DE69122876T2

DE69122876T2 - Form-Herstellung

Info

Publication number: DE69122876T2
Application number: DE1991622876
Authority: DE
Inventors: Kevin James Puddephatt
Original assignee: Nissan Technical Centre Europe Ltd
Current assignee: Nissan Technical Centre Europe Ltd
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2011-12-13
Also published as: DE69122876D1; ES2096638T3; EP0546225B1; EP0546225A1

Description

Diese Erfindung betrifft die Herstellung von Formungswerkzeugen, insbesondere von Spritzgußwerkzeugen, wie sie beispielsweise verwendet werden, um eine oder mehrere Flächen eines Hohlraums zum Formen eines Teils zu definieren, das aus einem Plastmaterial hergestellt wird, z. B. eines Verkleidungs- oder Karosserieteus, wie es in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird.
Es ist beabsichtigt, daß der Begriff "Formungswerkzeug", ohne Einschränkung, Werkzeuge zum Spritzgießen, Blasformen, Pressen, Heißpressen und Druckgießen einschließen soll.
In dieser Beschreibung werden die folgenden Abkürzungen verwendet:
CAD: rechnergestützte Konstruktion;
NC: numerische Steuerung oder numerisch gesteuert, in Abhängigkeit vom Kontext;
EDM: elektro-erosive Bearbeitung.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines Spritzgußwerkzeugs ist die numerisch gesteuerte spanende Bearbeitung aus einem rechteckigen Materialblock. Die gewünschte Form kann ausschließlich durch numerisch gesteuerte spanende Bearbeitung oder in Kombination mit einer elektroerosiven Bearbeitung erreicht werden, wobei für die abschließende Oberflächengüte entweder eine Draht- oder eine Gesenknachform-Elektrode verwendet wird. Bei relativ großen Spritzguß-Formungwerkzeugen, wie sie beispielsweise flir das Formen von Stoßstangen für Fahrzeuge verwendet werden, kann der Herstellungsprozeß zur Schaffung eines fertigen Werkzeugs mehrere Monat währen.
Ein anderes bekanntes Verfahren ist die spanende Bearbeitung des Werkzeugs aus einem rechteckigen Materialblock unter Anwendung von herkömmlichen Verfahren der elektro-erosiven Bearbeitung, was ein extrem zeitraubendes und teures Verfahren ist, bei dem oft mehrere Wochen einer kontinuierlichen elektro-erosiven Bearbeitung notwendig sind, um die gewünschte Form zu erzielen, was mit entsprechend hohen Produktionskosten verbunden ist.
GB-A-1211190 legt ein Verfahren zur Herstellung eines Stahl- Prägewerkzeugs offen, bei dem nacheinander drei Graphitelektroden, die wirksame Oberflächen von unterschiedlicher Form haben, für die elektroerosive Bearbeitung eines Stahlrohlings eingesetzt werden, der vorher gehärtet und auf Form und Größe geschliffen worden ist. Die Bearbeitung mit der ersten Graphitelektrode erfolgt mit einer hohen Leistungsrate und auf die für die elektro-erosive Bearbeitung übliche Weise. Es wird angegeben, daß mit einer hohen Leistungsrate gearbeitet wird, um Zeit zu sparen und den Verschleiß der Elektrode zu begrenzen. Nur die dritte Graphitelektrode hat eine wirksame Oberfläche, deren Form derjenigen des Prägewerkzeugs komplementär ist. Auch dieses Verfahren ist zeitraubend und teuer.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung von Formungswerkzeugen vor, die eine wirksame Oberfläche von festgelegter Form haben, welches die folgenden nacheinander auszuführenden Schritte aufweist: (a) Unterziehen eines ersten Werkzeugrohlings einer vergleichsweise schnellen elektro-erosiven Bearbeitung unter Verwendung einer ersten Elektrode, die eine wirksame Oberfläche hat, deren Form komplementär zu der festgelegten Form ist und die mit einem vergleichsweise großen ersten Funkenerosionsspalt im Abstand zu dem Werkzeugrohling gehalten wird, um dadurch ein erstes Werkzeug zu schaffen, das eine Groboberfläche hat, deren Form derjenigen der festgelegten Form angenähert ist; (b) Unterziehen des ersten Werkzeugs einer vergleichsweise langsamen elektro-erosiven Bearbeitung unter Verwendung einer zweiten Elektrode, die eine wirksame Oberfläche hat, deren Form komplementär zu der festgelegten Form ist und die mit einem vergleichsweise geringen zweiten Funkenerosionsspalt im Abstand zu dem Werkzeug gehalten wird, um dadurch ein Probe-Werkzeug zu schaffen, das eine wirksame Oberfläche hat, deren Form derjenigen der zweiten Elektrode komplementär ist, und nachdem das Probe-Werkzeug eingesetzt worden ist, um ein Probeteil herzustellen, das Probeteil bestätigt worden ist und, falls erforderlich, die festgelegte Form modifiziert worden ist, die weiteren nacheinander auszuführenden Schritte: (c) Unterziehen eines zweiten Werkzeugrohlings einer vergleichsweise schnellen elektro-erosiven Bearbeitung unter Verwendung der zweiten Elektrode, die mit einem vergleichsweise großen Funkenerosionsspalt im Abstand zu dem Werkzeugrohling gehalten wird, um dadurch ein zweites Werkzeug zu schaffen, das eine Groboberfläche hat, deren Form derjenigen der festgelegten Form angenähert ist; und (d) Unterziehen des zweiten Werkzeugs einer vergleichsweise langsamen elektro-erosiven Bearbeitung unter Verwendung einer dritten Elektrode, die eine wirksame Oberfläche hat, deren Form komplementär zu der festgelegten Form ist und die mit einem vergleichsweise geringen Funkenerosionsspalt im Abstand zu dem Werkzeug gehalten wird, um dadurch ein Produktionswerkzeug zu schaffen, das eine wirksame Oberfläche hat, deren Form derjenigen der dritten Elektrode komplementär ist.
Vorzugsweise wird jeder Werkzeugrohling gegossen, und die von einer Werkzeugkonstruktion abgeleiteten NC-Daten können für die NC-Bearbeitung eines Gußteilmodells und der Elektroden verwendet werden.
Die Erfindung wird weiter, nur als Beispiel, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Ablaufschema eines bevorzugten Verfahrens für die Herstellung eines Probe-Werkzeugs und anschließend eines Produktionswerkzeugs auf der Grundlage von CAD-Daten ist, welche die Form eines Teils definieren, das durch Spritzgießen hergestellt werden soll; und
Fig. 2 bis 6 schematische Querschnitte sind, die verschiedene aufeinanderfolgende Stufen bei der Herstellung einer Gußform zum Gießen eines Paares von Patrizen- und Matrizen-Spritzform-Werkzeugrohlingen zeigen;
Fig. 7a und 7b schematische Querschnitte sind, die den Oberflächenzustand von Werkstücken nach der schnellen bzw. langsamen elektro-erosiven Bearbeitung zeigen; und
Fig. 8 ein Diagramm ist, das Vergleichsversuche einer elektroerosiven Bearbeitung zeigt.
Bei dem Verfahren, das in Fig. 1 dargestellt ist, wird unter Anwendung von CAD im Schritt 1 ein Verkleidungsteil konstruiert, und im Schritt 2 wird unter Anwendung von CAD ein Spritzguß-Formungswerkzeug konstruiert.
Im Schritt 3 werden von den CAD-Daten, welche die Oberflächenform entweder des Teils oder des Werkzeugs definieren, Daten für die numerische Steuerung abgeleitet.
Im Schritt 12 wird ein Körper aus einem steifen Plastschaumstoff, speziell aus einem virtuell nichtverformbaren Schaumstoff hoher Dichte, wie beispielsweise Polyurethanharz-Schaumstoff, der unter der Spezifikation Nr. XB 5120 von CIBA GEIGY erhältlich ist, einer numerisch gesteuerten spanenden Bearbeitung nach den NC-Daten aus Schritt 3 unterzogen, um ein Gußmodell zu formen. Die Dichte des Schaumstoffs beträgt wenigstens 0,25 g/cm³ (z. B. 0,25 bis 1,1 g/cm³); seine Druckfestigkeit ist wenigstens gleich etwa 4 N/mmz (z. B. 4 bis 30 N/mm²).
Wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich ist, wird das Gußmodell dazu verwendet, einen Formkörper herzustellen, der wiederum dazu genutzt wird, einen Vorformling für das Gußformungswerkzeug herzustellen. Die Herstellung eines Formungswerkzeugs aus einem Guß-Vorformling minimiert die Produktionskosten, da bei einer genauen Steuerung des Gießverfahrens die anschließende spanende Bearbeitung zur Schaffung des fertigen Werkzeugs minimal gehalten werden kann.
Im Schritt 14 wird auf die bearbeitete Oberfläche des Modells ein abbindfähiges, fließfähiges Material aufgebracht. Das fließfähige Material bindet ab, um einen festen Überzug zu bilden, der im Bedarfsfall durch Schmiergeln geglättet werden kann und der die Poren blockiert, die nach der spanenden Bearbeitung des Schaumstoffkörpers freiliegen. Ein geeignetes Material ist gebrannter Gips, ein Anstrichmittel oder ein aushärtbares Harz (z. B. ein Epoxid- oder ein Karosserieharz). Ein Überzug aus Gips oder Harz kann zusätzlich mit einem Lack oder Anstrichstoff überzogen werden. Der Überzug wird durch den Schaumstoffkörper getragen und kann daher dünn sein und muß nicht selbsttragend sein.
Bei Schritt 16 wird Formsand in einer fließfähigen Konsistenz, z. B. als eine Aufschlämmung oder ein Sand-Harz-Gemisch, auf der überzogenen Oberfläche des Gußmodells in einem Rahmen verdichtet, um einen Formkörper zu bilden, der mit der überzogenen Oberfläche übereinstimmt. Wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich wird, ist das bevorzugte Material für das Formungswerkzeug auf Grund der vorteilhaften Bearbeitungseigenschaften eine Zinklegierung. Eine Zinklegierung ist jedoch ein relativ schweres Material, und daher ist es wichtig, daß der Formkörper der Zinklegierung standhalten kann, ohne zu brechen, sowohl während des eigentlichen Gießvorgangs als auch während des Abkühlens des gegossenen Materials. Aus diesem Grund wird das Sand-Harz-Gemisch im hohen Maße verdichtet, wozu beispielsweise pneumatische Rammwerkzeuge verwendet werden, die z. B. mit einem Druck von etwa 80 psi (0,55 MPa) arbeiten, um eine ausreichende Verdichtung des Sand-Harz-Gemischs zu erreichen, um im Formkörper die erforderliche Festigkeit zu erzielen. Folglich wird für die Herstellung des Gußmodells ein steifer Schaumstoff von hoher Dichte ausgewählt, da dieser in der Lage ist, dem Schritt der Verdichtung ohne anschließende Verformung oder Kompaktierung standzuhalten, wie sie auftreten würden, wenn mit den üblichen Gußmodell-Schaumstoffen von relativ niedriger Dichte, wie beispielsweise STYROFOAM (Warenzeichen), gearbeitet würde.
Bei Schritt 18 wird das Gußmodell aus dem Formkörper herausgenommen. Das Herausnehmen wird durch den glatten überzug erleichtert, der sich leicht vom Formkörper löst und nicht dazu neigt, Sandkörnchen mitzuführen. Folglich ist die Oberfläche des Formkörpers verhältnismäßig glatt und ergibt auf dem Gußteil eine gute Oberflächengüte. Da der Überzug fest in den Poren des Modells verankert ist, kann das Modell wiederverwendet werden. Da das Modell außerdem herausgenommen wird, bevor in der Form ein Werkzeugrohling gegossen wird, werden während des Gießens keine toxischen Dämpfe erzeugt.
Fig. 2 bis 6 veranschaulichen die aufeinanderfolgenden Stufen bei der Herstellung einer Gußform zum Gießen des Rohlings eines Matrizen- Hohlwerkzeugs und des Rohlings eines Patrizen-Kernwerkzeugs, die anschließend spanend zu bearbeiten sind, um ein Paar von Spritzguß- Formungswerkzeugen herzustellen.
Wie oben beschrieben wurde, werden zur Herstellung der Gußmodelle zuerst ein Matrizen-Rohlingblock 51 und ein Patrizen-Rohlingblock 52 aus Schichten eines steifen Plastschaumstoffs hoher Dichte aufgebaut (Fig. 2).
In Fig. 3 werden die Blöcke (unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs 53) einer numerisch gesteuerten spanenden Bearbeitung unterzogen, um Gußmodelle des Matrizen- und des Patrizen-Rohlings 54, 55 herzustellen (siehe oben Schritt 12). Die Blöcke werden so bearbeitet, daß überschüssiges Material (z. B. 1 bis 5 mm) über den Oberflächen stehenbleibt, die den Formungs- und Oberlappungsflächen der Spritzguß- Formung swerkzeuge entsprechen.
In Fig. 4 wird durch die Spritzköpfe 56 abbindfähiges Material auf die Modelle 54, 55 aufgebracht (Schritt 14 oben).
In Fig. 5 werden die überzogenen Modelle 54, 55 in einen Gießrahmen 57 gesetzt, und Grünsand 58 (der mit einem Harzträger gemischt ist) wird zugesetzt und durch eine Druckluftramme 59 auf eine hohe Dichte verdichtet (siehe oben Schritt 16).
Dann wird der Gießrahmen 57 umgedreht, und die Modelle 54, 55 werden vorsichtig aus dem verdichteten Sand 58 herausgenommen (Schritt 18 oben), wobei ein Gießhohlraum des Matrizen-Werkzeugrohlings 60 und ein Gießhohlraum des Patrizen-Werkzeugrohlings 61 bleiben, und in diese Hohlräume wird aus einer Gießpfanne 62 ein schmelzflüssiges Metall (Zn- Legierung) gegossen.
Das oben beschriebene Verfahren der Modeilherstellung und des Gießens ist Gegenstand der hiermit im Zusammenhang stehenden, gleichzeitig angemeldeten Patentanwendung der Autoren mit dem Titel "Casting Process" (Gießverfahren).
Bei Schritt 20 wird unter Verwendung des Formkörpers aus Schritt 18 ein Werkzeugrohl ing, der annähernd die gewünschte Form des Werkzeugs hat, gegossen. Der Rohling wird vorzugsweise in einer Zinklegierung (Zn-Al-Pb), z. B. mit einem Zinkgehalt von 92 bis 98 Gew.-%, wie er unter den Markennamen KIRKSITE oder KAYEM gehandelt wird, gegossen. Gußteile aus einer Zinklegierung sind insofern vorteilhaft, als sie im Vergleich zu Gußteilen aus einer Aluminiumlegierung eine geringere Mikroporösität aufweisen. Es wird angenommen, daß dies auf den Gehalt an Blei in dem Material zurückzuführen ist, das bei einer niedrigeren Temperatur als die anderen Bestandteile fließend bleibt und folglich in mikroporöse Löcher in dem Material fließt und diese füllt, wenn das Material gegossen wird. Außerdem können sie leicht recycelt werden, und es wurde festgestellt, wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich ist, daß sie sehr schnell unter Anwendung von elektro-erosiven Bearbeitungsverfahren auf die gewünschte Form bearbeitet werden können.
Bei Schritt 22 werden de gleichen NC-Daten aus Schritt 3 zur spanenden Bearbeitung von wenigstens zwei EDM-Elektroden, vorzugsweise Graphitelektroden, eingesetzt.
Bei Schritt 24 wird eine erste der EDM-Elektroden für die vergleichsweise schnelle Bearbeitung des gegossenen Rohlings des Werkzeugs (aus Schritt 20) eingesetzt, um ein Grobwerkzeug zu schaffen, das eine vergleichsweise grobe Oberflächengüte hat, die weiter maschinell bearbeitet werden muß.
Bei Schritt 26 wird eine zweite der EDM-Elektroden für die vergleichsweise langsame oder normale Bearbeitung des Grobwerkzeugs auf die erforderlichen Abmessungen eingesetzt.
Es ist allgemein üblich, daß bei der elektro-erosiven Bearbeitung die obere Grenze für den Spalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück (im allgemeinen als Funkenerosionsspalt bekannt) 0,4 mm beträgt. Wenn mit einem Funkenerosionsspalt gearbeitet wird, der über dieser Grenze liegt, würde die Oberflächenrauhigkeit des bearbeiteten Teils in der Regel als für die praktische Nutzung unannehmbar angesehen werden.
Bei der schnellen elektro-erosiven Bearbeitung im Schritt 24 aber wird mit Maschineneinstellungen gearbeitet, die einen Funkenerosionsspalt oberhalb dieser Zahl ergeben. Wie anhand der folgenden Beschreibung besser ersichtlich wird, bringt die Arbeit mit diesem außergewöhnlich breiten Funkenerosionsspalt eine wesentliche Verbesserung in der für die elektroerosive Bearbeitung erforderlichen Zeit mit sich. Eines der Versuchsergebnisse zeigt, daß beispielsweise bei der Bearbeitung einer Zinklegierung die schnelle elektro-erosive Bearbeitung unter Anwendung eines Spaltes von 0,68 mm um mehr als das 100fache schneller als die normale elektro-erosive Bearbeitung unter Anwendung einer typischen Spaltbreite von 0,073 mm ist.
Obwohl die Anwendung eines so außergewöhnlich großen Funkenerosionsspalts eine grobe oder ausgekolkte Oberfläche ergibt, die bei einem herkömmlichen EDM-Verfahren als beschädigt oder als für die fertige Oberfläche eines Spritzguß-Werkzeugs ungeeignet betrachtet würde, stellt das bei dem vorliegenden Verfahren kein Problem dar, da die schnelle elektro-erosive Bearbeitung (Schritt 24) nur bis zu einer Phase geführt wird, in der die grobe Oberfläche durch eine langsame oder normale elektroerosive Behandlung noch auf die erforderlichen Abmessungen gebracht werden kann (Schritt 26).
Da das Grobwerkzeug bereits annähernd die gewünschten Abmessungen hat, kann im Schritt 26 das Ausmaß der anschließenden Bearbeitung, die durch eine langsame oder normale elektro-erosiven Bearbeitung ausgeführt werden muß (um aus der groben Oberfläche eine geeignete Oberfläche mit den erforderlichen Abmessungen herzustellen), auf ein Minimum reduziert werden. Die langsame elektro-erosive Bearbeitung dauert nur eine verhältnismäßig kurze Zeitspanne und ergibt eine Oberflächengüte, die eine sehr geringe Rauhigkeit haben kann, wie sie für ein Spritzguß-Werkzeug geeignet ist.
Fig. 7a zeigt schematisch den Oberflächenzustand eines Werkstücks nach der schnellen elektro-erosiven Bearbeitung, und Fig. 7b zeigt den Oberflächenzustand desselben Werkstücks nach der langsamen elektro-erosiven Bearbeitung. Die schnelle elektro-erosive Bearbeitung ermöglicht eine schnelle Erosion, hinterläßt aber eine grobe und ausgekolkte Oberfläche 5, wie aus Fig. la ersichtlich ist. Diese Oberfläche wird durch langsame elektro-erosive Bearbeitung bis auf eine Tiefe d (z. B. 1 mm) geschnitten, so daß eine glatte Oberfläche S' (Fig. 7b) bleibt, die als fertige Oberfläche für den Artikel geeignet ist.
Überraschenderweise wurde festgestellt, daß vor allem bei der Verwendung einer Zinklegierung als Material für das Werkstück und bei Vergrößerung des Funkenerosionsspaltes auf mehr als 0,4 mm die Abtragerate des Materials unter Anwendung der schnellen elektro-erosiven Bearbeitung (bei annähernd der gleichen Oberflächengüte) bei der Zinklegierung im Vergleich zu der anderer Materialien, die für die Herstellung von Spritzguß-Werkzeugen in Betracht gezogen werden könnten (vor allem Aluminiumlegierung und Stahl), sehr stark verbessert ist. Es wurden Versuche durchgeführt, bei denen unter Anwendung der elektro-erosiven Bearbeitung Aussparungen in Blöcken B aus Stahl, Aluminiumlegierung und Zinklegierung mit rechteckigen Graphitelektroden E hergestellt wurden, wie das schematisch in Fig. 8 gezeigt wird, und wobei mit einer schnellen und einer langsamen (normalen) elektro-erosiven Bearbeitung gearbeitet wurde und folgende Ergebnisse erzielt worden sind:
Aus diesen Versuchsergebnissen geht hervor, daß bei der Arbeit mit dem abnormal großen Funkenerosionsspalt bei der Zinklegierung eine annähernd achtfache Verbesserung der Materialabtragung im Vergleich zu der bei einer Aluminiumlegierung, einem Material mit annähernd derselben Härte, erzielt wird. Außerdem wurde festgestellt, daß bei der Zinklegierung im Vergleich zu einer Aluminiumlegierung eine weit gleichmäßigere Funkenbildung erreicht werden konnte.
In der Praxis sind die tatsächlichen Abtrageraten des Materials bei der schnellen und langsamen elektro-erosiven Bearbeitung auch von dem Strom abhängig, der von der eingesetzten EDM-Maschine zugeführt wird. Außerdem wurde auch festgestellt, daß die Abtragerate des Materials in Schritt 24 annähernd verdoppelt werden kann, wenn man die Polarität der Graphitelektrode von positiv nach negativ ändert. Der Verschleiß der Elektrode erhöht sich (wie zu erwarten war) in diesem Fall drastisch, im typischen Fall um das 25- bis 35fache, in Abhängigkeit von den Maschineneinstellungen, mit denen gearbeitet wird, was die Dimensionsgenauigkeit des fertigen Teils beeinträchtigen könnte, wenn dieser Schritt für die abschließende maschinelle Bearbeitung angewendet wird. Bei dem Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen aber, wie es hier beschrieben wird, kann dieser erhöhte Elektrodenverschleiß toleriert werden, da die erste Elektrode nur zur groben Bearbeitung des Werkzeugrohlings eingesetzt wird und nicht von kritischer Bedeutung für die letztliche Qualität des hergestellten Werkzeugs ist.
Der Spalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück für die grobe elektro-erosive Bearbeitung kann beim vorliegenden Verfahren 0,5 mm oder mehr betragen (und wird nur durch die Maschinenleistung begrenzt), während der Spalt für die feine elektro-erosive Behandlung weniger als 0,5 mm betragen kann.
Wie oben erwähnt wurde, tritt bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierung eine unregelmäßige Funkenbildung auf, und es wurde festgestellt, daß sich diese Unregelmäßigkeit mit der Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit, d. h., der Vergrößerung des Funkenerosionsspaltes, drastisch verstärkt. Wenn die grobe Bearbeitung nicht sorgfältig gesteuert wird, kann es sein, daß im Ergebnis dieser unregelmäßigen Funkenbildung eine Oberflächenrauhigkeit erzeugt wird, die nicht mehr durch das abschließende EDM-Verfahren korrigiert werden kann. Daher wurde festgestellt, daß die Verwendung einer Zinklegierung besonders vorteilhaft ist, da sie es ermöglicht, die schnelle elektro-erosive Bearbeitung mit einem abnormal großen Funkenerosionsspalt zu maximieren, wodurch die relativ langsame abschließende Bearbeitung, die erforderlich ist, auf ein Minimum gesenkt werden kann, was zur Senkung der Produktionsgesamtkosten beiträgt.
Beispielsweise wird bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen das Spritzgußverfahren dafür angewandt, einen großen Teil der äußeren Karosserieteile und der inneren Verkleidungsteile herzustellen. Angesichts der Wechselwirkung zwischen vielen dieser Teile sowie der Größe und Komplexität der Konstruktionen, werden viele Konstruktionen durch Versuche auf ihre vorgesehene Verwendung geprüft. Das geschieht dadurch, daß Probeteile unter Verwendung von Spritzguß-Probewerkzeugen hergestellt werden. Da die Anzahl der erforderlichen Probeteile verhältnismäßig gering ist, werden die Probe-Werkzeuge in der Regel aus einer relativ weichen Legierung, beispielsweiseeineraluminiumlegierung, hergestellt. Sobald die Probeteile, sowohl ästhetisch als auch funktionell, erprobt worden sind, wird ein Produktionswerkzeug in der gewünschten abschließenden Form aus einem haltbareren Material, beispielsweise Stahl, hergestellt, um den großen Produktionsmengen Rechnung zu tragen, in denen die Teile gebraucht werden.
Das Produkt aus Schritt 26 ist ein Werkzeug, das, nach dem wahlweisen Schritt des Polierens, bei der Probeproduktion von spritzgegossenen Teilen, d. h., eines Probe-Werkzeugs, wie es oben beschrieben worden ist, eingesetzt werden kann. Anschließend an diese Erprobung kann ein Produktionswerkzeug aus Stahl (oder, in Abhängigkeit von der Verwendung des Werkzeugs, einem anderen Material, einschließlich einer Aluminium-oder Zinklegierung) nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden.
Bei Schritt 30 wird Formsand auf der überzogenen Oberfläche des Gußmodells (aus Schritt 18) in einem Rahmen verdichtet, um einen Formkörper zu bilden. Bei Schritt 32 wird das Modell aus dem Formkörper herausgenommen. Bei Schritt 34 wird ein weiterer Werkzeugrohling gegossen, vorzugsweise aus Stahl, wobei der Formkörper aus Schritt 32 eingesetzt wird, der letztlich als Produktionswerkzeug verwendet werden kann.
Bei Schritt 36 wird eine dritte EDM-Elektrode, wiederum vorzugsweise aus Graphit, bearbeitet, wobei die gleichen NC-Daten (aus Schritt 3) wie bei den Schritten 12 oder 22 oder eine Ableitung dieser Daten eingesetzt werden, wenn nach der Herstellung der Probe-Werkzeuge eine Konstruktionsänderung vorgenommen worden ist.
Bei Schritt 38 wird die zweite EDM-Elektrode (die im Schritt 26 verwendet worden ist) für die schnelle spanende Bearbeitung des gegossenen Werkzeugrohlings aus Stahl (aus Schritt 34) eingesetzt, um ein Grobwerkzeug herzustellen. Diese (zweite) EDM-Elektrode wurde während der elektroerosiven Bearbeitung zur Herstellung des Probe-Werkzeugs nur geringfügig verschlissen, da die elektro-erosive Bearbeitung langsam und die Bearbeitungszeit verhältnismäßig kurz war. Daher ist die Wiederverwendung der zweiten EDM-Elektrode für die schnelle elektro-erosive Bearbeitung bei der Herstellung von Produktionswerkzeugen möglich und wirtschaftlich. Bei Schritt 40 wird die dritte EDM-Elektrode (aus Schritt 36) für die langsame abschließende Bearbeitung des Grobwerkzeugs auf die erforderlichen Abmessungen eingesetzt, um das Produktionswerkzeug herzustellen.
Es ist offensichtlich, daß jeder einzelne Schritt, der oben beschrieben worden ist, durch einen anderen Schritt mit einer ähnlichen Wirkung ersetzt werden kann und daß jede Reihe von zwei oder mehr Schritten eigene Vorteile (in der Kombination) bietet, die von den vorausgehenden und den folgenden Schritten unabhängig sein können. Vorteile bieten, einzeln und unabhängig, vor allem die folgenden Merkmale:
die Anwendung eines außergewöhnlich großen Funkenerosionsspalts für die schnelle elektro-erosive Bearbeitung und eines kleineren Funkenerosionsspalts für die langsame oder abschließende elektro-erosive Bearbeitung;
die Anwendung einer umgekehrten Polarität, um die Abtragung von Material durch eine schnelle elektro-erosive Bearbeitung weiter zu verstärken;
die Verwendung von zwei getrennten Elektroden von gleicher oder ähnlicher Form für die schnelle und die langsame elektro-erosive Bearbeitung;
der Einsatz derselben EDM-Maschine mit demselben Dielektrikum (Öl) für die schnelle und die langsame elektro-erosive Bearbeitung;
die Verwendung der zweiten Elektrode (die bei der Herstellung eines ersten Werkzeugs eingesetzt worden ist) als erster Elektrode bei der anschließenden Herstellung eines zweiten Werkzeugs;
die Verwendung von nur drei Elektroden bei der Herstellung eines Probe-Werkzeugs und eines Produktionswerkzeugs;
Unterziehen eines Präzisionsgußteils der abschließenden Bearbeitung durch EDM;
die Verwendung eines maschinell bearbeiteten, wiederverwendbaren Schaumstoffkörpers als Gußmodell (d. h., die Verwendung desselben Gußmodells bei der Herstellung eines Probe-Werkzeugs und eines Produktionswerkzeugs, gefolgt von einer elektro-erosiven Bearbeitung;
die Verwendung eines Werkzeugrohlings, der, vorzugsweise durch Gießen, in einem zweistufigen elektro-erosiven Bearbeitungsverfahren aus einer Zinklegierung hergestellt worden ist.
Bei dem oben im einzelnen beschriebenen Verfahren wird der Arbeitsablauf durch die Anwendung einer Reihe von numerisch gesteuerten Bearbeitungsoperationen und des Gießens tolerant gegenüber Konstruktionsänderungen an den Teilen. Durch die Nutzung der numerisch gesteuerten Bearbeitung, wie das oben beschrieben worden ist, verringert sich auch der Bedarf an Arbeitskräften und erhöht sich die Ausnutzung der NC-Maschinen. Außerdem werden durch die Anwendung der elektro-erosiven Bearbeitung auch die Oberflächenqualität und die Dimensionsgenauigkeit verbessert.
Vor allem kann man feststellen, daß bei der Herstellung von Probeund Produktionswerkzeugen, wie das in der Fahrzeugindustrie allgemein üblich ist, geringfügigen Änderungen in der Konstruktion leicht zwischen der Herstellung von zwei beliebigen Elektroden für den Einsatz. Im Gesamtverfahren Rechnung getragen werden kann. Das wird bei der Konstruktion und der Herstellung von Fahrzeug-Verkleidungs- und Karosserieteilen als besonders vorteilhaft erachtet, da es maximale Flexibilität im Gesamtprozeß von Konstruktion und Fertigung bei minimalen Kosten bietet. Wenn eine Konstruktionsänderung notwendig ist, können die auf diese Weise erstellten NC-Daten sofort dazu genutzt werden, das Bezugsstück oder Gußmodell und die im elektro-erosiven Verfahren eingesetzten Elektroden zu modifizieren. Diese Flexibilität kann in jeder Phase des Prozesses der Werkzeugherstellung verwirklicht werden, beispielsweise entweder zwischen den beiden Elektroden, die zur Herstellung des ersten oder Probe-Werkzeugs verwendet werden, oder zwischen den Probeund den Produktionswerkzeugen.
Die Anwendung der numerisch gesteuerten spanenden Bearbeitung zur Herstellung des Gußmodells kann auch dazu genutzt werden, die Genauigkeit der NC-Daten zu überprüfen, die für die Herstellung der Elektroden genutzt werden, bevor das verhältnismäßig teure Elektrodenmaterial, beispielsweise Graphit, tatsächlich bearbeitet wird. Anschließend kann dann eine Elektrode unter Anwendung dieser NC-Daten oder einer Ableitung derselben hergestellt werden.
Obwohl sich die obenstehende Beschreibung auf eine Reihe von Elektroden bezieht, sollte außerdem berücksichtigt werden, daß alle die Elektroden, in Abhängigkeit von der Form des erforderlichen Werkzeugs, aus einem gemeinsamen Graphitblock hergestellt werden können, wodurch sich die Kosten für die Werkzeugherstellung weiter verringern. Die eingesetzten Elektroden schließen einen geformten Abschnitt ein, welcher der Form des erforderlichen Teils entspricht und der von einem Körperabschnitt ausgeht, der faktisch nur dazu dient, den geformten Abschnitt im elektro-erosiven Bearbeitungsverfahren effektiv zu tragen. Wenn man folglich einen Graphitblock von entsprechender Größe auswählt, kann beispielsweise die erste Elektrode, nachdem sie durch die relativ grobe Bearbeitung des ersten Werkzeugs verschlissen ist, unter Anwendung der Original- oder modifizierter NC-Daten erneut bearbeitet werden, um entweder das Original- ein ähnliches Profil (unter Einbeziehung möglicher Konstruktionsänderungen) zu erzeugen, die als jedwede oder alle der folgenden Elektroden eingesetzt werden kann. Obwohl sich dadurch die Produktionsgesamtzeit geringfügig verlängern kann, wird die Menge des eingesetzten Graphits minimal gehalten.
Bei der Herstellung eines Teils durch Spritzgießen wird ein Matrizen- Hohlwerkzeug in Verbindung mit einem Patrizen-Kernwerkzeug eingesetzt, um den Gießhohl raum zu bilden. Das Matrizen-Hohlwerkzeug definiert die primäre Oberfläche des Teils, welches die bei der Anwendung freiliegende Fläche ist; das Matrizen-Hohlwerkzeug definiert eine allgemein konkave Formfläche. Da das Patrizen-Kernwerkzeug nur die sekundäre Oberfläche auf dem spritzgegossenen Teil definiert, kann es durch herkömmliche NC-Bearbeitung hergestellt werden, und eine Oberflächenbehandlung ist nicht notwendig, ausgenommen den Bereich an der Trennfläche.
Zwar wurde vorstehend vor allem ein zweistufiges EDM-Verfahren beschrieben, es versteht sich jedoch von selbst, daß auch mit einer größeren Zahl von EDM-Schritten gearbeitet werden kann. Beispielsweise können entweder bei der Grobbearbeitung oder bei der Feinbearbeitung des gegossenen Materials zwei oder mehr Elektroden nacheinander eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Formungswerkzeugen, die eine wirksame Oberfläche von einer festgelegten Form haben, welches die folgenden nacheinander auszuführenden Schritte aufweist:

(a) Unterziehen eines ersten Werkzeugrohlings einer vergleichsweise schnellen elektro-erosiven Bearbeitung (EDM) unter Verwendung einer ersten Elektrode, die eine wirksame Oberfläche hat, deren Form komplementär zu der festgelegten Form ist und die mit einem vergleichsweise großen ersten Funkenerosionsspalt im Abstand zu dem Werkzeugrohling gehalten wird, um dadurch ein erstes Werkzeug zu schaffen, das eine Groboberfläche hat, deren Form derjenigen der festgelegten Form angenähert ist;

(b) Unterziehen des ersten Werkzeugs einer vergleichsweise langsamen elektro-erosiven Bearbeitung unter Verwendung einer zweiten Elektrode, die eine wirksame Oberfläche hat, deren Form komplementär zu der festgelegten Form ist und die mit einem vergleichsweise geringen zweiten Funkenerosionsspalt im Abstand zu dem Werkzeug gehalten wird, um dadurch ein Probe-Werkzeug zu schaffen, das eine wirksame Oberfläche hat, deren Form derjenigen der zweiten Elektrode komplementär ist; und

nachdem das Probe-Werkzeug eingesetzt worden ist, um ein Probeteil herzustellen, das Probeteil bestätigt worden ist und, falls erforderlich, die festgelegte Form modifiziert worden ist, die weiteren nacheinander auszuführenden Schritte:

(c) Unterziehen eines zweiten Werkzeugrohlings einer vergleichsweise schnellen elektro-erosiven Bearbeitung unter Verwendung der zweiten Elektrode, die mit einem vergleichsweise großen Funkenerosionsspalt im Abstand zu dem Werkzeugrohling gehalten wird, um dadurch ein zweites Werkzeug zu schaffen, das eine Groboberfläche hat, deren Form derjenigen der festgelegten Form angenähert ist; und

(d) Unterziehen des zweiten Werkzeugs einer vergleichsweise langsamen elektro-erosiven Bearbeitung unter Verwendung einer dritten Elektrode, die eine wirksame Oberfläche hat, deren Form komplementär zu der festgelegten Form ist und die mit einem vergleichsweise geringen Funkenerosionsspalt im Abstand zu dem Werkzeug gehalten wird, um dadurch ein Produktionswerkzeug zu schaffen, das eine wirksame Oberfläche hat, deren Form derjenigen der dritten Elektrode komplementär ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der große Funkenerosionsspalt wenigstens 0,5 mm beträgt und der geringe Funkenerosionsspalt kleiner als 0,5 mm ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Elektrode im Schritt (a) eine negative Polarität hat und die zweite Elektrode im Schritt (b) eine positive Polarität hat.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Elektrode im Schritt (c) eine negative Polarität hat und die dritte Elektrode im Schritt (d) eine positive Polarität hat.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Werkzeugrohling aus einer Zinklegierung besteht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zweite Werkzeugrohling aus Stahl ist oder aus einer Zinklegierung oder einer Aluminiumlegierung besteht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Werkzeugrohling ein Gußteil umfaßt, das eine Oberfläche hat, deren Form derjenigen der festgelegten Form angenähert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der erste Werkzeugrohling nach einer Methode hergestellt wird, welche die folgenden Schritte umfaßt: Herstellung eines Gußmodells durch maschinelle Bearbeitung eines Körpers aus festem Schaumstoff, um so eine bearbeitete Fläche zu bilden, deren Form derjenigen der festgelegten Form angenähert ist, Bildung eines Formkörpers anhand des Gußmodells und Verwendung des Formkörpers zum Gießen des Werkzeugrohlings.

9. Verfahren nach Anspruch 8, das die Aufbringung eines fließfähigen Materials, z. B. von Modell-Gips, Anstrich oder eines Harzes, auf die bearbeitete Fläche einschließt, welches abbindet, um einen festen Oberzug zu bilden, der die Poren der bearbeiteten Fläche blockiert.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Körper des Gußmodells durch numerisch gesteuerte (NC) Bearbeitung unter Verwendung von festgelegten Daten der numerischen Steuerung erzeugt wird, die von der festgelegten Form abgeleitet worden sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem wenigstens eine der Elektroden durch numerisch gesteuerte Bearbeitung unter Verwendung der festgelegten Daten der numerischen Steuerung oder einer Ableitung derselben erzeugt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem der zweite Werkzeugrohling durch Gießen unter Verwendung des Gußmodells hergestellt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Werkzeuge Spritzguß-Werkzeuge sind.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine der Elektroden aus Graphit ist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Elektrode auf der Grundlage von Daten produziert wird, die gegenüber den Daten, die für die Herstellung der ersten Elektrode eingesetzt worden sind, modifiziert ist.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dritte Elektrode auf der Grundlage von Daten produziert wird, die gegenüber den Daten, die für die Herstellung der zweiten Elektrode eingesetzt worden sind, modifiziert ist.