DE69201465T2 - Verfahren und Stempel für das Tiefziehen von Behältern mit regelmässiger Wandung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tiefziehen von Zuschnitten für die Herstellung von Behältnissen, die einen Kragen aufweisen können, der dem nicht tiefgezogenen Teil des Zuschnitts entspricht.
• Die Zuschnitte bestehen allgemein aus einem Metall, das einem Streck- oder Walzprozeß unterzogen worden ist, so daß dieses Metall eine Anisotropie hinsichtlich des Verdünnungswiderstands aufweist. Wenn man Behältnisse mit Kragen und zylindrischem Querschnitt aus kreisförmigen Zuschnitten herstellt, beispielsweise aus Stahl das in erheblichem Ausmaß Skin-pass-Behandlungen unterzogen worden ist, entstehen deshalb an dem Körper der tiefgezogenen Objekte unterschiedliche Verdünnungen und Verdickungen, und der erhaltene Kragen ist unregelmäßig; er besitzt ein sinusförmiges Profil mit "Hörnern" und "Sätteln".
• Beim Tiefziehen ohne Kragen befindet sich die Unregelmäßigkeit am Ende der Wand. Diese Unregelmäßigkeit wirft bei nachfolgenden Operationen (beim Nachtiefen oder Nacharbeiten) nicht zu vernachlässigende Probleme auf.
• Hieraus folgt daß der unregelmäßige Kragen, der, bei einem ergänzenden Stanzvorgang, beträchtliche Verluste an Ausgangsmaterial verursacht.
• Um diesen Effekt der Hornbildung zu vermindern, verwendet man allgemein eine minimale Haltekraft beim Einspannen, das heißt, man arbeitet mit einem minimalen Einspanndruck, bis zu der Grenze, an der Faltungen an dem Kragen auftreten. Bei dieser Lösung wird bei dem Tiefziehvorgang eine größere Metallmenge in die Matrize eingezogen, und um immer dieselben Abmessungen des Kragens zu erhalten, ist man gezwungen, die Abmessungen des ursprünglichen Zuschnitts zu vergrößern.
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das es gestattet, den Effekt der Hornbildung zu vermindern, ohne die benötigte Materialmenge zu vergrößern.
• Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Tiefziehen von flachen Metall-Zuschnitten, die einem Streck- oder Walzprozeß unterzogen worden sind, im Hinblick auf ein späteres Nachtiefen oder Nacharbeiten oder im Hinblick auf die Herstellung von Behältnissen mit Kragen. Insbesondere von zylindrischen Behältnissen, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Stempel verwendet, dessen Kopf einen variablen Eckenradius besitzt, der in Abhängigkeit von Anisotropie-Eigenschaften des Zuschnittmaterials bestimmt ist, wobei sich die kleinen Krümmungsradien in der Zone befinden, in der der LANDFORD-Koeffizient klein ist, und die großen Krümmungsradien sich in der Zone befinden, in der der LANDFORD-Koeffizient erhöht ist, wobei der LANDFORD-Koeffizient durch die folgende Formel definiert ist:
• r = ε&sub2;/ε&sub3;
• in der ε&sub2; die Breitenverformung und ε&sub3; die Dickenverformung ist.
• Der Stempel besitzt somit einen variablen oder verlaufenden Eckenradius, der so bestimmt ist, daß die Anisotropie-Eigenschaften des verwendeten Materials kompensiert werden. Der Eckenradius wird in Abhängigkeit vom Verdünnungswiderstand oder LANDFORD-Koeffizienten des betreffenden Materials bestimmt. Man kann so für jedes Ausgangsmaterial und jeden herzustellenden Behälter das ideale Profil des Kopfes des Stempels bestimmen, das es gestattet, einen praktisch gleichmaßigen Kragen zu erhalten.
• Mit Vorteil kann man anschließend einen ergänzenden Vorgang zum Geradrichten des Bodens des erhaltenen Behältnisses ausführen, wobei ein Stempel mit konstantem Eckenradius verwendet wird.
• Dieser Vorgang des Geradrichtens gestattet es, dem Boden des erhaltenen Behältnisses eine gleichmäßigere Form zu geben.
• Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird dieser Vorgang des Geradrichtens nur in bestimmten Zonen des Bodens des Behältnisses ausgeführt. Dies geschieht insbesondere in dem Fall, in dem die Differenz zwischen den minimalen und maximalen Eckenradien des Tiefziehstempels groß ist.
• Dieser Vorgang des Geradrichtens kann dazu verwendet werden, Buckel im Boden des Behältnisses zu erzeugen, wobei die Anzahl der Buckel vorzugsweise vier beträgt. Sie dienen als Anlagezone für das erhaltene Behältnis, dessen Boden nicht mit seiner Unterlage in Berührung steht. Hierdurch kann verhindert werden, daß eine an der Außenwand des Bodens des Behältnisses angebrachte Abbildung beispielsweise durch Kratzer beschädigt wird.
• Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Tiefziehstempel zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, der dadurch gekennzeichnet ist, daß sein Kopf Zonen aufweist, die einen maximalem Eckenradius besitzen und durch Zonen mit minimalem Eckenradius getrennt sind.
• Mit Vorteil weist der Kopf des Stempels vier unter rechten Winkeln verteilte Zonen auf, die einen maximalen Eckenradius besitzen und durch Zonen mit einem minimalen Eckenradius getrennt sind.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der maximale Eckenradius des Kopfes des Stempels das Fünffache seines minimalen Eckenradius.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
• - Figuren 1 bis 3 Behältnisse, die nach einem bekannten Tiefziehverfahren, einem erfindungsgemäßen Tiefziehverfahren bzw. einem erfindungsgemäßen Tiefziehverfahren mit nachfolgendem Geradrichten erhalten wurden;
• - Figuren 4 bis 6 Kurven, die jeweils zu einer der Figuren 1 bis 3 gehören und die Dicke des Materials an verschiedenen Punkten A, B, C, D und E der Seitenwand des erhaltenen Behältnisses angeben;
• - Figuren 7 bis 9 Kurven, die die Dicke der Seitenwand des nach einem bekannten Tiefziehverfahren und nach einem erfindungsgemäßen Tiefziehverfahren hergestellten Behältnisses für eine quer, längs bzw. schräg zu der Streck- oder Walzrichtung verlaufende Richtung angeben; und
• - Figur 10 eine perspektivische Teilansicht eines Tiefziehstempels gemaß einer Ausführungsform der Erfindung.
• Figur 1 zeigt in perspektivischer, aufgebrochener Darstellung das Behältnis, das nach einem bekannten Tiefziehverfahren unter Verwendung eines Stempels hergestellt wurde, dessen Kopf einen konstanten Eckenradius aufweist; im gezeigten Beispiel, das die Herstellung von Metallbechern aus Dünnblech- Zuschnitten mit einer Dicke von 0,18 mm, die einer starken Skin-pass- Behandlung unterzogen wurden, betrifft, beträgt für einen Becher mit einem Durchmesser von 65 mm und einer Höhe von 45 mm der Ecken-Krümmungsradius des Kopfes des Stempels 2 mm.
• In diesem Fall sieht man, daß der Kragen 1 eine unregelmaßige Form hat und Hörner 2 bildet, die durch Sättel 3 getrennt sind. Der Eckenradius des Stempels findet sich am Boden des Behältnisses wieder, und der Eckenradius dieses Bodens 4 mit der Wand 5, R1 oder R2, ist konstant und beträgt 2 mm. Die zugehörige Kurve 4 zeigt die Dicke der Wand des Behältnisses an verschiedenen verteilt angeordneten Punkten A, B, C, D und E; die durchgezogene Kurve entspricht einer Richtung, in der Sättel gebildet werden, und die gestrichelte Kurve hat eine Richtung entsprechend der Bildung von Hörnein.
• Die Hörner und Sättel entsprechen unterschiedlichen Werten des Widerstandskoeffizienten für die Verdünnung des verwendeten Materials oder des LANDFORD-Koeffizienten, der durch die folgende Formel definiert ist:
• r = ε&sub2;/ε&sub3;
• wobei ε&sub2; die Breitenverformung und ε&sub3; die Dickenverformung ist. Die Richtungen der Hornbildung entsprechen einem erhöhten LANDFORD-Koeffizienten, und die Richtungen der Sattelbildung entsprechen einem geringen LANDFORD-Koeffizienten.
• Die Figuren 2 und 5 entsprechen den Figuren 1 und 4 und zeigen das Produkt, das nach einem erfindungsgemaßen Tiefziehverfahren mit variablem Radius erhalten wurde. Man erkennt, daß der Kragen 11 sehr gleichmäßig ist und weder Hörner noch Sättel aufweist. Darüberhinaus ergibt sich aus Figur 5, daß die Dickenverteilung der Wand wesentlich gleichmäßiger ist als bei dem herkömmlichen Tiefziehverfahren, wobei die Dickenunterschiede zwischen den Richtungen mit kleinem LANDFORD-Koeffizienten und den Richtungen mit großem LANDFORD-Koeffizienten stärker verringert sind.
• Das Profil des erhaltenen Bechers entspricht dem Profil des verwendeten Stempels. Der Eckenradius R11 in einer Zone, die normalerweise einer Sattelbildung, das heißt, einem kleinen LANDFORD-Koeffizienten entspricht, hat einen kleinen Wert von beispielsweise 1 mm, während der Eckenradius R12, der einer Richtung der Hornbildung, das heißt, mit erhöhtem LANDFORD- Koeffizienten entspricht, ist größer und beträgt beispielsweise 5 mm. Man sieht, daß die Modulation des Eckenradius des Stempelkopfes in Abhängigkeit vom LANDFORD-Koeffizienten es bei Verwendung derselben Ausgangs- Zuschnitte, das heißt, derselben Materialmenge, gestattet, die Bildung von Hörnern und Sätteln zu beseitigen. Im übrigen wird ein normaler Einspanndruck verwendet.
• Die Figuren 3 und 6 entsprechen dem Fall, in dem ein erfindungsgemäßes Tiefziehverfahren verwendet wurde, bei dem zusätzlich ein Geradrichten des Bodens des Behältnisses unter Verwendung eines Stempels mit gleichmäßigem Profil vorgenommen wurde. Diese Behandlung betrifft praktisch nur den Boden des Behältnisses, ohne daß die Wand gezogen wird. Bei dieser Behandlung bleibt die Form des Kragens 21 unverändert, doch werden die großen Eckenradien, die einem erhöhten LANDFORD-Koeffizienten (Hornbildung) entsprechen, "nachgeformt". Zum Beispiel wird der Radius R12 in Figur 2 von dem Wert von 5 mm auf einen Wert R22 von 2 mm gebracht, während der Radius R21, der dem kleinen LANDFORD-Koeffizienten entspricht, unverändert bleibt.
• In Figur 6 erkennt man, daß die gestrichelte Kurve, die den Richtungen mit großem Koeffizienten entspricht, das heißt, für welche der Geradricht-Vorgang durchgeführt wird, insbesondere im Eckenbereich A leicht modifiziert ist.
• Wenn man Materialien verwendet, die eine große Anisotropie aufweisen, wie etwa Stähle, die einer starken Skin-pass-Behandlung unterzogen wurden, kann man diesen Vorgang des Geradrichtens im allgemeinen nicht so weit treiben, daß man ein gleichmaßiges Profil für den Boden des Topfes erhält. Dieser Vorgang des Geradrichtens wird in der Weise ausgeführt, daß man leichte Buckel 26 erzeugt, die in den geradgerichteten Zonen vom Boden des Behältnisses vorspringen; diese Buckel, vier an der Zahl, bilden Auflageflächen des Behältnisses auf seiner Unterlage, was es gestattet, die äußere Oberfläche des Bodens gegen Berührung mit ihrer Unterlage zu schützen. Auf diese Weise kann man verhindern, daß ein dekoratives Motiv, das auf der äußeren Oberfläche des Bodens 24 angebracht oder ausgebildet ist, beispielsweise durch Kratzer beeinträchtigt wird.
• Die Figuren 7 bis 9 sind Kurven, die die Dicke der Wand des Behältnisses angeben, das nach einem bekannten Verfahren (Kurven in durchgezogenen Linien) und nach einem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurven in gestrichelten Linien) erhalten wurde, für eine Richtung senkrecht zur Walzrichtung (Figur 7), parallel zur Walzrichtung (Figur 8) und unter 45º zu den beiden erstgenannten Richtungen (Figur 9).
• In Figur 7 entspricht die durchgezogene Kurve einem Eckenradius von 2 mm und die gestrichelte Kurve einem Radius von 1 mm, das heißt, in einer Richtung, in welcher der LANDFORD-Koeffizient erhöht ist; die Figur 8 entspricht denselben Bedingungen, und in diesen beiden Fällen beträgt der Eckenradius für das bekannte Tiefziehverfahren (durchgezogene Kurve) 2 mm und der Eckenradius für das bekannte Verfahren (gestrichelte Kurve) beträgt 1 mm.
• Figur 9 entspricht den schrägen Richtungen, die einen Winkel von 45º mit der Walzrichtung bilden und keine privilegierten Richtungen sind wie die Bereiche senkrecht oder parallel zu der Walzrichtung (Figuren 6 und 7). Im Fall der Figur 6 beträgt der Eckenradius der durchgezogenen Kurve 2 mm und der Eckenradius der gestrichelten Kurve entspricht dem Radius R11 in Figur 2 und beträgt 5 mm.
• In diesen Figuren 7 bis 9 ist zu erkennen, daß es das erfindungsgemäße Verfahren gestattet, in allen Richtungen eine gleichmäßigere Verteilung der Dicke der Wände des Behältnisses zu erhalten.
• Letztlich gestattet es die Erfindung, den Verdünnungskoeffizienten α zu verringern, der definiert ist durch:
• α = e1/e0
• wobei e0 die ursprüngliche Dicke und e1 die mittlere Dicke nach dem Tiefziehen ist. Die Werte dieses Koeffizienten α für ein bekanntes Verfahren und das erfindungsgemaße Verfahren sind 1,035 bzw. 0,997 in der Richtung senkrecht zur Walzrichtung (Figur 7), 1,006 und 0,971 für die Richtung parallel zur Walzrichtung (Figur 8) und 0,969 und 0,972 für die Richtung von 45º (Figur 9).
• Man kann daraus ableiten, daß es das erfindungsgemaße Verfahren gestattet, eine bessere Umfangsverteilung der Dicke zu erhalten, wobei sich der Koeffizient Δα von dem Wert 0,025 für das bekannte Verfahren auf den Wert 0,006 für das erfindungsgemäße Verfahren ändert, sowie eine größere Reckung in der Höhe des Topfes, wobei sich der Koeffizient von dem Wert 0,995 auf den Wert 0,978 für das erfindungsgemäße Verfahren ändert.
• Die beiden Koeffizienten Δα und , die in der Tiefziehtechnik wohlbekannt sind, sind auf die folgende Weise definiert:
• Δα = α(L) + α(T) - 2α(45º)/4
• = α(L) + α(T) + 2α(45º)/4
• α = e1/e0
• wobei α(L), α(T) und α(45º) die Werte der Verdünnungskoeffizienten α in Längsrichtung, Querrichtung und in schräger Richtung unter 45º sind.
• Die Figur 10 zeigt in Teilperspektive einen Tiefziehstempel, der zur Verwendung bei dem oben beschriebenen Verfahren bestimmt ist. Dieser Stempel 41, von dem im wesentlichen die Arbeitsfläche gezeigt ist, bildet einen Stoßkopf mit verlaufendem Eckenradius. Er besitzt vier Zonen 43, in denen der Eckenradius erhöht ist. Diese Zonen 43 entsprechen den Richtungen, die einen Winkel von 45º mit der Walz-Achse 44 und der Querachse 45 bilden; die Zonen, die der Axialrichtung 44 und der Querrichtung 45 entsprechen, sind die Zonen, in denen der Krümmungsradius minimal ist. Wie oben angegeben wurde, ist der minimale Radius beispielsweise gleich 1 mm, und der maximale Radius ist gleich 5 mm.
• Die Anmelderin hat Metallbecher mit den oben genannten Abmessungen aus Zuschnitten aus dünnem Eisenblech mit einer Dicke von 0,18 mm hergestellt, das einer starken Skin-pass-Behandlung unterzogen worden war. Sie hat festgestellt, daß man eine Ersparnis von 20 % auf der verbleibenden zusätzlichen Oberfläche des Kragens und eine Ersparnis von 5 % auf dem Sattel-Durchmesser erhält, die sich in einer Verringerung der Oberfläche des ursprünglichen Zuschnitts von mehr als 3 % auswirken kann. Außerdem konnte man die Haltekräfte bei der Einspannung um 50 % verringern.
• Die Höhe der Hörner auf dem Kragen ist um 42 % verringert worden. Dies ist besonders wichtig in dem Fall, in dem man mit Motiven versehene Becher aus vorgedruckten Zuschnitten herstellt. In diesem Fall ist nämlich die Abbildung auf den Motiven sehr viel gleichmäßiger.
• In den Richtungen mit kleinem LANDFORD-Koeffizienten wurde der Eckenradius im Vergleich zu dem üblichen Eckenradius halbiert und in den Richtungen mit großem Koeffizienten verdoppelt. Dieser Vergleich wurde vorgenommen in bezug auf Tiefziehverfahren nach dem Stand der Technik, die als die leistungsfähigen angesehen wurden.
• Es zeigt sich, daß es die Erfindung gestattet, eine Materialersparnis und zugleich eine größere Gleichmaßigkeit der Dicke des Kragens und der Wände der erhaltenen Behältnisse zu erreichen, was die mechanische Festigkeit der letzteren verbessert.
• Der Tiefziehbereich eines Materials in Anbetracht der Haltekraft bei der Einspannung ist vergrößert.
• Diese Erfindung eignet sich auch für Becher, zu deren Herstellung mehrere Tiefzieh- und Nachtiefschritte erforderlich sind, in den Fällen, in denen die Hörner und Sättel ein Hindernis bei den erneuten Nachtiefvorgängen bilden, wobei die als Zwischenprodukte erhaltenen Becher keinen Kragen aufweisen.
• Die Gleichmaßigkeit der Wanddicke der Tiefziehteile ist ein erfolgsbestimmender Faktor bei den nachfolgenden Operationen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Tiefziehen von flachen Metall-Zuschnitten, die einem Streck- oder Walzprozeß unterzogen worden sind, im Hinblick auf ein späteres Nachtiefen oder Nacharbeiten oder im Hinblick auf die Herstellung von Behältnissen mit Kragen, insbesondere von zylindrischen Behältnissen, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Stempel (41) verwendet, dessen Kopf einen variablen Eckenradius besitzt, der in Abhängigkeit von Anisotropie-Eigenschaften des Zuschnittmaterials bestimmt ist, wobei sich die kleinen Krümmungsradien (R11) in der Zone befinden, in der der LANDFORD- Koeffizient klein ist, und die großen Krümmungsradien (R12) sich in der Zone befinden, in der der LANDFORD-Koeffizient erhöht ist, wobei der LANDFORD-Koeffizient durch die folgende Formel definiert ist:

r = ε&sub2;/ε&sub3;

in der ε&sub2; die Breitenverformung und ε&sub3; die Dickenverformung ist.

2. Tiefziehverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend ein Vorgang zum Geradrichten des Bodens des Behältnisses durchgeführt wird, unter Verwendung eines Stempels mit konstantem Eckenradius.

3. Tiefziehverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang des Geradrichtens des Bodens des Behältnisses nur in bestimmten Zonen des letzteren ausgeführt wird.

4. Tiefziehverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang des Geradrichtens von der Art ist, daß Buckel im Boden des Behältnisses gebildet werden.

5. Tiefziehverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang des Geradrichtens vier Buckel erzeugt.

6. Tiefziehverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Eckenradius des Kopfes des Stempels etwa das Fünffache seines minimalen Radius beträgt.

7. Tiefziehstempel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kopf (41) Zonen (43) aufweist, die einen maximalen Eckenradius (R12) besitzen und durch Zonen (44, 45) mit minimalem Eckenradius (R11) getrennt sind.

8. Tiefziehstempel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kopf (41) vier unter rechten Winkeln verteilte Zonen (43) aufweist, die einen maximalen Krümmungsradius (R12) besitzen und durch Zonen (44, 45) mit minimalem Eckenradius (R11) getrennt sind.