterschiedlich verfestigten Werkstoffen durch hydromechanisches
Tiefziehen" (Universität Dortmund
1984) geht hervor, dass das Hydro-Mec-Tiefziehverfahren bei der
Herstellung von Blechformteilen wie Scheinwerfern, Reflektoren und Filtergehäusen bevorzugt
angewendet wird wegen der dort bestehenden hohen Anforderungen an
die Werkstückqualität, die durch
hydromechanische Tiefziehen leicht erreichbar sind.
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Beim
Hydro-Mec-Tiefziehen presst der Blechniederhalter die Blechplatine
gegen eine im Ziehring eingelassene Kunststoffdichtung und dichtet so
das System nach außen
ab.
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Gegenüber diesem
Stand der Technik bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, ein Verfahren zur Herstellung von Blechformteilen durch Streck-
oder Tiefziehen aus Platinen mit hohem Ziehverhältnis sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens zu entwickeln, mit der Blechformteile beliebiger
Dicke und Tiefe bei einer größtmöglichen
Grenzformänderung βmax hergestellt werden
können.
Die Vorrichtung soll einen möglichst einfachen
Aufbau aufweisen und eine wirtschaftliche Fertigung sowohl in der
Kleinserie als auch in der Großserie
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung beinhalten die Unteransprüche 2 bis
4.
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Die
Motivation zur Entwicklung des vorliegenden Verfahrens war die Steigerung
der Wirtschaftlichkeit. Daher wurde das nachfolgend beschriebene
Umformverfahren unter Berücksichtigung der
Randbedingungen:
- – Steigerung der Umformleistung
z. B. durch eine Erhöhung
des erreichbaren Ziehverhältnisses,
- – Eignung
sowohl für
die Klein- als auch die Großserienfertigung
und
- – des
möglichst
einfachen Aufbaues
entwickelt.
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Kennzeichnend
für das
vorliegende Verfahren ist, dass größere Umformgrade erreicht werden können, wie
sie typischerweise in der Blechumformung nur durch Tief-Streckziehoperationen
zu erreichen sind. Ein weiteres Merkmal dieses Umformverfahrens
ist das bei der Umformung eine nachfolgend beschriebene sog. Zwischenplatte
eingesetzt wird. Es können
sowohl ebene Blechzuschnitte als auch Halbzeuge, die schon entsprechend
bearbeitet worden sind (z. B. durch eine Umformoperation wie beim Tiefziehen)
umgeformt werden. Es sind Werkstücke beliebiger
Größe herstellbar.
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Das
vorgeschlagene Verfahren ist sowohl in konventionellen Pressen als
auch auf speziell für
dieses Umformverfahren optimierten Umformmaschinen durchführbar.
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Es
ist sowohl eine formgebundene Umformung (bei Einsatz einer Matrize)
und eine nicht formgebundene freie Umformung möglich. Weiterhin ist es denkbar
durch den Einsatz von Hilfsachsen (innerhalb des Werkzeugaufbaues)
nach oder während des
Hauptumformprozesses zum einen den Umformprozess zu unterstützen oder
zum anderen eine Änderung
de durch die Hochdruckumformung entstandenen Kontur zu erreichen
(Bild 1). So können
z. B. Geometrieelemente erzeugt werden die durch den Einsatz einer
reinen Hochdruckumformung nicht herstellbar sind. Die Hilfsachsen
können
so gestaltet werden, dass eine Änderung
der Matrizenkontur als auch die Aufnahme geeigneter Hilfsmatrizen 8 möglich wird.
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Diese
Erfindung stellt eine Weiterentwicklung des Patentes 465103 dar.
Sie gewährleistet dass
durch die vorgeschlagene Dichtungsanordnung ein sehr hoher Druck
ohne Austritt von Wirkmedium realisierbar ist. Mit einer Regelung
bzw. Steuerung des Umformdruckes, des Druckmedium-Volumenstromes
und der Niederhalterkraft ist eine gezielte Einstellung der Umformgeschichte
realisierbar. Weiterhin besteht durch die Verwendung der Zwischenplatte 1 die
Möglichkeit
bei der Umformung von zwei Werkstücken innerhalb eines Arbeitsspieles
die Möglichkeit
zu einer sog. asymmetrischen Anordnung. Bei der asymmetrischen Anordnung
wird durch eine geeignete Gestaltung der verfahrensrelevanten Werkzeugkomponenten
sichergestellt, dass
- – nicht notwendigerweise zwei
gleiche Werkstücke
in einem Arbeitsspiel hergestellt werden müssen. So kann z. B. die Geometrie
der Werkstücke oder
auch der Werkstoff variieren.
- – das
Druckniveau auf beiden Seiten der Zwischenplatte unabhängig von
einander eingestellt werden kann.
- – Die
Menge des für
die Umformoperation erforderlichen Druckmediums auf beiden Seiten
der Zwischenplatte unabhängig
von einander eingestellt werden können.
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Die
in dem Patent
DE 465103 der
Fa. Luftschiffbau Zeppelin vorgeschlagenen Dichtungsanordnungen
sind nur für
den Einsatz bei relativ kleinen Umformungen geeignet. Ein Einsatz
beim Tief-Streckziehen scheidet aus, da dort i.a. größere Umformgrade
erreicht werden sollen.
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Werden
mit diesen Umformverfahren große Umformgrade
erreicht, haben zumeist vorher große Relativbewegung zwischen
dem bzw. den Werkstücken
und der Dichtung bzw. dem oder den Niederhalterringen stattgefunden.
Diese Relativbewegung führt
erfahrungsgemäß zu einer
Verlagerung der Dichtung. Damit kommt es aber i.a. zu Undichtigkeiten
und damit zu einem Druckabfall. Somit ist dann aber auch keine weitere
Umformung mehr möglich.
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Werkzeuganordnung
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Eine
für die
Durchführung
des Verfahrens typische Vorrichtung bzw. Werkzeuganordnung soll
im folgenden Beschrieben werden.
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Eine
für dieses
Umformverfahren geeignete Werkzeuganordnung besteht im wesentlichen
aus der Zwischenplatte, dem bzw. den Ziehringen und der oder den
ggf. erforderlichen Matrizen (Bild 1).
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Wesentliches
Bauteil bzw. Komponente ist die sog. Zwischenplatte (Pos. 1, Bild
1). Die Zwischenplatte übernimmt
neben Dicht- und Niederhalterfunktionen auch die Funktion der Druckmediumzuführung zur
Wirkstelle.
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Die
sog. Zwischenplatte muss nicht zwingenderweise als starre Platte
ausgeführt
werden, noch muss sie eben sein. Selbst folienähnliche Ausführungen
sind denkbar solange sie die zuvor genannten Funktionen übernehmen
können.
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Zur
Gewährleistung
der Dichtfunktion kommen insbesondere Dichtungen 7a–d bzw.
Dichtprinzipien zum Einsatz die sich im Bereich des hydromechanischen
Tiefziehens bewährt
haben.
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Die
Zuführung
des Druckmediums kann durch geeignet angeordnete Elemente wie z.
B. Bohrungen oder Kanäle
erfolgen. Wenn diese Elemente zur Druckmedien-Zuführung auf
einer Seite der Zwischenplatte verschlossen (bzw. keine Zuführungselemente
eingebracht werden) werden, kann auch nur ein Werkstück pro Arbeitsspiel
angefertigt werden. Eine Möglichkeit
des Zuleitungsverschlusses ist bei Bedarf durch eine geeignete bauliche
Ausführung
zu berücksichtigen.
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Für die Durchführung der
Umformung sind weiterhin zwei bzw. ein ringförmiges bzw. in anderer Art
geeignet gestaltetes Bauteil erforderlich welches die Funktion eines
sog. Ziehringes (Pos. 2, Bild 1) übernimmt.
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Bei
Bedarf kann innerhalb des Ziehringes eine sog. Matrize (Pos. 3,
Bild 1) angeordnet werden. Somit ist neben der eigentlichen freien
Umformung auch die formgebundene Umformung möglich, d. h. die Kontur des
Werkstückes
wird durch die Negativkontur der Matrize vorgegeben. Die Negativkontur der
Matrize kann dabei sowohl auf konventionelle, im Werkzeugbau üblicherweise
durch eine spanende Bearbeitung hergestellt werden oder aber durch
ein Zusammensetzen geeigneter Segmente zu der gewünschten
Negativkontur. Vorteilhaft lässt
sich hier auch die am Lehrstuhl für Umformende Fertigungsverfahren
der Universität
Dortmund entwickelte flexible Matrize einsetzen (Bild 2).
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Die
Herstellung eines bzw. zweier Werkstücke mittels des zu patentierenden
Hochdruckumformverfahrens läuft
ab wie im folgenden vorgeschlagen.
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Wie
o.a. kann dieses Verfahren auf einer konventionellen Umformmaschine
(Pressen) zum Herstellen von Tief- oder auch Streckziehteilen eingesetzt
wird als auch speziell für
dieses Umformverfahren optimierten Umformmaschinen eingesetzt werden.
Im folgenden soll der Verfahrensablauf für eine Umformung auf einer
konventionellen Presse beschrieben werden.
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Ausgegangen
wird hier von einer geöffneten Werkzeuganordnung
wie sie beispielhaft in Bild 1 dargestellt ist. Soll nur ein Werkstück pro Arbeitsspiel hergestellt
werden, muss durch ein geeignetes Verschließen der Druckmedium-Zuführung 6a,
b auf der der Platine abgewandten Seite, bzw. dem Einsatz einer
entsprechend gestalteten Zwischenplatte, ein Druckmedienaustritt
auf dieser Seite der Zwischenplatte verhindert werden.
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Nach
dem Einlegen der Platine 4 bzw. den Platinen 4a,
b führt
die Umformmaschine eine Schließbewegung
aus. Infolge dieser Schließbewegung
werden die Platinen 4a, b sinnvollerweise mit dem zu Prozeßbeginn
erforderlichen Niederhalterdruck beaufschlagt. Nach diesem Prozessschritt
beginnt die eigentliche Umformoperation durch die Zuführung des
Druckmediums zur Wirkstelle. Die Umformung ist dadurch gekennzeichnet,
dass sich zunächst
eine sog. freie Umformzone ausbildet. Wird eine Matrize 3, 5 eingesetzt,
so legt sich das Blech im Laufe des Umformprozesses an diese an.
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Die
Hauptumformoperation ist dadurch gekennzeichnet, dass durch eine
geeignete Einstellung bzw. Wahl des Druckniveaus, des Volumenstromes und
der erforderlichen Niederhalterkraft, über die Prozessdauer sichergestellt
wird, dass die Umformgeschichte des umzuformenden Werkstückes gezielt eingestellt
werden kann. Durch die o.a. Maßnahmen wird
erreicht, dass das Material bei Bedarf definiert in den Zargenbereich
nachfließen
kann. Dies bedeutet aber dann, dass die Umformbarkeit bzw. Umformfähigkeit
des Bleches in optimaler Form genutzt werden kann. So können mit
dem zu patentierenden Verfahren während des Umformvorganges unterschiedliche
ebene Spannungszustände
derartig überlagert werden,
dass eine für
diese Werkzeug-, Werkstoff-Kombination größtmögliche Grenzformänderung
erreicht wird.