EP2259883A1 - Verfahren zur materialflusssteuerung beim tiefziehen eines werkstücks und tiefziehvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur materialflusssteuerung beim tiefziehen eines werkstücks und tiefziehvorrichtung

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EP2259883A1 EP09730365A EP09730365A EP2259883A1 EP 2259883 A1 EP2259883 A1 EP 2259883A1 EP 09730365 A EP09730365 A EP 09730365A EP 09730365 A EP09730365 A EP 09730365A EP 2259883 A1 EP2259883 A1 EP 2259883A1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialflusssteuerung beim Tiefziehen eines Werkstücks. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem das Ziehvermögen eines Werkstücks besser ausgenutzt und eine bessere Formgenauigkeit, insbesondere des Bodens des Ziehteils erreicht werden kann. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem der Tiefziehvorgang inkrementell vorgenommen wird, und bei dem vor jedem Tiefziehvorgangsinkrement mindestens eine Sicke in den Flanschbereich des Werkstücks eingearbeitet wird. Dadurch kann die Formgenauigkeit des Bodens verbessert und Materialstaus im Flanschbereich können vermieden werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Tiefziehvorrichtung (2).

Description

31. März 2009
Verfahren zur Materialflusssteuerung beim Tiefziehen eines Werkstücks und Tiefziehvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Materialflusssteuerung beim Tiefziehen eines Werkstücks. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Tiefziehvorrichtung mit einem Tiefziehgesenk, welches einen Führungsabschnitt und einen Formabschnitt aufweist, mit einem Niederhalter, welches die Positionierung des Werkstücks während des Tiefziehvorgangs auf dem Führungsabschnitt unterstützt, und mit einem Tiefziehstempel, welcher die zum Tiefziehen erforderliche Kraft ausübt .
Verfahren der eingangs genannten Art sind bereits bekannt. Problematisch bei diesen Verfahren ist, dass sich während des Tiefziehvorgangs in den Flanschbereichen des Werkstücks ein Materialstau ausbilden kann. Dies führt gegebenenfalls dazu, dass der Materialfluss aus dem Flanschbereich des Werkstücks verringert oder sogar unterbunden wird, so dass das Material aus den bereits tiefgezogenen Bereichen, beispielsweise der Zarge oder dem Boden, bei fortgesetztem Tiefziehvorgang ausdünnt und somit die Gefahr eines Risses in diesen Bereichen gegeben ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Ziehtiefe sehr groß ist oder wenn das Werkstück zu einem Ziehteil mit stärker gekrümmten Bereichen wie beispielsweise Ecken tiefgezogen werden soll.
Andererseits kann durch ein während des Tiefziehvorgangs auftretendes Abschnüren des Bodenbereichs des Ziehteils von der Zarge die Formgenauigkeit des Bodens beeinträchtigt werden. Denn bei der Ausbildung der Bodenstrukturen sind in diesem Fall kaum Bereiche vorgestreckten Materials vorhanden. Dies kann sich insbesondere dann nachteilig auswirken, wenn die Bodenfläche deutlich kleiner als die Zargenfläche ist.
Um Reisser zu vermeiden, können Werkstücke verwendet werden', deren Durchmesser den durch das jeweilige Grenzziehverhältnis bezogen auf ein Napfchen-Tiefziehversuch vorgegebenen maximalen Durchmesser nicht überschreiten. Allerdings kann das Tiefziehverfahren dann nur zur Herstellung von Ziehteilen in bestimmten Größenbereichen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind die Flanschbereiche des Werkstücks vergleichsweise schmal, so dass während des Tiefziehvorgangs eine erhöhte Sorgfalt aufzuwenden ist. Zur Bruchvermeidung ist es ferner möglich, den Tiefziehvorgang in mehreren Schritten durchzuführen, während derer der Querschnitt des
Tiefziehstempels sukzessive verringert wird. Auf diese Weise kann die durch das Grenzziehverhältnis vorgegebene Bedingung auch bei der Verwendung von Werkstücken mit großen Durchmessern länger eingehalten werden. Allerdings wird durch diese Vorgehensweise der Werkzeugaufwand erhöht. Weiterhin verlängert sich die Taktzeit bei der Fertigung, wodurch die Effizienz des Verfahrens gemindert wird. Das Nachfließen des Materials aus dem Flanschbereich in die tiefgezogenen Bereiche zu erleichtern, indem die den Fließvorgang grundsätzlich hemmende Reibung des Werkstücks an dem Tiefziehgesenk und/oder Niederhalter durch den Einsatz von Schmiermitteln verringert wird, kann eine korrekte Prozessführung zwar unterstützen, jedoch nicht vollständig gewährleisten. Darüber hinaus sind beim Einsatz von Schmiermitteln zusätzliche Reinigungsmaßnahmen an dem Ziehteil und an den
Tiefziehwerkzeugen erforderlich. Im Flanschbereich des Werkstücks kann die Fließrichtung des Materials während des
ZI/jb 070737WO 31. März 2009 Tiefziehvorgangs durch entsprechend angeordnete Bremswülste über einen bestimmten Abschnitt gebremst werden. Dadurch kann das Material des Werkstücks schon vor dem eigentlichen Tiefziehvorgang abgestreckt werden. Allerdings wird durch diese Vorgehensweise lediglich die Gleichmäßigkeit einer Abstreckung des Materials erreicht. Die Vergrößerung des Einlaufradius des Werkstücks von dem Führungsabschnitt in den Formabschnitt des Tiefziehgesenks ist ebenfalls nicht gegeben. Dies kann zu unerwünschter Faltenbildung an dem Ziehteil führen.
Gemäß der Patentschrift EP 1 526 931 Bl wird eine Materialflusssteuerung beim Tiefziehen von Blechen durch das Prägen einer Z-förmigen Absperrstufe in den Blechrand vorgenommen, welche den Materialfluss hemmt. Im Laufe des
Tiefziehvorgangs wird die Absperrstufe wieder reduziert, so dass der Materialfluss vom Flanschbereich in das Gesenk hinein erleichtert wird. Allerdings sind für diese Vorgehensweise eine zusätzliche Umlenkung des Materials und dementsprechend aufwändige Werkzeuge, welche hohe Zusatzkräfte ausüben müssen, erforderlich. Darüber hinaus wird durch die ümlenkung die Reibung erhöht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchem bzw. mit welcher das Ziehvermögen eines Werkstücks besser ausgenutzt und eine bessere Formgenauigkeit, insbesondere des Bodens des Ziehteils erreicht werden kann.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Materialflusssteuerung beim Tiefziehen eines Werkstücks gelöst, bei dem der
ZI/jb 070737WO 31. März 2009 Tiefziehvorgang inkrementell vorgenommen wird, und bei dem vor jedem Tiefziehvorgangsinkrement mindestens eine Sicke in den Flanschbereich des Werkstücks eingearbeitet wird.
Durch diese Vorgehensweise kann die Formgenauigkeit des
Ziehteils verbessert werden. Denn durch das Einarbeiten der Sicke wird zunächst eine Vorstreckung der Bodenbereiche erreicht, welche die im Zuge des auf das Einarbeiten der Sicke folgenden Tiefziehvorgangsinkrements erfolgende Wechselwirkung des Tiefziehstempels mit dem Bodenbereich begünstigt. Darüber hinaus kann mehr Material aus dem Flanschbereich des Werkstücks durch die Heranführung an die Zarge in die Zarge nachfließen. Dadurch wird die Gefahr eines Materialbruchs, beispielsweise im Bereich der Zarge oder des Bodens, welcher insbesondere durch einen Materialstau verursacht werden kann, verringert. Somit ist es möglich, mit vorgegebenen Werkstücken eine Ziehtiefe zu erreichen, welche insbesondere bis um den Faktor 2,5 über die durch das bekannte Grenzziehverhältnis vorgegebene Ziehtiefe hinausgeht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Sicke lediglich im Bereich zu formender Ecken des Werkstücks eingearbeitet. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren effizienter umgesetzt werden. Denn grundsätzlich tritt die Gefahr eines Materialstaus lediglich in stärker gekrümmten Bereichen wie beispielsweise Ecken verstärkt auf. In weitgehend geradlinig verlaufenden Bereichen eines Ziehteils hingegen, beispielsweise an der langen Seite eines rechteckigen Kastens, kann das Fließverhalten des Materials auch ohne das zusätzliche Vorsehen einer Sicke ausreichend sein, um ein befriedigendes Tiefziehergebnis zu erzielen. Auf
ZI/jb 070737WO 31. März 2009 diese Weise kann insbesondere der Werkzeug- und Prozessaufwand verringert werden.
Weiterhin kann durch das auf die Einarbeitung der Sicke folgende Tiefziehvorgangsinkrement die Sicke teilweise oder vollständig wieder herausgeformt werden. Auf diese Weise werden das Tiefziehvorgangsinkrement und das Einarbeiten der Sicke optimal aufeinander abgestimmt. Dadurch wird sichergestellt, dass jeder Materialabschnitt wenigstens einmal einer durch das Einarbeiten der Sicke bewirkten Vorstreckung unterzogen wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Sicke mit abgerundeten Konturen eingearbeitet. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren für die Anwendung auf Werkstücke aus empfindlichen Materialien tauglich gemacht werden. Denn durch die Abrundung der Konturen wird das Fließverhalten des Materials schonend modifiziert. Materialbeeinträchtigungen durch scharfwinklige Konturen werden somit vermieden.
Vorzugsweise wird die Sicke mit zur Tiefziehrichtung parallel und/oder geneigt verlaufenden Wänden eingearbeitet. Dadurch wird die durch das Einarbeiten der Sicke bewirkte Vorstreckung vorteilhaft im Wesentlichen in die Tiefziehrichtung vorgenommen. Dadurch lässt sich die Prozessführung des auf das Einarbeiten der Sicke folgenden Tiefziehvorgangsinkrements verbessern.
Gemäß einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe auch durch eine Tiefziehvorrichtung, welche insbesondere zur Ausführung eines wie zuvor beschriebenen
ZI/jb 070737WO 31. März 2009 Verfahrens geeignet ist, mit einem Tiefziehgesenk, welches einen Führungsabschnitt und einen Formabschnitt aufweist, mit einem Niederhalter, welches die Positionierung des Werkstücks während des Tiefziehvorgangs auf dem Führungsabschnitt unterstützt, und mit einem Tiefziehstempel, welcher die zum Tiefziehen erforderliche Kraft ausübt, gelöst, wobei ein unabhängig betreibbarer Sickenstempel vorgesehen ist, dessen Kontur an die Kontur des Führungsabschnitts angepasst ist.
Mittels des unabhängig betreibbaren Sickenstempels können die Sicken in den Flanschbereich des Werkstücks eingearbeitet werden, ohne dass ein an den Tiefziehstempel, an das Tiefziehgesenk und/oder an den Niederhalter gekoppelten Antrieb zum Einsatz kommen muss. Auf diese Weise lässt sich der Betrieb des Sickenstempels sehr flexibel auf den Betrieb der anderen Komponenten der Vorrichtung abstimmen. Dies erleichtert insbesondere die Prozessführung des Tiefziehvorgangs .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Tiefziehvorrichtung weist der Sickenstempel zwei oder mehrere Vorsprünge auf. In dem Führungsabschnitt des Tiefziehgesenks sind den Vorsprüngen gegenüber dann zwei oder mehrere Vertiefungen angeordnet, in welche die Vorsprünge bei Betätigung des Sickenstempels einführbar sind. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln mehr als eine Sicke in das Material im Flanschbereich des Werkstücks eingearbeitet werden.
Hinsichtlich weiterer Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
ZI/jb 070737WO 31. März 2009 Es gibt nun vielfältige Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. la-g ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer schematisch abgebildeten, erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsansicht.
Fig. Ia zeigt einen Abschnitt einer Tiefziehvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Querschnittsdarstellung. Die Tiefziehvorrichtung 2 umfasst einen Tiefziehstempel 4, ein Tiefziehgesenk 6, dessen
Formabschnitt 8 an den Tiefziehstempel 4 angepasst ist, ein Niederhalter 10 und einen unabhängig betreibbaren Sickenstempel 12. Der Sickenstempel 12 weist an seiner dem Führungsabschnitt 14 des Tiefziehgesenks 6 zugewandten Seite zwei Vorsprünge 16 auf, welche in zwei an dem
Führungsabschnitt 14 angeordnete Vertiefungen 18 eingeführt werden können. In diesem Beispiel weisen sowohl beide Vertiefungen 18 als auch beide Vorsprünge 16 jeweils die gleiche Kontur auf. Allerdings können die Konturen bei mehreren Vertiefungen 18 bzw. Vorsprüngen 16 auch untereinander unterschiedlich gestaltet werden, wenn es zweckmäßig ist. Es ist natürlich auch möglich, lediglich eine einzelne Vertiefung 18 vorzusehen, an welche der Sickenstempel 12 dann entsprechend angepasst ist.
Der einzige Niederhalter 10 ist in diesem Beispiel auf der von dem Tiefziehstempel 4 abgewandten Seite des Sickenstempels 12
ZI/jb 070737WO 31. März 2009 angeordnet. Es ist aber auch denkbar, mehrere Niderhalter 10 vorzusehen, wobei eines beispielsweise zwischen Tiefziehstempel 4 und Sickenstempel 12 angeordnet wird. Sollten mehrere separate Sickenstempel 12 vorhanden sein, können Niederhalter 10 auch zwischen den Sickenstempeln 12 angeordnet sein. Die Vertiefungen 18 in dem Führungsabschnitt 14 des Tiefziehgesenks 6 weisen eine gegen die
Tiefziehrichtung geneigt verlaufende Wandfläche auf, welche in diesem Beispiel auf der von dem Tiefziehstempel 4 weiter beabstandeten Seite der Vertiefung 18 angeordnet ist, wohingegen die auf der dem Tiefziehstempel 4 näheren Seite der Vertiefung 18 angeordneten Wandflächen zur Tiefziehrichtung im Wesentlichen parallel verlaufen. Grundsätzlich ist aber auch eine andere Kontur denkbar.
In der in Fig. Ia gezeigten Position ist ein Werkstück 20, beispielsweise eine Stahlronde in der Tiefziehvorrichtung 2 zwischen dem Führungsabschnitt 14 des Tiefziehgesenks 6 auf der einen Seite und dem Sickenstempel 12 sowie dem Niederhalter 10 auf der anderen Seite angeordnet. Der
Sickenstempel 12 befindet sich dabei in einer gehobenen Position, wohingegen der Niederhalter 10 bereits auf dem Werkstück 20 unter leichtem Druck anliegt. Der Tiefziehstempel 4 befindet sich in einer solchen Position über dem Tiefziehgesenk 6, dass er vorzugsweise in leichtem Kontakt mit dem Werkstück 20 steht.
Fig. Ib zeigt nun in einem ersten Schritt, wie die Sicken 22 in den Flanschbereich des Werkstücks 20 eingearbeitet werden. Der Sickenstempel 12 wird unabhängig von den anderen Komponenten 4, 6, 10 auf den Führungsabschnitt 14 herabgefahren. Durch das Einführen der Vorsprünge 16 in die an
ZI/jb 070737WO 31. März 2009 dem Führungsabschnitt 14 angeordneten Vertiefungen 18 werden zwei Sicken 22 in das Werkstück 20 eingearbeitet. Dadurch wird eine vorteilhafte Vorstreckung des Werkstücks 20 bewirkt, denn das Material fließt den Sicken 22 einerseits aus dem äußeren Teil des Flanschbereichs andererseits aus dem zwischen
Tiefziehstempel 4 und Tiefziehgesenk 6 angeordneten Bereich des Werkstücks 20, welcher zumindest teilweise für die Ausbildung des Bodens verwendet wird, zu. Ferner wird das Material durch das Einarbeiten der Sicken 22 für das folgende Tiefziehvorgangsinkrement vorbereitet. In dieser einfach gehaltenen schematischen Darstellung und im Folgenden wird eine etwaige Dickenänderung des Werkstücks 20 der Übersichtlichkeit halber nicht abgebildet.
Nach dem Einarbeiten der Sicken 22 wird der Sickenstempel 12 wieder in die gehobene Position gebracht, so dass er sich vorzugsweise nicht mehr in der Ebene des Werkstücks 20 befindet .
Fig. Ic zeigt das erste Tiefziehvorgangsinkrement . Der
Tiefziehstempel 4 wird um eine bestimmte Distanz in Richtung auf den Formabschnitt 8 des Tiefziehgesenks 6 zu bewegt. Dabei wird das Werkstück 20 von dem Tiefziehstempel 4 erfasst und um die entsprechende Distanz in den Formabschnitt 8 hineingezogen. In diesem Beispiel ist die Distanz gerade so bemessen, dass das zur Bildung der dem Tiefziehstempel 4 näheren Sicke 22 aufgewendete Material vollständig für das Tiefziehvorgangsinkrement aufgewendet wird. Im Ergebnis wird die besagte Sicke 22 aus dem Werkstück 20 weitgehend wieder herausgeformt. Auf diese Weise kann das Material sowohl in weitgehend geradlinigen als auch in stärker gekrümmten Bereichen, beispielsweise an Ecken, gut nachfließen. Ein
ZI/jb 070737WO 31. März 2009 Materialstau im Flanschbereich wird so im Wesentlichen vermieden. Nach der Bewegung verharrt der Tiefziehstempel 4 in der in Fig. Ic gezeigten Position.
Fig. Id zeigt, wie ein weiteres Mal der Sickenstempel 12 unabhängig von den anderen Komponenten 4, 6, 10 der Tiefziehvorrichtung 2 betätigt wird und die Sicken 22 in den verbleibenden Flanschbereich des Werkstücks 20 eingearbeitet werden. Dabei wird das Material den Sicken 22 im Wesentlichen aus dem äußeren Teil des Flansches zugeführt. Nach der
Betätigung wird der Sickenstempel 12 wieder in die gehobene Position gebracht.
Fig. Ie zeigt das nächste Tiefziehvorgangsinkrement . Der Tiefziehstempel 4 wird weiter in Richtung auf den
Formabschnitt 8 zu gefahren. Die dem Tiefziehstempel 4 nähere Sicke 22 wird dabei wieder nahezu herausgeformt. Der Tiefziehstempel 4 verharrt in der gezeigten Position.
Fig. If zeigt die nächste Betätigung des Sickenstempels 12. Der Flanschbereich ist durch den Tiefziehvorgang so schmal geworden, dass nur noch eine Sicke 22 eingearbeitet werden kann.
Fig. Ig zeigt das letzte Tiefziehvorgangsinkrement . Der
Tiefziehstempel 4 wird in diesem Beispiel bis zum Anschlag an den Formabschnitt 8 des Tiefziehgesenks 6 gefahren. Das Werkstück 20 wird dadurch nahezu vollständig aus dem Bereich zwischen Führungsabschnitt 14 und Sickenstempel 12 herausgezogen. Der Tiefziehvorgang ist damit beendet. Der
Tiefziehstempel 4 kann nun angehoben werden, um das fertige Ziehteil aus dem Tiefziehgesenk 6 zu entfernen.
ZI/jb 070737WO 31. März 2009

Claims

31. März 2009P a te n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Materialflusssteuerung beim Tiefziehen eines Werkstücks , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Tief ziehvorgang inkrementell vorgenommen wird, und dass vor jedem Tiefziehvorgangsinkrement mindestens eine Sicke in den Flanschbereich des Werkstücks eingearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Sicke lediglich im Bereich zu formender Ecken des Werkstücks eingearbeitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s durch das auf die Einarbeitung der Sicke folgende Tiefziehvorgangsinkrement die Sicke teilweise oder vollständig wieder herausgeformt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Sicke mit abgerundeten Konturen eingearbeitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Sicke mit zur Tiefziehrichtung parallel und/oder geneigt verlaufenden Wänden eingearbeitet wird.
6. Tiefziehvorrichtung (2), insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Tiefziehgesenk (6), welches einen Führungsabschnitt (14) und einen Formabschnitt (8) aufweist, mit einem Niederhalter (10), welcher die Positionierung des Werkstücks (20) während des Tiefziehvorgangs auf dem Führungsabschnitt (14) unterstützt, und mit einem Tiefziehstempel (4), welcher die zum Tiefziehen erforderliche Kraft ausübt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s ein unabhängig betreibbarer Sickenstempel (12) vorgesehen ist, dessen Kontur an die Kontur des Führungsabschnitts (14) angepasst ist.
7. Tief ziehvorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Sickenstempel (12) zwei oder mehrere Vorsprünge (16) aufweist .
ZI/jb 070737WO 31. März 2009
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