EP1341623B1

EP1341623B1 - Vorrichtung und verfahren zur innenhochdruckumformung (ihu) und ihu-werkzeuganordnung

Info

Publication number: EP1341623B1
Application number: EP01270389A
Authority: EP
Inventors: Andreas Winters
Original assignee: WOBST STEFAN
Current assignee: Wobst Stefan
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2021-12-03
Also published as: CA2440722A1; EP1341623A1; AU2002219003A1; US20040103707A1; ATE291507T1; ES2240334T3; WO2002047839A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Innenhochdruckumformung (IHU).

Innenhochdruckumformung (IHU) dient der Umformung von Werkstücken mittels Beaufschlagung durch hydrostatischen Druck und wird z.B. in der Automobilindustrie angewandt. Hierbei wird das zu bearbeitende Werkstück von einem formgebenden, in der Regel geteilten Werkzeug umgeben, welches eine Fluidzuleitung zur Beaufschlagung mit dem zur Umformung des Werkstücks erforderlichen hydrostatischen Druck aufweist. Die umzuformenden Werkstücke können beispielsweise Rohre oder Platinen sein, wobei die im Inneren des Werkzeugs befindliche, mit der Fluidzuleitung in Verbindung stehende Formkammer entsprechend der gewünschten Form des umgeformten Werkstücks ausgebildet ist.

Da die das Werkzeug bildenden Werkzeughälften infolge des eingebrachten hydrostatischen Drucks das Bestreben haben, auseinander zu driften, ist eine Zuhaltevorrichtung, d.h. ein Werkzeugträger zum Einspannen des Werkzeugs erforderlich, wobei die von den Zuhaltekomponenten oder Werkzeugträgerkomponenten auf das Werkzeug ausgeübte Zuhaltekraft gleich oder größer als die Kraft sein muss, die aus dem in die Formkammer eingebrachten hydrostatischen Innendruck resultiert. Je nach der Größe des zur Umformung des Werkstücks notwendigen Innendrucks können die erforderlichen Zuhaltekräfte so groß werden, dass elastische Verformungen in den Komponenten des Werkzeugträgers auftreten, welche sich wiederum auf die Werkzeughälften übertragen. Infolgedessen ist der zur Innenhochdruckumformung erforderliche Präzisionsformschluss des Werkzeugs nicht mehr gegeben, so dass der Innendruck an den entstehenden Undichtigkeiten lokal entweichen kann und der Umformprozess unterbrochen wird. Dieses Problem tritt besonders gravierend in Erscheinung, wenn komplexere Umformungen vorgenommen werden sollen, um etwa Bleche, z.B. für Autokarosserieteile, in mehreren Ebenen umzuformen, da dann die Trennebenen zwischen den Werkzeughälften dreidimensional gekrümmt und die Anforderungen an die jeweiligen, die Formkammer abdichtenden Dichtflächen entsprechend groß sind. Infolgedessen ist mit den bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Innenhochdruckumformung eine Umformung komplexer dreidimensionaler Blechgeometrien etwa für Autokarosserieteile praktisch nicht möglich.

Es sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Innenhochdruckumformung bekannt, bei denen die zur Kompensation des Innendrucks notwendige Zuhaltekraft mittels eines unterhalb eines Pressentischs angeordneten Zylinderpakets erzeugt wird. Durch entsprechende Beschaltung und Regelung der Zylinder kann zudem die Zuhaltekraft entsprechend den Anforderungen am Werkstück genau bestimmt werden. Um den Einfluss elastischer Verformungen in den Werkzeugträgerkomponenten zu begrenzen, wird diese mit konstruktiven Versteifungen in Form von Wandstärkevergrößerungen versehen. Infolge der hierzu erforderlichen Einbringung großer Materialmassen erhöhen sich jedoch Baugröße, Komplexität und Gewicht des Werkzeugträgers beträchtlich, so dass zum einen Anschaffung, Installation und Betrieb solcher Vorrichtungen aufwendig und kostenintensiv sind und zum anderen die genannten hohen Anforderungen an die Dichtflächen zur Abdichtung der Umformkammer bei Umformung komplexer dreidimensionaler Blechgeometrien nicht erfüllt werden.

Aus DE 197 16 663 C1 ist eine Vorrichtung zum hydrostatischen Umformen von kaltumformbarem metallischen Flachmaterial bekannt, bei welcher der zu formende Blechkörper zwischen zwei Matrizenplatten aufgenommen wird, von denen die eine eine der gewünschten Form entsprechende Gravur aufweist,
wobei auf die obere Matrizenplatte ein vertikal beweglich gelagerter Pressenstößel einwirkt. Hierbei ist wenigstens eine der beiden Matrizenplatten biegsam ausgebildet, und zwischen der biegsamen Matrizenplatte und dem Pressenstößel ist eine allseitig eingespannte, hydraulisch passiv wirksame Schicht angeordnet.

Zwar werden infolge der sich in einem gewissen Druckbereich an die Oberfläche des umzuformenden Flachmaterials anschmiegenden Matrizenplatte die Auswirkungen von Verformungen der Matrizenplatte auf die Dichtigkeit während des Umformprozesses abgemildert, jedoch ist diese Kompensation nur in eingeschränktem Druckbereich ausreichend effektiv, so dass bei hohen erforderlichen Werkzeugschließkräften auch zusätzliche konstruktive Versteifungen zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Formschlusses der Werkzeughälften notwendig werden.

Aus DE 198 34 471 A1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer Hydroformbearbeitung bekannt, die einen in einem Gestell angeordneten Druckbehälter aufweist, welcher obere und untere Behälterteile umfasst, die jeweils Formteile darin tragen. Zwischen den Formteilen ist ein Formhohlraum ausgebildet, in welchem ein mittels Hydroformen zu bearbeitendes Werkstück angeordnet ist. Ferner ist zwischen einem oder beiden Formteilen und dem zugeordneten oberen und unteren Behälterteil ein aufblasbarer Balg angeordnet, in welchen während der Beaufschlagung des Formhohlraums mit einem Druckfluid ebenfalls ein Druckfluid eingeleitet wird, um ein Auseinanderdriften der Formteile zu verhindern.

Diese Vorrichtung hat jedoch zum einen den Nachteil, dass die zur Ausbildung des flexiblen Balgs erforderlichen flexiblen Materialien bei Einbringung hoher Drücke die Eigenschaft haben, dass sie in sämtliche auch noch so kleine entstehende Spalten der Vorrichtung eindringen können. Zudem muss, damit das jeweils über oder unter dem Balg befindliche Behälterteil in vertikaler Richtung beweglich ist, konstruktiv ein Spaltmaß zwischen dem Behälterteil und dem jeweiligen Formteil berücksichtigt sein, so dass der flexible, aufblasbare Balg sich während der IHU-Umformung in den Spalt einarbeiten kann und früher oder später zerstört wird.
Darüber hinaus findet auch bei dieser Vorrichtung eine Übertragung elastischer Verformungen des jeweiligen Behälterteils über den flexiblen Balg auf das angrenzende Formteil statt, so dass bei entsprechend hohen Drücken der erforderliche Präzisionsformschluss der Werkzeughälften nicht mehr gewährleistet ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn, wie oben beschrieben, komplexe Blechgeometrien geformt werden, da bei den dann notwendigen, dreidimensional gekrümmten Dichtflächen der flexible Balg zur Kompensation der besagten elastischen Verformungen unzureichend ist.

Aus GB-A-820027 ist eine Vorrichtung zum Umformen von Metallblechteilen mittels hydrostatischem Druck bekannt, bei welcher einer Umformkammer über eine erste Leitung eine Druckflüssigkeit zur Umformung eines in der Umformkammer platzierten Metallblechteils zugeführt wird, wobei auf der zur Umformkammer gegenüberliegenden Seite der das Metallblechteil haltenden Werkzeugträgerkomponente eine weitere Kammer ausgebildet ist, welcher zur Erzeugung einer Zuhaltekraft auf die Werkzeugträgerkomponente ebenfalls über eine weitere Leitung eine Druckflüssigkeit zugeführt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Innenhochdruckumformung zur Realisierung auch komplexer dreidimensionale Blechgeometrien unter Sicherstellung eines störungsfrei verlaufenden Umformungsprozesses zu schaffen, wobei eine große Flexibilität hinsichtlich der Positionierung der Werkzeughälften gegeben ist und eine Bestückung der Vorrichtung erleichtert wird.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Hierzu umfasst eine Vorrichtung zur Innenhochdruckumformung

wenigstens ein Werkzeug, welches längs einer Werkzeugtrennebene in zwei Werkzeughälften geteilt ist, wobei die beiden Werkzeughälften wenigstens eine mit einem hydrostatischen Innendruck zur Formgebung an einem umzuformenden Werkstück beaufschlagbare Formkammer ausbilden,
einen Werkzeugträger, welcher für jede Werkzeughälfte wenigstens eine dieser Werkzeughälfte zugeordnete Werkzeugträgerkomponente aufweist,
wobei jedem Paar aus Werkzeugträgerkomponente und Werkzeughälfte wenigstens eine Fluidkammer zugeordnet ist, die aus einer Kolbenkomponente und einer Kolbenaufnahmekomponente gebildet wird,
wobei Mittel zum Erzeugen eines zum hydrostatischen Innendruck mindestens gleich großen, hydrostatischen Fluidkammerdrucks in jeder der Fluidkammern, der unter Kompensation des hydrostatischen Innendrucks eine Werkzeugschließkraft auf die beiden Werkzeughälften ausübt, vorgesehen sind, und wobei auf gegenüberliegenden Seiten des Werkzeugs jeweils eine Mehrzahl benachbart angeordneter Fluidkammern vorgesehen sind, und die Mittel zum Erzeugen des hydrostatischen Fluidkammerdrucks so ausgestaltet sind, dass die Fluidkammern partiell oder gemeinsam mit gleichem oder unterschiedlichem Fluidkammerdruck beaufschlagbar sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist hinsichtlich der Positionierung der Werkzeughälften in dem Werkzeugträger eine große Flexibilität auf, da die Fluidkammern, z.B. oben und unten synchron aufeinander abgestimmt, gemeinsam oder auch nur partiell mit dem hydrostatischen Außendruck beaufschlagt werden können. Auf diese Weise ist zum Erreichen einer gleichmäßigen Zuhaltekraftverteilung weder eine mittige Positionierung des Werkzeugs noch eine bestimmte Mindestgröße der Werkzeugträgerkomponenten erforderlich, so dass die Bestückung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber. bekannten Vorrichtungen erheblich erleichtert wird.

Es lässt sich eine maximale Flexibilität hinsichtlich der Positionierung des Werkzeugs zwischen den Werkzeugträgerkomponenten und damit ein komfortables Bestückungs-Handling erreichen.

Infolge der erfindungsgemäßen Fluidkammern, die mit einem den hydrostatischen Innendruck in der Formkammer kompensierenden hydrostatischen Fluidkammerdruck beaufschlagbar sind, lässt sich die für einen Formschluss der Werkzeughälften während des Umformprozesses erforderliche Zuhaltekraft auf die Werkzeughälften aufbringen, ohne dass elastische Verformungen der Werkzeugträgerkomponenten auf die Werkzeughälften übertragen werden. Diese heben sich nämlich jeweils an den den Werkzeughälften zugewandten Seiten der jeweiligen Werkzeugträgerkomponenten gegenseitig auf und treten damit lediglich an den den Werkzeughälften abgewandten Seitenflächen des Werkzeugträgers auf, wo sie z.B. in einen Rahmen der IHU-Vorrichtung abgeleitet werden. Auf diese Weise ist auch bei der Formung komplexer Werkstücke, beispielsweise von Blechen mit dreidimensional gekrümmten Oberflächen, der erforderliche Präzisionsformschluss zur Sicherstellung eines störungsfrei verlaufenden Umformprozesses gewährleistet.

Da somit die elastischen Verformungen der Werkzeugträgerkomponenten in Richtung der jeweiligen Werkzeughälften selbstregelnd kompensiert werden, bleiben die übrigen elastischen Verformungen der Werkzeugträgerkomponenten ohne Einfluss auf die Dichtigkeit während des Umformprozesses, so dass insbesondere auch keine zusätzlichen konstruktiven Versteifungen bzw. Vergrößerungen der Wandstärke erforderlich sind, sondern vielmehr Vorrichtungen in Leichtbauweise realisiert werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren hat darüber hinaus den Vorteil, dass auch Fluidkammern mehrerer Werkzeugträgerkomponenten in einem Verbund nebeneinandergeschaltet werden können, wodurch sich Vorrichtungen mit beachtlichen Bauraumgrößen von vielen Metern Länge und hohen Zuhaltekräften erzeugen lassen, was insbesondere bei Umformung sehr großer Platinen, z.B. für Fassadenbleche im Bereich des Bauwesens, aber auch für die Luftfahrt, die Schifffahrt und den Schienenverkehr von Bedeutung ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird wenigstens ein Paar aus Kolbenkomponente und zugehöriger Kolbenaufnahmekomponente durch zwei Werkzeugträgermatrizen der jeweiligen Werkzeugträgerkomponente gebildet. Es kann jedoch auch wenigstens ein Paar aus Kolbenkomponente und zugehöriger Kolbenaufnahmekomponente durch eine Werkzeugträgerkomponente und die zugeordnete Werkzeughälfte gebildet werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind bei wenigstens einer Werkzeugträgerkomponente die zugehörige Werkzeugträgermatrize zur Ausbildung der Kolbenkomponente mit kolbenartigen Vorsprüngen und die andere Werkzeugträgermatrize mit hierzu korrespondierenden Kavitäten versehen. Hierbei kann jedes Paar von Kavität bzw. kolbenartigem Vorsprung jeweils eine Fluidkammer einschließen, oder es kann eine einzige gemeinsame Fluidkammer ausgebildet werden, indem der gesamte zwischen den Kavitäten und den kolbenartigen Vorsprüngen verbleibende Bereich als hydraulisch wirkende Fläche zum Einsatz kommt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Führung der Werkzeugträgerkomponenten in der IHU-Vorrichtung, z.B. entlang eines Rahmens in.der IHU-Vorrichtung, vorgesehen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind jeweils zwei verschiedenen Werkzeughälften zugeordnete Fluidkammern einander gegenüberliegend angeordnet, so dass gewährleistet ist, dass bei identischer Beaufschlagung der jeweils gegenüberliegenden Fluidkammern beidseitig ein gleich großer Fluidkammerdruck erzeugt wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bildet jedes Paar aus Kolbenkomponente und zugehöriger Kolbenaufnahmekomponente jeweils eine jede Fluidkammer druckdicht abschließende Dichteinheit. Es kann jedoch auch nur der äußere Randbereich der jeweiligen Werkzeugträgerkomponente abgedichtet sein, so dass der gesamte innerhalb der Dichtung zwischen den Werkzeugträgermatrizen der Werkzeugträgerkomponente verbleibende Raum als hydraulisch wirkende Fläche zum Einsatz kommen kann.

Die Fluidkammern können senkrecht zur Kolbenachse jeweils einen runden, ovalen oder einen beliebigen anderen, z.B. dreieckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittel zum Erzeugen des hydrostatischen Fluidkammerdrucks so ausgestaltet, dass der in den einander gegenüberliegenden Fluidkammern erzeugte Fluidkammerdruck jeweils identisch ist. Die Mittel zum Erzeugen des Fluidkammerdrucks sind jedoch noch vorteilhafter so ausgestaltet, dass die durch den Fluidkammerdruck auf die beiden Werkzeughälften ausgeübten Kräfte entgegengesetzt und gleich groß sind.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Regelkreis zum Regeln des hydrostatischen Fluidkammerdrucks in Abhängigkeit von der auf die jeweilige Werkzeughälfte ausübten Kraft vorgesehen. Auf diese Weise lassen sich Abweichungen in der Größe der Wirkflächen der Werkzeugträgerkomponenten etwa in Folge fertigungsbedingter Toleranzen kompensieren, so dass unabhängig von der Größe der jeweiligen Wirkfläche eine definierte Kraft auf die betreffende Werkzeughälfte ausgeübt wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Werkzeugtrennebene zwischen den beiden Werkzeughälften des Werkzeugs ein Formelement vorgesehen, welches mit jeder der Werkzeughälften jeweils eine zur Formgebung an jeweils einem umzuformenden Werkstück mit einem hydrostatischen Innendruck beaufschlagbare Formkammer ausbildet. Das Formelement ist vorzugsweise in Bezug auf die Werkzeugtrennebene spiegelsymmetrisch aufgebaut.

Auf diese Weise wird es möglich, bei Positionierung jeweils eines umzuformenden Werkstücks in jeder der beiden Formkammern in einem einzigen Herstellungsschritt durch hydrostatische Beaufschlagung der beiden Formkammern mit identischem hydrostatischen Innendruck zwei übereinstimmende Bauteile zu formen, da das Formelement bei der hydraulischen Beaufschlagung beidseitig, d.h. in jeder der beiden Formkammern, formgebend in Bezug auf das jeweils in der Formkammer befindliche Werkstück wirkt.

Hierdurch wird zum einen ein besonders effizienter Herstellungsprozeß geschaffen. Zum anderen läßt sich auf diese Weise aber auch in einfacher Weise ein Paar genau zueinander passender Bauteile herstellen, was etwa bei der Herstellung von sandwichartigen Strukturen von dünnen Blechen, die mit jeweils komplexen Oberflächengeometrien ausgebildet werden sollen, von großer Bedeutung ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Formelement zwischen den Werkzeughälften an einem den Werkzeugträger tragenden Rahmen befestigt. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da zur Bestückung der IHU-Vorrichtung mit zu bearbeitenden Werkstücken, bzw. zu deren Entnahme nach dem Umformvorgang, die beiden Werkzeughälften bzw. die zugeordneten Werkzeugträgerkomponenten einfach in vertikaler Richtung auseinander geschoben werden können, während das Formelement in seiner definierten Position verbleibt.

Das Formelement kann jedoch auch von den Werkzeughälften druckdicht umfaßt, insbesondere auch zwischen den beiden Werkzeughälften schwimmend gelagert sein. Die "schwimmende" Lagerung ist hierbei in Bezug auf die den jeweiligen Werkzeughälften zugewandte vertikale Richtung zu verstehen, d.h. das von den Werkzeughälften umfaßte bzw. von diesen druckdicht eingeschlossene Formelement ist in dieser vertikalen Richtung verschiebbar, wohingegen es in horizontaler Richtung von den Werkzeughälften umfaßt ist und infolgedessen eine definierte Position beibehält.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind eine Mehrzahl von Werkzeugen mit in der Werkzeugtrennebene zwischen den jeweiligen Werkzeughälften vorgesehenem Formelement in zur Werkzeugtrennebene senkrechter Richtung benachbart angeordnet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Werkzeugtrennebene von wenigstens einem der Werkzeuge zwischen den jeweiligen Werkzeughälften ein Formelement vorgesehen, welches mit jeder der jeweiligen Werkzeughälften jeweils eine zur Formgebung an jeweils einem umzuformenden Werkstück mit einem hydrostatischen Innendruck beaufschlagbare Formkammer ausbildet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Werkzeugträger in einen Aufspanntisch (Pressentisch) zum Einspannen der Werkzeughälften integriert. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein Verbund zwischen mehreren Pressentischen zum Erreichen einer erhöhten Bauraumgröße gebildet wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Innenhochdruckumformung wird in wenigstens einem längs einer Werkzeugtrennebene in zwei Werkzeughälften geteilten Werkzeug wenigstens eine von den Werkzeughälften ausgebildete Formkammer zur Formgebung an einem umzuformenden Werkstück mit einem hydrostatischen Innendruck beaufschlagt, und in aus einer Kolbenkomponente und einer Kolbenaufnahmekomponente gebildeten, jeweils einer der Werkzeughälften zugeordneten Fluidkammern wird jeweils ein zum Innendruck mindestens gleich großer hydrostatischer Fluidkammerdruck erzeugt, der unter Kompensation des hydrostatischen Innendrucks eine Werkzeugschließkraft auf die beiden Werkzeughälften ausübt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden auf gegenüberliegenden Seiten des Werkzeugs jeweils eine Mehrzahl benachbart angeordneter Fluidkammern partiell und/oder gemeinsam mit gleichem oder unterschiedlichem Fluidkammerdruck beaufschlagt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der hydrostatische Fluidkammerdruck in Abhängigkeit von der Kraft geregelt, welche durch die Fluidkammer auf die jeweilige Werkzeughälfte ausgeübt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden in dem Werkzeug zwei einander gegenüberliegend angeordnete Formkammern, die jeweils von je einer der Werkzeughälften mit einem in der Werkzeugtrennebene zwischen den beiden Werkzeughälften des Werkzeugs angeordneten Formelement ausgebildet werden, gleichzeitig mit einem hydrostatischen Innendruck beaufschlagt.

Das Formelement wird bevorzugt in Bezug auf die Werkzeugtrennebene spiegelsymmetrisch angeordnet und die beiden Formkammern werden zur Ausbildung zweier identischer Bauelemente aus jeweils umzuformenden Werkstücken gleichzeitig mit identischem hydrostatischen Innendruck beaufschlagt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden in einer Mehrzahl von senkrecht zur jeweiligen Werkzeugtrennebene benachbart angeordneten Werkzeugen mit in der jeweiligen Werkzeugtrennebene zwischen den jeweiligen Werkzeughälften vorgesehenen Formelementen eine Mehrzahl von Formkammern, die jeweils von je einer der Werkzeughälften mit einem der Formelemente ausgebildet werden, gleichzeitig mit einem hydrostatischen Innendruck beaufschlagt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Seitenansicht im Partialschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Innenhochdruckumformung (IHU-Vorrichtung);

Figur 2 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie "A-A" der unteren Werkzeugträgerkomponente der IHU-Vorrichtung aus Figur 1;

Figur 3a und 3b perspektivische Ansichten der unteren Werkzeugträgerkomponente der IHU-Vorrichtung aus Figur 1; und

Figur 4a-d verschiedene bevorzugte Ausführungsformen einer bei der IHU-Vorrichtung aus Figur 1 verwendeten Werkzeugträgermatrize in Draufsicht;

Figur 5 eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform einer Werkzeugträgerkomponente für die erfindungsgemäße IHU-Vorrichtung;

Figur 6 und 7 schematische Darstellungen zur Erläuterung des der erfindungsgemäßen IHU-Vorrichtung zugrundeliegenden Prinzips ohne (Figur 6) bzw. mit (Figur 7) Beaufschlagung durch hydrostatischen Druck;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer IHU-Vorrichtung, in welcher ein Werkzeug gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen ist; und

Fig. 9 eine schematische Querschnittsansicht eines Verbundes zweier Werkzeugträger für eine IHU-Vorrichtung.

Gemäß Figur 1 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Innenhochdruckumformung (IHU-Vorrichtung) 1 in einer bevorzugten Ausführungsform einen Werkzeugträger 2, der eine obere Werkzeugträgerkomponente 3 und eine untere Werkzeugträgerkomponente 4 umfasst. Der Werkzeugträger 2 wird von einem (hier nicht dargestellten) Rahmen gehalten, wobei der Rahmen gemäß Fig. 9 in bekannter Weise, z.B. aus an vertikal angeordneten Lamellen befestigten horizontalen Verbindungsstangen, aufgebaut sein kann. Die Werkzeugträgerkomponenten 3,4 des Werkzeugträgers 2 sind dann an den vertikalen Stahllamellen des Rahmens in vertikaler Richtung beweglich und arretierbar geführt. Insbesondere kann die untere Werkzeugträgerkomponente in einen Aufspanntisch (Pressentisch) der IHU-Vorrichtung 1 integriert sein.

Die Werkzeugträgerkomponenten 3, 4 weisen jeweils eine obere Werkzeugträgermatrize 3a bzw. 4a und eine untere Werkzeugträgermatrize 3b bzw. 4b auf. Zwischen den Werkzeughälften 3, 4 ist ein Werkzeug 5 gelagert, welches eine obere Werkzeughälfte 5a und eine untere Werkzeughälfte 5b umfasst. Die untere Werkzeughälfte 5b weist auf ihrer der oberen Werkzeughälfte 5a zugewandten Seite eine etwa mittig angeordnete Ausnehmung auf, so dass bei flächig aufeinanderliegenden Werkzeughälften 5a, 5b eine Formkammer 6 ausgebildet wird, in der ein umzuformendes Werkstück 7 angeordnet ist. Die Formkammer 6 ist entsprechend der gewünschten Form des umgeformten Werkstücks ausgebildet und kann auch an einer beliebigen anderen Stelle zwischen den Werkzeughälften 5a, 5b vorgesehen sein.

Die Werkzeughälfte 5a weist ferner einen mit der Formkammer 6 in Verbindung stehenden und innerhalb der Werkzeughälfte 5a seitwärts nach außen führenden Fluidkanal (entsprechend der Darstellung in Fig. 6) auf. Zur Bearbeitung des Werkstücks 7 wird ein vorzugsweise inkompressibles Fluid (z.B. Wasser oder Öl) mittels einer Hydraulikpumpe über den Fluidkanal der Formkammer 6 zugeführt, wodurch in der Formkammer 6 ein zur Umformung des Werkstücks 7 erforderlicher Innenhochdruck Pi erzeugt wird.

Hierbei erzeugt der im Inneren der Formkammer 6 erzeugte hydrostatische Innendruck Pi eine auf die beiden Werkzeughälften 5a, 5b wirkende, nach außen gerichtete Kraft Fi = Pi x A, wobei A die Projektionsfläche der Umwandung der Formkammer 6 auf die Trennebene der beiden Werkzeughälften 5a, 5b bezeichnet. Zur Aufrechterhaltung eines dichten, flächigen Kontakts der Werkzeughälften 5a, 5b ist somit eine von außen auf die Werkzeughälften 5a, 5b wirkende Kraft Fa erforderlich, wobei während des gesamten Umformprozesses die Bedingung Fa ≥ Fi erfüllt sein muss.

Zur Erzeugung der von außen auf die Werkzeughälften 5a, 5b wirkenden Kraft Fa dienen bei der erfindungsgemäßen IHU-Vorrichtung 1 in der oberen und unteren Werkzeugträgerkomponente 3,4 jeweils vorgesehene Fluidkammern 8, deren Anordnung aus Figur 2 und 3a, b in der unteren Werkzeugträgerkomponente 4 näher dargestellt ist, wobei die obere und die untere Werkzeugträgerkomponente 3, 4 identisch aufgebaut sein können.

Gemäß Fig. 2 und Fig. 3a,b umfassen die obere Werkzeugträgerkomponente 3 und die untere Werkzeugträgerkomponente 4 jeweils eine Vielzahl matrixartig angeordneter Fluidkammern 8, die in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform so angeordnet sind, dass jeweils eine Fluidkammer 8 in der unteren Werkzeughälfte 4 und eine Fluidkammer 8 in der oberen Werkzeughälfte 3 einander in einer Kraftlinie gegenüberliegen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst jede Werkzeugträgerkomponente 3, 4 jeweils eine 3x6-Matrix von Fluidkammern 8, es kann jedoch eine beliebige Anzahl von Fluidkammern 8 vorgesehen sein. Hierbei umfassen die obere und die untere Werkzeugträgerkomponente 3,4 aber vorzugsweise jeweils wenigstens zwei benachbarte Fluidkammern 8, damit über deren partielle Ansteuerung die Flexibilität hinsichtlich der Positionierung des Werkzeugs bei der Bestückung der IHU-Vorrichtung erhöht werden kann.

Jede der Fluidkammern 8 wird gemäß Figur 1 (unterer rechter Teil), sowie Figur 2 und 3 dadurch ausgebildet, dass die Werkzeugträgermatrizen 4a, 4b der unteren Werkzeughälfte 4 zueinander korrespondierende positiv bzw. negativ ausgeformte und im wesentlichen formschlüssig ineinandergreifende Matrizenkonturen aufweisen. Hierzu bildet gemäß Figur 3a, b die obere Werkzeugträgermatrize 4a eine Kolbenaufnahmekomponente und die untere Werkzeugträgermatrize 4b eine dazu korrespondierende Kolbenkomponente.

Die obere Werkzeugträgermatrize 4a umfasst als Kolbenaufnahmekomponente eine matrixartige Anordnung (im dargestellten Ausführungsbeispiel eine 3x6 Matrix) aus im wesentlichen zylinderförmigen, nach der der unteren Werkzeugträgermatrize 4b zugewandten Seite hin offenen Kavitäten 13, wohingegen die untere Werkzeugträgermatrize 4b als Kolbenkomponente eine entsprechende matrixartige Anordnung (im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls eine 3x6-Matrix) aus zu den Kavitäten 13 korrespondierenden, kolbenartigen Vorsprüngen 14 umfasst. Die kolbenartigen Vorsprünge 14 der unteren Werkzeugträgermatrize 4b sind an den entsprechenden Positionen wie die Kavitäten 13 der oberen Werkzeugträgermatrize 4a angeordnet, so dass die untere und die obere Werkzeugträgerkomponente 4a, 4b im wesentlichen formschlüssig ineinander greifen. Die Lage der Kavitäten 13 bzw. der kolbenartigen Vorsprünge 14 kann auch gegenüber der in Fig. 3a,3b dargestellten Ausführungsform so vertauscht sein, dass die Kavitäten 13 in der unteren Werkzeugträgermatrize 4b der unteren Werkzeugträgerkomponente 4 (bzw. in der oberen Werkzeugträgermatrize 3a der oberen Werkzeugträgerkomponente 3) vorgesehen sind.

Ferner weist die untere Werkzeugträgermatrize 4b zur Ausbildung von Fluidkanälen 9 gemäß Fig. 3b vorzugsweise zylindrische Bohrungen auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils mittig in den jeweiligen kolberiartigen Vorsprüngen 14 angeordnet sind und sich von der der entsprechenden Kavität 13 zugewandten Seite des jeweiligen kolbenartigen Vorsprungs 14 bis hin zu der der Kavität 13 abgewandten Seite der unteren Werkzeugträgermatrize 4b erstrecken. Die Bohrungen zur Ausbildung der Fluidkanäle 9 können jedoch auch in entsprechender Weise in der oberen Werkzeugträgermatrize 4a, also von außen zu den Kavitäten 13 hin führend ausgebildet sein.

Zur Abdichtung der Fluidkammern 8 umfasst jede Kavität 13 eine im Eingriffzustand der unteren und oberen Werkzeugträgermatrize 4a, 4b konzentrisch um den entsprechenden kolbenartigen Vorsprung 14 verlaufende Nut 11, in der ein Dichtring 12 zur Ausbildung einer Dichtung 10 aufgenommen ist, so dass die durch die eine Werkzeugträgermatrize 4b gebildete Kolbenkomponente und die durch die andere Werkzeugträgermatrize 4a gebildete Kolbenaufnahmekomponente eine jede Fluidkammer 8 nach außen druckdicht abdichtende Dichteinheit bilden.

Alternativ zu der dargestellten bevorzugten Ausführungsform kann wenigstens ein Paar aus Kolbenkomponente und zugehöriger Kolbenaufnahmekomponente zur Ausbildung der Fluidkammern 8 auch durch eine Werkzeugträgerkomponente und die zugeordnete Werkzeughälfte gebildet werden. In diesem Falle kann die betreffende Werkzeugträgerkomponente einstückig ausgebildet sein und kolbenartige Vorsprünge 14 entsprechend Fig. 3a,3b auf der der jeweils zugeordneten Werkzeughälfte 5a,5b zugewandten Seitenfläche der jeweiligen Werkzeugträgerkomponente aufweisen, wobei die korrespondierenden Kavitäten 13 dann in der dieser Werkzeugträgerkomponente zugewandten Seitenfläche der entsprechenden Werkzeughälfte 5a bzw. 5b vorgesehen sind. Diese Art der Ausbildung der Fluidkammern 8 kann auf nur einer oder auch auf beiden Seiten des Werkzeugs gewählt werden. Hierbei können die Kavitäten 13 alternativ auch in der jeweiligen Werkzeugträgerkomponente und die kolbenartigen Vorsprünge 14 in der entsprechenden Werkzeughälfte 13 vorgesehen sein.

Über die Fluidkanäle 9 kann somit, wenn die untere und die obere Werkzeugträgermatrize 4a, 4b ineinander greifen, eine vorzugsweise inkompressible Flüssigkeit dem zwischen den kolbenartigen Vorsprüngen 14 und den entsprechenden Kavitäten 13 verbleibenden Zwischenraum zugeführt werden, um die dort ausgebildeten Fluidkammern 8 mit einem hydrostatischen Fluidkammerdruck Pa zu beaufschlagen.

Die kolbenartigen Vorsprünge 14 der unteren Werkzeugträgermatrize 4b und die entsprechenden Kavitäten 13 der oberen Werkzeugträgermatrize 4a müssen nicht notwendigerweise zylindrisch ausgebildet sein, sondern können eine beliebige Flächenform aufweisen. Beispielhaft ist in Figur 4a eine obere Werkzeugträgermatrize 15 dargestellt, bei welcher ein mit hydrostatischem Druck beaufschlagbarer innerer Teilbereich 15" von einem äußeren Teilbereich 15' über eine Dichtung 15a von langgestreckter, abgerundeter Flächenform abgeteilt ist. In Figur 4b, c und d sind weitere mögliche Ausführungsformen von Werkzeugträgermatrizen 16, 17 und 18 dargestellt, wobei mit hydrostatischem Druck beaufschlagbare Teilbereiche 16", 17" bzw. 18" über Dichtungen 16a, 17a bzw. 18a jeweils von äußeren Teilbereichen 16', 17' bzw. 18' abgeteilt sind und wobei die jeweiligen mit hydrostatischem Druck beaufschlagbaren Teilbereiche 16", 17" bzw. 18" eine ovale (Figur 4b), sechseckige (Figur 4c) bzw. unregelmäßige (Figur 4d) Flächenform besitzen.

Die Beaufschlagung der Fluidkammern 8 über die jeweiligen Fluidkanäle 9 mit dem zur Erzeugung der erforderlichen Zuhaltekraft Fa nötigen hydrostatischen Fluidkammerdruck Pa erfolgt durch Zufuhr eines vorzugsweise inkompressiblen Fluids wie Wasser oder Öl mittels einer üblichen Hydraulikpumpe oder dergleichen, wobei die Fluidkammern 8 hierbei partiell, d.h. unabhängig voneinander, aber auch gemeinsam mit gleichem oder unterschiedlichem Fluidkammerdruck Pa beaufschlagt werden können. Auf diese Weise wird eine flexible Positionierung der Werkzeughälften 5a, 5b in dem Werkzeugträger 2 ermöglicht, da die Fluidkammern 8 je nach Lage der Werkzeughälften 5a, 5b in dem Werkzeugträger 2 angesteuert werden können, so dass insbesondere keine mittige Positionierung des Werkzeugs 5 notwendig ist. Ferner lässt sich durch partielles Ansteuern der Fluidkammern 8 auch für jede Lage des Werkzeugs 5 eine gleichmäßige Kraftverteilung herstellen, ohne dass hierzu etwa eine Mindestgröße des Werkzeugträgers 2 erforderlich wäre.

Um sicherzustellen, dass während des gesamten Umformprozesses die von den Werkzeugträgerkomponenten 3, 4 auf die jeweiligen Werkzeughälften 5a, 5b über die hydraulische Beaufschlagung der Fluidkammern 8 ausgeübte Zuhaltekraft Fa stets größer oder gleich der aus dem Innenhochdruck Pi resultierenden, zwischen den Werkzeughälften 5a, 5b wirkenden Kraft Fi ist, ist es insbesondere vorteilhaft, die Formkammer 6 und die Fluidkammern 8 aus der gleichen Druckquelle (z.B. Hydraulikpumpe) mit einem einheitlichen Druck zu beaufschlagen, da dann infolge der größeren Wirkfläche der Werkzeugträgermatrizen 3b bzw. 4a (relativ zu der Umwandung der Formkammer 6) die Zuhaltekraft Fa immer größer als die zwischen den Werkzeughälften 5a, 5b wirkende Kraft Fi ist. Es können jedoch auch separate Druckquellen zur Beaufschlagung der Formkammer 6 und der Fluidkammern 8 verwendet werden.

Vorzugsweise ist die Hydraulikpumpe zur Beaufschlagung der Fluidkammern 8 so ausgestaltet, dass der in den einander in einer Kraftlinie gegenüberliegenden Fluidkammern 8 erzeugte Fluidkammerdruck Pa jeweils identisch ist. Auf diese Weise wird bei verhältnismäßig geringem konstruktiven Aufwand sichergestellt, dass bei identischer hydrostatischer Druckbeaufschlagung der Fluidkammern 8 beidseitig zum Werkzeug 5 jeweils der gleiche hydrostatische Fluidkammerdruck erzeugt wird.

Abweichungen in der Größe der Wirkflächen der Werkzeugträgermatrizen 3b und 4a können jedoch dazu führen, dass unterschiedliche Kräfte auf das Werkzeug 5 ausgeübt werden, obwohl der beaufschlagte hydrostatische Fluidkammerdruck Pa auf beiden Seiten des Werkzeugs 5 identisch ist. Um solche Abweichungen zu kompensieren, ist es vorteilhaft, den in den jeweiligen Fluidkammern 8 erzeugten hydrostatischen Fluidkammerdruck Pa in Abhängigkeit von der auf das Werkzeug 5 tatsächlich ausgeübten Kraft Fa nachzuregeln, was durch einen einfachen Regelkreis (nicht dargestellt) erreicht werden kann, der als Regelgröße den hydrostatischen Fluidkammerdruck Pa und als Steuergröße die durch die jeweilige Werkzeugträgerkomponente 3 bzw. 4 auf das Werkzeug 5 ausgeübte Kraft Fa besitzt. Durch einen solchen Regelkreis lässt sich auch eine gegebenenfalls während des Umformprozesses erfolgende Druckabnahme in den Fluidkammern 8 kompensieren, da dann das Fluid über die Fluidkanäle 9 geregelt nachgeführt und der Druck in den Fluidkammern 8 bzw. die auf das Werkzeug 5 ausgeübte Kraft Fa konstant gehalten wird. Hierbei wird der Regelkreis vorzugsweise so eingestellt, dass die von der unteren Werkzeugträgermatrize 3b der oberen Werkzeugträgerkomponente 3 und die von der oberen Werkzeugträgermatrize 4a der unteren Werkzeugträgerkomponente 4 auf die jeweilige Werkzeughälfte 5a bzw. 5b ausgeübten Kräfte entgegengesetzt und gleich groß sind.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Fluidkammern 8 durch die in den jeweiligen Werkzeugträgermatrizen 3a, 3b, 4a und 4b vorhandenen, korrespondierenden und im wesentlichen formschlüssig ineinandergreifenden Kavitäten 13 bzw. kolbenartigen Vorsprünge 14 bewirkt weiterhin, dass bei einer relativen Bewegung der jeweiligen Werkzeugträgermatrizen 3a und 3b, bzw. 4a und 4b eine integrierte Führung gebildet wird, welche eine weitgehend definierte Bewegungsrichtung der Werkzeugträgermatrizen 3a, 3b, 4a und 4b gewährleistet, ohne dass hierzu weitere konstruktive Maßnahmen erforderlich sind, was ebenfalls zur Aufrechterhaltung des für einen störungsfreien Umformprozess erforderlichen Präzisionsformschlusses der Werkzeughälften 5a, 5b beiträgt.

Gemäß Fig. 5 ist eine alternative Ausführungsform einer Werkzeugträgerkomponente 19 mit einer oberen Werkzeugträgermatrize 19a und einer unteren Werkzeugträgermatrize 19b dargestellt, bei denen die kolbenartigen Vorsprünge der unteren Werkzeugträgermatrize 19b und die Kavitäten der oberen Werkzeugträgermatrize 19a so ausgebildet sind, dass im Eingriffzustand der Werkzeugträgermatrizen 19a, 19b eine durchgehende Fluidkammer 20 gebildet wird. Die Fluidkammer 20 ist über in jedem kolbenartigen Vorsprung angeordnete Fluidkanäle gleichmäßig von außen mit einem vorzugsweise inkompressiblen Hydraulikfluid beaufschlagbar. Eine Dichtung 22 ist hierbei nur in dem äußeren Randbereich der Werkzeugträgerkomponente 19 vorgesehen. Die Dichtung 22 kann beispielsweise in einer die gesamte Fluidkammer 20 umschließenden, umlaufenden Rille angeordnet sein. Somit kommt der gesamte von der Dichtung 22 umschlossene Bereich zwischen der oberen und der unteren Werkzeugträgerkomponente 19a, 19b als hydraulisch wirkende Fläche zum Einsatz. Die ineinandergreifenden kolbenartigen Vorsprünge und Kavitäten der Werkzeugträgerkomponenten 19a, 19b bewirken hierbei wiederum während der hydraulischen Beaufschlagung eine integrierte Führung der relativen Bewegung der beiden Werkzeugträgerkomponenten 19a, 19b.

Anhand von Figur 6 und 7 wird nun das der erfindungsgemäßen IHU-Vorrichtung bzw. dem Verfahren zugrunde liegende Prinzip näher erläutert.

Hierzu ist ein Ausschnitt 1' der IHU-Vorrichtung 1 aus Figur 1 ohne (Figur 6) bzw. mit (Figur 7) Beaufschlagung mittels hydrostatischem Druck dargestellt, wobei die der Figur 1 entsprechenden Elemente der IHU-Vorrichtung 1 mit gleichen Bezugsziffern dargestellt sind. Insbesondere sind in Figur 6 und 7 Ausschnitte 3', 4' der Werkzeugträgerkomponenten 3, 4 mit entsprechenden Ausschnitten 3a', 3b', 4a', 4b' der entsprechenden Werkzeugträgermatrizen 3a, 3b, 4a, 4b schematisch dargestellt, wobei die Ausschnitte so gewählt sind, dass jeweils eine Fluidkammer 8 mit einem zugehörigen Fluidkanal 9 dargestellt ist.

Zwischen den Ausschnitten 3', 4' der Werkzeugträgerkomponenten 3, 4 ist wiederum ein Werkzeug 5 mit oberen und unteren Werkzeughälften 5a, 5b dargestellt, wobei auch ein zu der Formkammer 6 in oben beschriebener Weise führender Fluidkanal 23 gezeigt ist.

In Figur 7 sind die Auswirkungen der Einbringung eines hydrostatischen Innendrucks Pi in die Formkammer 6 sowie eines hydrostatischen Fluidkammerdrucks Pa in die Fluidkammern 8 schematisch dargestellt. Der infolge der Beaufschlagung der Formkammer 6 über den Fluidkanal 23 in der Formkammer 6 erzeugte Innendruck Pi verteilt sich gleichmäßig auf die Umwandung der Formkammer 6 und führt zu einer nach außen gerichteten Kraft Fi auf die Werkzeughälften 5a, 5b, wie dies anhand der Doppelpfeile innerhalb der Formkammer 6 dargestellt ist.

Gleichzeitig verteilt sich der durch Beaufschlagung der Fluidkanäle 9 der unteren bzw. oberen Werkzeugträgerkomponente 3, 4 innerhalb der Fluidkammern 8 erzeugte hydrostatische Fluidkammerdruck Pa gleichmäßig auf die Umwandungen der Fluidkammern 8, was ebenfalls durch Doppelpfeile dargestellt ist. Hierbei ist sicherzustellen, dass die dem hydrostatischen Fluidkammerdruck Pa entsprechende Kraft Fa während des gesamten Umformprozesses stets größer oder gleich der dem hydrostatischen Innendruck Pi entsprechenden Kraft Fi ist, damit der notwendige Präzisionsformschluss der Werkzeughälften 5a, 5b gewährleistet bleibt.

Wie in Figur 7 schematisch dargestellt, treten elastische Verformungen der Werkzeugträgerkomponenten 3', 4' nur an den dem Werkzeug 5 abgewandten Seitenflächen des Werkzeugträgers 2' auf (hierbei ist der Zustand vor der elastischen Verformung gestrichelt dargestellt) und können sich somit nicht auf das zwischen den Werkzeugträgerkomponenten 3', 4' gelagerte Werkzeug 5 übertragen. Infolgedessen werden elastische Verformungen am Werkzeug 5 verhindert, so dass der zur Sicherstellung eines störungsfreien Umformprozesses erforderliche Präzisionsformschluss der Werkzeughälften 5a, 5b gewährleistet bleibt.

Falls bei einer Erhöhung des hydrostatischen Innendrucks Pi in der Formkammer 6 eine Erhöhung des hydrostatischen Fluidkammerdrucks Pa zur Aufrechterhaltung des Formschlusses zwischen den Werkzeughälften 5a, 5b erforderlich sein sollte, so führt der in den Fluidkammern 8 erfolgende dynamische Volumenausgleich zu einer Zunahme der elastischen Verformung an den dem Werkzeug 5 abgewandten Seitenflächen der Werkzeugträgerkomponenten 3', 4'. Der Präzisionsformschluss der Werkzeughälften 5a, 5b und damit die Dichtigkeit während des gesamten Umformprozesses werden folglich durch die elastischen Verformungen der Werkzeugträgerkomponenten 3', 4' nicht beeinträchtigt, da diese stattdessen nach außen hin, beispielsweise in einen Rahmen der IHU-Vorrichtung 1', abgeleitet werden.

Gemäß Fig. 8 ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen IHU-Vorrichtung schematisch dargestellt, in der ein Werkzeug 5' gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen ist. Die übrigen der IHU-Vorrichtung aus Fig. 6 entsprechenden Bauelemente sind mit entsprechenden Bezugsziffern gekennzeichnet.

Das Werkzeug 5' ist gemäß Fig. 8 so ausgebildet, daß in der Werkzeugtrennebene zwischen den beiden Werkzeughälften 5'a, 5'b des Werkzeugs 5' ein Formelement 5'c vorgesehen ist. Das Formelement 5'c kann beispielhaft die in Fig. 8 gezeigte Oberflächengeometrie oder auch eine beliebige andere Oberflächengeometrie, je nach gewünschter Oberflächengeometrie des jeweils umzuformenden Werkstücks, aufweisen. Das Formelement 5'c bildet mit jeder der Werkzeughälften 5'a, 5'b jeweils eine zur Formgebung an jeweils einem umzuformenden Werkstück (nicht dargestellt) mit einem hydrostatischen Innendruck Pi beaufschlagbare Formkammer 6'a bzw. 6'b aus.

Um eine druckdichte Lagerung des Formelementes 5'c zwischen den Werkzeughälften 5'a, 5'b zu erreichen, weisen vorzugsweise die Werkzeughälften 5'a, 5'b gemäß der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform jeweils endseitige, dem Formelement 5'c zugewandte Absätze auf, wobei zwischen diesen Absätzen und den dazu benachbarten Endabschnitten des Formelements 5'c jeweils Dichtungen (nicht dargestellt) vorgesehen sind. Hierbei wird die Umwandung jeder Formkammer 6'a, 6'b durch die an den Werkzeughälften 5'a, 5'b vorgesehenen endseitigen Absätze und die einander zugewandten Seitenflächen von der jeweiligen Werkzeughälfte 5'a, 5'b und dem Formelement 5'c gebildet.

Beide Formkammern 6'a, 6'b sind gemäß Fig. 8 analog zu der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform über Fluidkanäle 23a, 23b, die z.B. mit einer (nicht dargestellten) Hydraulikpumpe verbunden sind, mit einem hydraulischen Innendruck Pi beaufschlagbar.

Im Betrieb der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform wird die geöffnete IHU-Vorrichtung jeweils zwischen dem Formelement 5'c und der zugeordneten Werkzeughälfte 5'a bzw. 5'b mit einem umzuformenden Werkstück (nicht dargestellt) bestückt, woraufhin die beiden Werkzeughälften 5'a, 5'b mit dem Formelement 5'c an dessen Endabschnitten in Kontakt gebracht werden, so daß sich die Formkammern 6'a, 6'b ausbilden. Anschließend wird der Umformprozeß durch hydraulische Beaufschlagung der Formkammern 6'a, 6'b über die Fluidkanäle 23a, 23b analog zu der im Zusammenhang mit Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsform durchgeführt. Während dieses Umformprozesses wird, wie bereits oben beschrieben, durch hydraulische Beaufschlagung der Fluidkammern 8 ein den hydrostatischen Innendruck Pi in den Formkammern 6'a, 6'b kompensierender hydrostatischer Außendruck Pa in den Fluidkammern 8 erzeugt, so daß die erforderliche Werkzeugschließkraft der IHU-Vorrichtung gewährleistet ist.

Jede der Formkammern 6'a und 6'b wird bei Bestückung des Werkzeugs mit umzuformenden Werkstücken durch das jeweilige Werkstück in eine Druckkammer und eine Umformkammer unterteilt. Während die dem jeweiligen Fluidkanal 23a, 23b zugewandte Druckkammer mit dem hydrostatischen Innendruck Pi beaufschlagt wird, findet die Umformung in der auf der gegenüberliegenden Seite des Werkstücks befindlichen Unformkammer statt.

Außerdem weist das Formelement 5'c vorzugsweise (nicht dargestellte) Austrittsöffnungen auf.

Das Formelement 5'c selbst ist vorzugsweise an dem Rahmen befestigt, welcher auch den Werkzeugträger 2 trägt.

Damit sich zu beiden Seiten des Formelementes 5'c in den Formkammern 6'a und 6'b durch hydraulische Beaufschlagung in einfacher Weise identische hydrostatische Druckverhältnisse herstellen lassen, ist das Formelement 5'c in Bezug auf die Werkzeugtrennebene spiegelsymmetrisch aufgebaut, so daß sich in ihrer Geometrie übereinstimmende Formkammern 6'a, 6'b ausbilden können. In diesem Falle können beide Formkammern 6'a,6'b in einfacher Weise mit identischem hydrostatischen Innendruck Pi beaufschlagt werden, so daß in einem einzigen Herstellungsschritt zwei übereinstimmende Bauteile geformt werden.

Wie aus Fig. 9 ersichtlich, lassen sich mit der erfindungsgemäßen IHU-Vorrichtung auch die Fluidkammern mehrerer Werkzeugträgerkomponenten in einem Verbund nebeneinanderschalten, wodurch Vorrichtungen mit beachtlichen Bauraumgrößen von vielen Metern Länge und hohen Zuhaltekräften erhalten werden.

In Fig. 9 ist der Werkzeugträger 2 aus Fig. 1 in einem Verbund mit einem weiteren, identisch aufgebauten Werkzeugträger 24 mit Werkzeugträgerkomponenten 25, 26 dargestellt, wobei jeder der Werkzeugträger 2, 24 in einem Rahmen 27 bzw. 28 montiert ist. Hierbei sind die unteren Werkzeugträgerkomponenten 4 bzw. 26 der Werkzeugträger 2, 24 vorzugsweise jeweils in einen Aufspanntisch (Pressentisch) integriert.

Jeder der Rahmen 27 bzw. 28 ist aus an vertikalen Lamellen 29 bzw. 30 befestigten horizontalen Verbindungsstangen 31 bzw. 32 aufgebaut, wobei die Lamellen 29, 30 und die Verbindungsstangen 31, 32 z.B. aus Stahl gefertigt sein können. Die Werkzeugträgerkomponenten 3 und 4 bzw. 25 und 26 der Werkzeugträger 2 und 24 sind wiederum an den vertikalen Lamellen 29 bzw. 30 in vertikaler Richtung über nicht dargestellte Führungen beweglich und in einer beliebigen Position arretierbar geführt und im übrigen entsprechend den Werkzeugträgerkomponenten 3 und 4 der in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform aufgebaut.

Die beiden Rahmen 27 und 28 sind so benachbart zueinander aufgestellt, dass die jeweils darin aufgenommenen Werkzeugträgerkomponenten 3 und 25 bzw. 4 und 26 jeweils benachbart zueinander angeordnet sind. Die beiden Werkzeugträger 2 und 24 bilden insofern eine funktionelle Einheit, als sie einen durchgehenden Werkzeugträger mit entsprechend vergrößerter horizontaler Querschnittsfläche ausbilden. Auf diese Weise wird ein IHU-Vorrichtungsverbund aus einzelnen, eine funktionelle Einheit bildenden IHU-Vorrichtungen geschaffen.

In dem so gebildeten IHU-Vorrichtungsverbund der beiden Werkzeugträger 2 und 24 ist wiederum ein in Werkzeughälften 33a, 33b geteiltes Werkzeug 33 aufgenommen, wobei die Werkzeughälften 33a, 33b eine Formkammer 34 ausbilden, die über eine zu einer schematisch angedeuteten Hydraulikpumpe 35 führende Fluidleitung 36 mit dem hydrostatischen Innendruck Pi beaufschlagbar ist. Die Hydraulikpumpe 35 dient in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls zur Beaufschlagung der Fluidkammern 8 mit dem hydrostatischen Fluidkammerdruck Pa. Das Werkzeug 33 kann bei dem in Fig. 9 dargestellten Verbund von Werkzeugträgern 2, 24 ebenso wie die darin ausgebildete Formkammer 34 relativ zu dem einzelnen Werkzeugträger 2 eine vergrößerte Querschnittsfläche parallel zu den horizontalen Verbindungsstangen 31, 32 aufweisen, so dass sich nunmehr auch entsprechend größere Blechgeometrien bearbeiten lassen.

Die einzelnen Formkammern bzw. die daran angeschlossenen Fluidkanäle können aus verschiedenen oder auch aus einer gemeinsamen Druckquelle (z.B. Hydraulikpumpe) mit dem notwendigen hydrostatischen Innendruck beaufschlagt werden. Ferner lassen sich diese Formkammern und die zur Erzeugung der notwenigen Zuhaltekraft Fa im Werkzeugträger 2 vorgesehenen Fluidkammern 8 aus der gleichen Druckquelle mit einem einheitlichen Druck beaufschlagen, wodurch wiederum sichergestellt ist, daß infolge der größeren Wirkflächen der Werkzeugträgermatrizen 3b, 3b' bzw. 4a, 4a' die Zuhaltekraft Fa immer größer als die in den Formkammern wirkende Kraft Fi ist. Es können jedoch auch separate Druckquellen zur Beaufschlagung der Formkammern und der Fluidkammern 8 verwendet werden.

Claims

Vorrichtung zur Innenhochdruckumformung, umfassend

wenigstens ein Werkzeug (5,5'), welches längs einer Werkzeugtrennebene in zwei Werkzeughälften (5a,5b) geteilt ist, wobei die beiden Werkzeughälften (5a,5b) wenigstens eine mit einem hydrostatischen Innendruck (Pi) zur Formgebung an einem umzuformenden Werkstück (7) beaufschlagbare Formkammer (6) ausbilden,

einen Werkzeugträger (2), welcher für jede Werkzeughälfte (5a,5b) wenigstens eine dieser Werkzeughälfte (5a,5b) zugeordnete Werkzeugträgerkomponente (3,4) aufweist,

wobei jedem Paar aus Werkzeugträgerkomponente (3,4) und Werkzeughälfte (5a,5b) wenigstens eine Fluidkammer (8) zugeordnet ist, die aus einer Kolbenkomponente und einer Kolbenaufnahmekomponente gebildet wird, und

wobei Mittel zum Erzeugen eines zum hydrostatischen Innendruck (Pi) mindestens gleich großen, hydrostatischen Fluidkammerdrucks (Pa) in jeder der Fluidkammern (8), der unter Kompensation des hydrostatischen Innendrucks (Pi) eine Werkzeugschließkraft auf die beiden Werkzeughälften (5a,5b) ausübt, vorgesehen sind,

dadurch gekennzeichnet, dass auf gegenüberliegenden Seiten des Werkzeugs (5) jeweils eine Mehrzahl benachbart angeordneter Fluidkammern (8) vorgesehen sind, und die Mittel zum Erzeugen des hydrostatischen Fluidkammerdrucks (Pa) so ausgestaltet sind, dass die Fluidkammern (8) partiell oder gemeinsam mit gleichem oder unterschiedlichem Fluidkammerdruck (Pa) beaufschlagbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Paar aus Kolbenkomponente und zugehöriger Kolbenaufnahmekomponente durch eine Werkzeugträgerkomponente (3,4) und die zugeordnete Werkzeughälfte (5a,5b) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Paar aus Kolbenkomponente und zugehöriger Kolbenaufnahmekomponente durch zwei Werkzeugträgermatrizen (3a,3b,4a,4b) der jeweiligen Werkzeugträgerkomponente (3,4) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei bei wenigstens einer Werkzeugträgerkomponente (3,4) die eine zugehörige Werkzeugträgermatrize (3a,4b) zur Ausbildung der Kolbenkomponente mit kolbenartigen Vorsprüngen (14) und die andere Werkzeugträgermatrize (3b,4a) mit hierzu korrespondierenden Kavitäten (13) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei jedes Paar von Kavitäten (13) bzw. kolbenartigen Vorsprüngen (14) jeweils eine Fluidkammer (8) einschließt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Mittel zur Führung der Werkzeugträgerkomponenten (3,4) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils zwei verschiedenen Werkzeughälften (5a,5b) zugeordnete Fluidkammern (8) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Paar aus Kolbenkomponente und zugehöriger Kolbenaufnahmekomponente jeweils eine jede Fluidkammer (8) druckdicht abdichtende Dichteinheit bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Fluidkammern (8) senkrecht zur Kolbenachse jeweils einen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Fluidkammern (8) senkrecht zur Kolbenachse jeweils einen dreieckigen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Erzeugen des hydrostatischen Fluidkammerdrucks (Pa) so ausgestaltet sind, dass der in den einander gegenüberliegenden Fluidkammern (8) erzeugte Fluidkammerdruck (Pa) jeweils identisch ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Erzeugen des Fluidkammerdrucks (Pa) so ausgestaltet sind, dass die durch den Fluidkammerdruck (Pa) auf die beiden Werkzeughälften (5a,5b) ausgeübten Kräfte entgegengesetzt und gleich groß sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Regelkreis zum Regeln des hydrostatischen Fluidkammerdrucks (Pa) in Abhängigkeit von der auf die jeweilige Werkzeughälfte (5a,5b) ausgeübten Kraft vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Werkzeugträger (2) in einen Aufspanntisch zum Einspannen der Werkzeughälften (5a, 5b) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Werkzeugtrennebene zwischen den beiden Werkzeughälften (5'a,5'b) des Werkzeugs (5') ein Formelement (5'c) vorgesehen ist, welches mit jeder der Werkzeughälften (5'a,5'b) jeweils eine zur Formgebung an jeweils einem umzuformenden Werkstück mit einem hydrostatischen Innendruck beaufschlagbare Formkammer (6'a,6'b) ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Formelement (5'c) in Bezug auf die Werkzeugtrennebene spiegelsymmetrisch aufgebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Formelement (5'c) zwischen den Werkzeughälften (5'a,5'b) an einem den Werkzeugträger (2) tragenden Rahmen befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Formelement (5'c) von den Werkzeughälften (5'a,5'b) druckdicht umfaßt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Formelement (5'c) zwischen den beiden Werkzeughälften (5'a, 5'b) schwimmend gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei eine Mehrzahl von Werkzeugen (5) in zur Werkzeugtrennebene senkrechter Richtung benachbart angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei in der Werkzeugtrennebene von wenigstens einem der Werkzeuge (5) zwischen den jeweiligen Werkzeughälften (5'a,5'b) ein Formelement (5'c) vorgesehen ist, welches mit jeder der jeweiligen Werkzeughälften (5'a,5'b) jeweils eine zur Formgebung an jeweils einem umzuformenden Werkstück mit einem hydrostatischen Innendruck beaufschlagbare Formkammer (6'a,6'b) ausbildet.
IHU-Vorrichtungsverbund, umfassend wenigstens zwei eine funktionelle Einheit bildende Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 21.
Verfahren zur Innenhochdruckumformung, wobei in wenigstens einem längs einer Werkzeugtrennebene in zwei Werkzeughälften (5a,5b) geteilten Werkzeug (5) wenigstens eine von den Werkzeughälften (5a,5b) ausgebildete Formkammer (6) zur Formgebung an einem umzuformenden Werkstück (7) mit einem hydrostatischen Innendruck (Pi) beaufschlagt wird und wobei in aus einer Kolbenkomponente und einer Kolbenaufnahmekomponente gebildeten, jeweils einer der Werkzeughälften (5a,5b) zugeordneten Fluidkammern (8) jeweils ein zum Innendruck (Pi) mindestens gleich großer hydrostatischer Fluidkammerdruck (Pa) erzeugt wird, der unter Kompensation des hydrostatischen Innendrucks (Pi) eine Werkzeugschließkraft auf die beiden Werkzeughälften (5a,5b) ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass auf gegenüberliegenden Seiten des Werkzeugs (5) jeweils eine Mehrzahl benachbart angeordneter Fluidkammern (8) partiell oder gemeinsam mit gleichem oder unterschiedlichem Fluidkammerdruck (Pa) beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der hydrostatische Fluidkammerdruck (Pa) in Abhängigkeit von der Kraft geregelt wird, welche durch die Fluidkammer (8) auf die jeweilige Werkzeughälfte (5a,5b) ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, wobei in dem Werkzeug (5') zwei einander gegenüberliegend angeordnete Formkammern (6'a, 6'b), die jeweils von je einer der Werkzeughälften (5'a,5'b) mit einem in der Werkzeugtrennebene zwischen den beiden Werkzeughälften (5'a,5'b) des Werkzeugs (5') angeordneten Formelement (5'c) ausgebildet werden, gleichzeitig mit einem hydrostatischen Innendruck beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Formelement (5'c) in Bezug auf die Werkzeugtrennebene spiegelsymmetrisch angeordnet wird und die beiden Formkammern (6'a,6'b) zur Ausbildung zweier identischer Bauelemente aus jeweils umzuformenden Werkstücken gleichzeitig mit identischem hydrostatischen Innendruck (Pi) beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei in einer Mehrzahl von senkrecht zur jeweiligen Werkzeugtrennebene benachbart angeordneten Werkzeugen (5) mit in der jeweiligen Werkzeugtrennebene zwischen den jeweiligen Werkzeughälften (5'a,5'b) vorgesehenen Formelementen (5'c) eine Mehrzahl von Formkammern, die jeweils von je einer der Werkzeughälften (5'a, 5'b) mit einem der Formelemente (5'c) ausgebildet werden, gleichzeitig mit einem hydrostatischen Innendruck beaufschlagt werden.