WO2008148826A1 - Formverfahren sowie insbesondere magnetorheologisches schmiermittel und vorrichtung hierfür - Google Patents

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forming
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Holger Böse
Piet WÖLCKEN
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Eads Deutschland Gmbh
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    • Y10S72/00—Metal deforming
    • Y10S72/707—Magnetism

Definitions

  • the invention relates to a molding method in which a material of a workpiece is formed by means of at least one molding tool, wherein between the material and the at least one molding tool, a lubricant is used. Furthermore, the invention relates to a lubricant which can be used in such a method and to an apparatus for carrying out such a method.
  • the object of the invention is to improve a molding method of the type mentioned in such a way that a larger variety of shapes with improved qualities can be achieved.
  • a material of a workpiece is formed by means of at least one molding tool.
  • a lubricant is inserted between the material and the at least one mold whose viscosity is variable by applying or changing a field.
  • the lubricant has, for example, electrorheological and / or magnetorheological properties, i. its viscosity is e.g. changed by the application of an electric or magnetic field.
  • the molding process is a metal forming process wherein the material is a metal.
  • the invention is suitable for cold forming processes in which the metal is reformed without the introduction of additional heat.
  • a magnetorheological fluid is particularly preferably used.
  • Magnetorheological fluids are known, for example, from "Magnetorheological fluids for adaptive engine mounts", Fraunhofer ISC Annual Report 2004, p.24 for use in adaptable engine mounts for vibration damping of engine vibrations on vehicles.However, the invention is a completely different technical field, namely, molding processes.
  • the molding method according to the invention is in a preferred embodiment, for example, a sheet metal forming process.
  • the lubricant becomes used with influenced by a field viscosity in a forming process.
  • a method with locally greatly varying coefficients of friction requirements such as, for example, Incremental Sheet Forming (IBU).
  • IBU Incremental Sheet Forming
  • Incremental sheet metal transformations which can be developed according to the invention, are described, for example, in the publication "D-Editing: Flexible Forming of thin sheet without counterform ", Fraunhofer Institute for Production Engineering and Automation - Robot Systems, R + R 05.04 / 10.05, October 2005 and in the publication” hammering into the bottomless "in” Interactive - Fraunhofer IPA ", No.
  • variable viscosity can also be used for example for better removal of the lubricant after the molding process, wherein after the forming process, the viscosity is changed by applying or changing a field in order to remove the lubricant better.
  • a lubricant with a viscosity that can be influenced by a field, but especially during the forming process, offers particular advantages.
  • metal forming and in particular in incremental forming processes it is often desirable to locally influence the coefficient of friction in order to optimize the process.
  • a particularly preferred embodiment of the invention is characterized by applying and / or changing an influencing the viscosity of the lubricant electric or magnetic field to the lubricant for influencing the deformation.
  • the field may be a single field, for example, a locally differently shaped field, or several locally defined and / or overlapping fields may be used.
  • the field or one of several fields may be generated externally outside of the at least one molding tool.
  • one is not limited by the geometry of the molding tool. For example, so superconducting magnets can be used for particularly strong magnetic fields.
  • both electrical and magnetic fields are influenced by metal molds or other metal parts of a forming device.
  • the or at least one of several fields is generated in or on the molds. It is also possible to superimpose an external field with a field generated on the forming tools.
  • further procedures and combinations are conceivable. Also temporally and / or locally variable fields are conceivable.
  • the at least one field is passed in an advantageous embodiment by the at least one mold and / or the material to the lubricant. This is particularly advantageous in metal molds or metals to be formed because the electrical or magnetic properties of the metal materials are useful for the pipe.
  • different fields and / or different field strengths and / or field orientations are applied at different locations and / or at different times.
  • the spatial distribution and / or the flux density of the field can be controlled by the shaping of the at least one molding tool.
  • the lubricant according to the invention for use in a molding process for forming a workpiece by means of at least one molding tool is characterized in that it is a liquid having a viscosity which can be changed by application of a field.
  • the viscosity can be adjusted in a targeted and controllable manner by applying or changing a field, for example to locally change and / or adjust the coefficient of friction in the molding process and / or attaching, distributing or removing the lubricant on or from material or mold easier.
  • the lubricant is preferably an electrorheological and / or magnetorheological fluid which contains polarizable particles dispersed in a carrier fluid.
  • a carrier fluid By selecting the carrier liquid and the particles, the properties of the lubricant can be adjusted. For example, by selecting carrier liquids of more or less high viscosity and by selecting the particle size or particle shape, the adjustable viscosity range can be selected.
  • the carrier liquid is, for example, a forming oil suitable for use in a metal forming process. Therein are then dispersed by the corresponding field polarizable particles.
  • oils or other lubricating fluids are used with compared to previously used in conventional metal molding process forming oils of lower viscosity as a base.
  • the inventive device for forming a material of a workpiece with at least one molding tool using a lubricant is characterized by a field generating device for generating a field influencing the viscosity of an electrorheological and / or magnetorheological lubricant.
  • a magnetorheological fluid - in hereinafter referred to as MRF - for forming metals, the device preferably has a magnetic field generating device for generating a magnetic field with which the viscosity of the MRF can be adjusted.
  • the apparatus is preferably formed as a sheet metal forming apparatus for cold forming metal sheets, forming tools similar to known corresponding sheet metal forming apparatuses.
  • this is a deep-drawing device or IBU device, which is designed for forming a metal sheet.
  • IBU device deep-drawing device
  • all other Kraftumformreae and at least some hot forming processes can benefit from the application of the invention.
  • the invention is also applicable to, for example, extrusion molding and extrusion molding, wire drawing and wire drawing, rolling or pressing processes and / or forging processes and devices, such as tumble forging.
  • the at least one mold at least one permanent magnet or electromagnet.
  • a field can be designed, formed and / or generated that results in an optimum contact state between tool and workpiece at any given point in the contact zone.
  • Fig. 1 is a reproduced for explanatory purposes schematic
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of a shaping device for metalworking using the example of a deep-drawing device for deep-drawing a sheet
  • Fig. 3 is a schematic representation of a second embodiment of a metalworking forming apparatus using the example of an incremental sheet metal forming apparatus
  • Fig. 4 is a detail of the device of Fig. 3.
  • Fig. 5 is an enlarged view of a straight with the device of Fig. 3 to be machined portion of a workpiece.
  • Fig. 1 are possible frictional conditions in a metal forming process in which a metal material 10 of a workpiece 12 is formed by means of a molding tool 14, shown in a so-called Stribeck diagram.
  • the diagram is shown in the left half of the figure.
  • a contact zone 16 between the mold 14 and workpiece 12 is shown in different areas of the diagram.
  • a first region A denotes a molding process without lubricant 18.
  • boundary layers 20 of the two friction partners 12, 14 are wetted with lubricant 18.
  • the lubricant 18 begins with low addition, first on the friction surfaces and adheres to it. Boundary friction takes place, with friction surfaces rubbing against each other under the adhesion of lubricant.
  • the coefficient of friction ⁇ is slightly lower, ⁇ i ⁇ ⁇ max , where ⁇ i represents a coefficient of friction at the boundary between boundary friction and mixed friction.
  • a third region C is lubricant 18 in spaces 21 between the friction partners 12, 14, but there are still more or fewer contact areas 22 at which the boundary layers 20 still touch.
  • the coefficient of friction ⁇ is again lower, ⁇ 2 ⁇ ⁇ i, where ⁇ 2 represents the coefficient of friction at the boundary of the mixed friction to purely hydrodynamic friction.
  • the film thickness d is so large that there are no more contact areas 22.
  • the coefficient of friction ⁇ can be optimized in the region C of the mixed friction and in particular in the region D of the purely hydrodynamic friction by a viscosity control.
  • MRF magnetorheological fluid
  • An MRF is an intelligent liquid material whose rheological properties can be noticeably, mostly dramatically, and in most cases reversibly controlled by a magnetic field.
  • An MRF for example, becomes gel-like in a magnetic field and returns to the liquid state after the magnetic field is turned off.
  • MRFs are analogous to electrorheological fluids - ERF - which are useful in an alternative embodiment where it is possible to effectively apply an electric field due to the materials.
  • An MRF is formed by a dispersion of magnetically polarizable particles in a carrier liquid.
  • a metal sheet 30 is formed by means of one or more forming tools 14 by a forming process - in Fig. 2 e.g. a drawing process - is brought into the desired three-dimensional shape.
  • a forming device 40 for carrying out a deep-drawing process is shown for this purpose.
  • the molding device 40 has a punch 42 whose edge regions 44 serve as molding tools 14.
  • the punch 42 is movable between two restraints 46 relative thereto.
  • the restraints 46 have fixed jaws 48 and movable jaws 50, which can be pressed to clamp the metal sheet 30 with a defined force F on the stationary jaws 48.
  • the jaws 48, 50 serve as further molds 14.
  • edges 52 of the fixed jaws 48 are shaped according to the desired shape.
  • a forming oil 54 Between the molds 14, 44, 48, 50 and the metal sheet 30 is a forming oil 54, which should have a certain viscosity ⁇ .
  • the viscosity ⁇ of the forming oil 54 is adjusted via a magnetic field 56 to the requirement, in order to improve the forming process.
  • the magnetic field 56 is generated externally via a magnetic field generating device (not shown in detail), which for example has superconducting magnets, and / or in the forming tools 14, 44, 48, 50 and through the working surfaces of the forming tools 14, 44, 48, 50 and passed through the metal sheet 30.
  • a magnetic field generating device not shown in detail
  • the molding tools 14, 44, 48, 50 electronic magnets 58, for example, electronically controllable electromagnets on.
  • the magnetic field 56 may alter the stiffness of the MRF 60.
  • the magnetic field 56 is adjusted by a control, not shown, that at clamping surfaces 62 of the jaws 48, 50 a variable over time viscosity and thus a variable over time friction coefficient ⁇ 6 2 is set to depending on the shape progress of the edge of the metal sheet 30 to hold or allow a Nachhne of material.
  • a control not shown
  • the magnetic field and thus the viscosity of the MRF 60 are adjusted by the control so that a relatively low friction coefficient ⁇ 64 prevails at the contact surface 64.
  • the magnetic field 56 is adjusted so that a viscosity of the MRF is established 60, which ensures a high coefficient of friction ⁇ 44 at the edge portions 44 of the punch 42nd
  • the MRF 60 is tuned by its composition to a desired adjustable viscosity range. For this purpose, the size distribution of the magnetizable particles in the MRF 60 and the Carrier fluid optimized.
  • the carrier liquid the forming oil 54 is used, wherein for this task, in particular a particularly low-viscosity forming oil 54 is selected.
  • a field controllable viscosity liquid is not limited to such sheet metal forming processes but is applicable to other metal working processes. It can also be transferred to appropriate forming processes for forming other materials by means of molds that can be influenced by different viscosities of lubricants or release agents used.
  • Fig. 3 shows a molding apparatus 140 suitable for carrying out such an incremental sheet metal forming process and constructed of the basic construction as described in one of the aforementioned references.
  • a mold 142 of the molding apparatus 140 has the electronic magnet 58 similar to the embodiment shown in FIG. 2.
  • the magnetorheological fluid 60 is used, the viscosity ⁇ by the magnetic field generated by the magnet 58 56 is variable.
  • magnetorheological fluid Although the use of a magnetorheological fluid has been described in the aforementioned embodiments, the invention is not limited to the use of magnetorheological fluids.
  • an electrorheological fluid whose viscosity can be changed by applying an electric field.
  • a mold 14, 44, 48, 50, 142 of the described embodiments could be formed as an electrode for applying the electric field.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Formverfahren, bei dem ein Material (10) eines Werkstückes (12, 30) mittels wenigstens eines Formwerkzeuges (14, 44, 48, 50, 142) umgeformt wird. Um eine größere Formenvielfalt mit verbesserten Qualitäten zu erreichen, wird zwischen dem Material (10) und dem wenigstens einen Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) ein Schmiermittel (18) verwendet, dessen Viskosität durch ein Anliegen oder Verändern eines Feldes (56) veränderbar ist.

Description

FORMVERFAHREN SOWIE INSBESONDERE MAGNETORHEOLOGISCHES SCHMIERMITTEL UND VORRICHTUNG HIERFÜR
Die Erfindung betrifft ein Formverfahren, bei dem ein Material eines Werkstückes mittels wenigstens eines Formwerkzeuges umgeformt wird, wobei zwischen dem Material und dem wenigstens einen Formwerkzeug ein Schmiermittel verwendet wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein in einem solchen Verfahren verwendbares Schmiermittel sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Ein solches Verfahren und eine zum Durchführen desselben verwendbare Formvorrichtung sind aus dem Buch „Die Schmierung in der Metallbearbeitung", Theo Mang, ISBN 3-8023-0682 bekannt. Demnach ist es bekannt, bei Metallumformverfahren, wie beispielsweise einem Tiefziehen von Metallblechen, Schmiermittel einzusetzen. Dadurch wird der Reibkoeffizient zwischen dem wenigstens einen Formwerkzeug und dem Material verändert, um das Formverfahren sowie dessen Ergebnis zu beeinflussen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Formverfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine größere Formenvielfalt mit verbesserten Qualitäten erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Formverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ein in einem solchen Formverfahren verwendbares Schmiermittel sowie eine Vorrichtung zur Durchführen eines solchen Formverfahrens sind Gegenstand der Nebenansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Formverfahren wird demnach ein Material eines Werkstückes mittels wenigstens eines Formwerkzeuges umgeformt. Dabei wird zwischen dem Material und dem wenigstens einen Formwerkzeug ein Schmiermittel eingefügt, dessen Viskosität durch ein Anlegen oder Verändern eines Feldes veränderbar ist.
Das Schmiermittel hat beispielsweise elektrorheologische und/oder magnetorheologische Eigenschaften, d.h. seine Viskosität wird z.B. durch das Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes verändert.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Formverfahren ein Metallumformverfahren, wobei das Material ein Metall ist. Insbesondere ist die Erfindung für Kaltformverfahren geeignet, bei denen das Metall ohne Zufuhr von zusätzlicher Wärme umgeformt wird.
Als Schmiermittel wird besonders bevorzugt eine magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) verwendet.
Magnetorheologische Flüssigkeiten sind beispielsweise aus „Magnetorheological fluids for adaptive engine mounts", Fraunhofer ISC Annual Report 2004, p. 24 für die Anwendung in anpassbaren Motorlagern zur Schwingungsdämpfung von Motorschwingungen an Fahrzeugen bekannt. Bei der Erfindung geht es aber um ein ganz anderes technisches Gebiet, nämlich um Formverfahren.
Das erfindungsgemäße Formverfahren ist in einer bevorzugten Ausgestaltung beispielsweise ein Blechumformverfahren. Zum Beispiel wird das Schmiermittel mit durch ein Feld beeinflussbarer Viskosität bei einem Umformverfahren verwendet. Besonders bevorzugt ist ein Verfahren mit lokal stark variierenden Reibzahlanforderungen, wie zum Beispiel eine Inkrementelle Blechumformung (IBU; auch Incremental Sheet Forming, ISF)) Inkrementelle Blechumformungen, die erfindungsgemäß weitergebildet werden können, werden beispielsweise in der Veröffentlichung „3 D-Bearbeiten: Flexibles Umformen von Feinblech ohne Gegenform"; Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung - Robotersysteme; R+R 05.04/10.05, Oktober 2005 sowie in der Veröffentlichung „Hämmern ins Bodenlose" in „Interaktiv - Fraunhofer IPA", Nr. 1.2004, S. 14 und 15 sowie in der DE 102 31 430 A1 , der DE 103 17 880 B3 und der DE 10 2005 024 378 A1 beschrieben. Dabei wird ein Formwerkzeug entlang einer vorgegebenen Bahn über das zu bearbeitende Werkstück gefahren, um so schrittweise Bereiche des Werkstückes bis zur endgültigen Form desselben umzuformen.
Die Eigenschaften der veränderbaren Viskosität können zum Beispiel auch bereits zum besseren Entfernen des Schmiermittels nach dem Formprozess verwendet werden, wobei nach dem Umformprozess die Viskosität durch Anlegen oder Verändern eines Feldes verändert wird, um das Schmiermittel besser entfernen zu können.
Ganz besondere Vorteile bietet die Anwendung eines Schmiermittels mit einem durch ein Feld beeinflussbaren Viskosität aber insbesondere während des Umformprozesses. Bei der Metallformung und insbesondere bei inkrementellen Umformprozessen ist es vielfach wünschenswert, lokal den Reibkoeffizienten zu beeinflussen, um den Prozess zu optimieren. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann nun durch Veränderung der Viskosität des Schmiermittels der Reibkoeffizient zwischen Werkstück und Formwerkzeug gezielt und insbesondere auch lokal verändert werden. Demnach ist eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung gekennzeichnet durch Anlegen und/oder Verändern eines die Viskosität des Schmiermittels beeinflussenden elektrischen oder magnetischen Feldes auf das Schmiermittel zum Beeinflussen der Umformung. Durch Anlegen eines Feldes, wie beispielsweise eines magnetischen Feldes bei Verwendung einer magnetorheologischen Flüssigkeit, kann nun die Viskosität der verwendeten Flüssigkeit mit durch das Feld beeinflussbarer Steifheit verändert werden. Das Feld kann ein einzelnes Feld, beispielsweise ein lokal unterschiedlich ausgeprägtes Feld, sein öder es können mehrere lokal definierte und/oder sich überlagernde Felder eingesetzt werden. Das Feld oder eines von mehreren Feldern können zum Beispiel extern außerhalb des wenigstens einen Formwerkzeuges erzeugt werden. Dadurch ist man nicht durch die Geometrie des Formwerkzeuges beschränkt. Beispielsweise können so auch supraleitende Magnete für besonders starke Magnetfelder eingesetzt werden.
Andererseits kann es bei extern erzeugten Feldern schwierig werden, die Feldstärke und Feldorientierung passend auf das Formwerkzeug zu übertragen. Beispielsweise werden sowohl elektrische als auch magnetische Felder durch metallene Formwerkzeuge oder andere Metallteile einer Umformvorrichtung beeinflusst. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das oder wenigstens eines von mehreren Feldern in oder an den Formwerkzeugen erzeugt wird. Es kann auch ein externes Feld mit einem an den Formwerkzeugen erzeugten Feld überlagert werden. Selbstverständlich sind weitere Verfahrensweisen und Kombinationen denkbar. Auch zeitlich und/oder örtlich variable Felder sind denkbar.
Das wenigstens eine Feld wird bei einer vorteilhaften Ausgestaltung durch das wenigstens eine Formwerkzeug und/oder das Material zu dem Schmiermittel geleitet. Dies ist besonders bei metallenen Formwerkzeugen oder bei umzuformenden Metallen vorteilhaft, da die elektrischen oder magnetischen Eigenschaften der Metallmaterialien für die Leitung verwendbar sind.
Zur gezielten Prozesssteuerung ist bevorzugt, dass an unterschiedlichen Orten und/oder zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Felder und/oder unterschiedliche Feldstärken und/oder Feldorientierungen angelegt werden. Die räumliche Verteilung und/oder die Flussdichte des Feldes kann durch die Formgebung des wenigstens einen Formwerkzeuges gesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Schmiermittel zur Verwendung in einem Formverfahren zum Umformen eines Werkstückes mittels wenigstens eines Formwerkzeuges zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Flüssigkeit mit einer durch Anlegen eines Feldes veränderbaren Viskosität ist. Dadurch kann während, vor oder nach dem Formprozess die Viskosität gezielt und steuerbar, durch Anlegen oder Verändern eines Feldes, eingestellt werden, beispielsweise um lokal den Reibwert im Formprozess zu verändern und/oder einzustellen und/oder um ein Anbringen, eine Verteilung oder eine Entfernung des Schmiermittels auf bzw. von Material oder Formwerkzeug zu erleichtern.
Das Schmiermittel ist vorzugsweise eine elektrorheologische und/oder magnetorheologische Flüssigkeit., welche in einer Trägerflüssigkeit dispergierte polarisierbare Partikel enthält. Über die Auswahl der Trägerflüssigkeit und der Partikel können die Eigenschaften des Schmiermittels eingestellt werden. Beispielsweise lässt sich durch Auswahl von Trägerflüssigkeiten mehr oder weniger hoher Viskosität und durch Auswahl der Partikelgröße oder Partikelform der einstellbare Viskositätsbereich auswählen. Die Trägerflüssigkeit ist beispielsweise ein zur Verwendung in einem Metallumformprozess geeignetes Umformöl. Darin werden dann durch das entsprechende Feld polarisierbare Partikel dispergiert. Insbesondere werden hierzu Öle oder sonstige Schmierflüssigkeiten mit im Vergleich zu bisher in herkömmlichen Metallformverfahren verwendeten Umformölen geringerer Viskosität als Basis verwendet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Umformen eines Materials eines Werkstückes mit wenigstens einem Formwerkzeug unter Verwendung eines Schmiermittels zeichnet sich durch eine Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines die Viskosität eines elektrorheologischen und/oder magnetorheologischen Schmiermittels beeinflussenden Feldes aus. Bei der bevorzugten Verwendung einer magnetorheologischen Flüssigkeit - im folgenden kurz MRF genannt -- zum Umformen von Metallen hat die Vorrichtung vorzugsweise eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, mit dem die Viskosität der MRF eingestellt werden kann.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise als Metallblechumformvorrichtung zum Kaltformen von Metallblechen ausgebildet, wobei Formwerkzeuge ähnlich zu bekannten entsprechenden Metallblechumformvorrichtungen ausgebildet sind. Beispielsweise handelt es sich dabei um eine Tiefziehvorrichtung oder IBU- Vorrichtung, die zum Umformen eines Metallbleches ausgebildet ist. Aber auch alle anderen Kraftumformprozesse und zumindest einige Warmumformprozesse können von der Anwendung der Erfindung profitieren. So ist die Erfindung gemäß anderen Ausgestaltungen zum Beispiel auch auf Strangpressverfahren und Strangpressvorrichtungen, Drahtziehverfahren und Drahtziehvorrichtungen, Walz- oder Drückverfahren und -Vorrichtungen und/oder auf Schmiedeverfahren und Vorrichtungen, wie zum Beispiel zum Taumelschmieden anwendbar.
Anders als bekannte entsprechende Metallbearbeitungsvorrichtungen weist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das wenigstens eine Formwerkzeug wenigstens einen Permanentmagnet oder Elektromagnet auf.
Durch Inkorporieren von elektronischen Magneten in Formwerkzeuge kann ein Feld entworfen, ausgebildet und/oder erzeugt werden, das zu einem optimalen Kontaktzustand zwischen Werkzeug und Werkstück an irgendeinem vorgegebenen Punkt in der Kontaktzone führt.
Vorteile der Erfindung und/oder von deren vorteilhaften Ausgestaltungen sind insbesondere:
• bisher bestehende Grenzen und Limits für das Umformen können signifikant überschritten werden; dies gilt insbesondere für Prozesskräfte (Anpressdruck), Grenzformänderung und Oberflächenqualität;
• bisher nicht formbare Bauteile können nun geformt werden;
• gegebenenfalls erleichtertes Entfernen von Schmiermittel;
• verbesserte Prozesssteuerung oder Prozesskontrolle sowie • eine bessere Qualitätssicherung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 ein zu Erläuterungszwecken wiedergegebenes schematisches
Diagramm zur Darstellung des Einflusses eines Schmiermittels und insbesondere dessen Viskosität auf Metallblechumformverfahren;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Formvorrichtung zur Metallbearbeitung am Beispiel einer Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen eines Bleches;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Formvorrichtung zur Metallbearbeitung am Beispiel einer Vorrichtung zum inkrementellen Blechumformen;
Fig. 4 ein Detail der Vorrichtung von Fig. 3; und
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines mit der Vorrichtung von Fig. 3 gerade zu bearbeitenden Bereichs eines Werkstückes.
In Fig. 1 sind mögliche Reibzustände bei einem Metallumformverfahren, bei dem ein Metallmaterial 10 eines Werkstückes 12 mittels eines Formwerkzeuges 14 umgeformt wird, in einem sogenannten Stribeck-Diagramm dargestellt. Das Diagramm ist in der linken Hälfte der Figur wiedergegeben. In der rechten Hälfte der Fig. 1 ist eine Kontaktzone 16 zwischen Formwerkzeug 14 und Werkstück 12 in verschiedenen Bereichen des Diagramms dargestellt.
In dem Stribbeck-Diagramm sind verschiedene Filmdicken d eines Schmiermittels 18 sowie die Reibzahl μ in Abhängigkeit von dem Faktor η v/p wiedergegeben, wobei η die Viskosität des Schmiermittels 18, v die Relativgeschwindigkeit der Reibpartner 12, 14 und p der Normaldruck in der Kontaktzone 16 ist.
Ein erster Bereich A kennzeichnet ein Formverfahren ohne Schmiermittel 18. Es liegt reine Festkörperreibung vor. Die Reibzahl μ ist maximal, μ=μmax- In einem zweiten Bereich B sind Grenzschichten 20 der beiden Reibpartner 12, 14 mit Schmiermittel 18 benetzt. Das Schmiermittel 18 setzt sich bei geringer Zugabe zunächst an den Reiboberflächen an und haftet dort an. Es findet eine Grenzreibung statt, wobei Reiboberflächen unter Adhäsion von Schmiermittel aneinander reiben. Die Reibzahl μ ist etwas geringer, μi < μ < μmax, wobei μi einen Reibwert an der Grenze zwischen Grenzreibung und Mischreibung darstellt. In einem dritten Bereich C befindet sich Schmiermittel 18 in Räumen 21 zwischen den Reibpartnern 12, 14, wobei es aber noch mehr oder weniger Kontaktbereiche 22 gibt, an denen sich die Grenzschichten 20 noch berühren. Die Reibzahl μ ist wiederum geringer, μ2 < μ < μi, wobei μ2 den Reibwert an der Grenze von der Mischreibung zur rein hydrodynamischen Reibung darstellt. In einem vierten Bereich D ist die Filmdicke d so groß, dass es keine Kontaktbereiche 22 mehr gibt. Überall zwischen den Grenzschichten 20 befindet sich Schmiermittel 18. Es liegt reine hydrodynamische Reibung vor.
Die Reibzahl μ lässt sich im Bereich C der Mischreibung und insbesondere im Bereich D der rein hydrodynamischen Reibung durch eine Viskositätskontrolle optimieren. Über die Viskosität lässt sich auch die Schubspannung τ in der Kontaktzone 16 einstellen, dabei gilt τ = ηdv/dt, wobei dv/dt die Ableitung von v nach der Zeit ist.
Bei der Metallumformung und insbesondere bei inkrementellen Umform- Prozessen ist es für eine Optimierung des Prozesses erwünscht, die Reibzahl lokal zu beeinflussen, um gezielt das Formgebungsverfahren an einer Stelle zu beeinflussen. Dies kann, wie voranstehend verdeutlicht, durch eine Beeinflussung der Viskosität eines bei der Metallformung eingesetzten Schmiermittels 18 geschehen. Hierzu wird bei den im folgenden näher erläuterten Formverfahren eine Flüssigkeit verwendet, deren Viskosität sich bei Anlegen oder Verändern eines Feldes verändert. In den Ausführungsbeispielen handelt es sich dabei um eine magnetorheologische Flüssigkeit, im folgenden kurz MRF genannt.
Eine MRF ist ein intelligentes flüssiges Material, dessen rheologische Eigenschaften merkbar, meist drastisch, und in den meisten Fällen reversibel durch ein Magnetfeld gesteuert werden können. Eine MRF wird zum Beispiel in einem Magnetfeld gelartig und kehrt nach Ausschalten des Magnetfeldes in den flüssigen Zustand zurück. MRF sind analog zu elektrorheologischen Flüssigkeiten - ERF --, die in einer alternativen Ausgestaltung, wo es aufgrund der Materialien möglich ist, wirksam ein elektrisches Feld anzulegen, verwendbar sind. Eine MRF wird durch eine Dispersion von magnetisch polarisierbaren Partikeln in einer Trägerflüssigkeit gebildet.
Im folgenden wird anhand der Darstellung in Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Verbesserung einer Blechumformung durch den Einsatz von magnetorheologischen Flüssigkeiten am Beispiel eines Tiefziehverfahrens näher erläutert.
In den Fig. 2 bis 5 ist verdeutlicht, wie ein Metallblech 30 mit Hilfe von einem oder mehreren Formwerkzeugen 14 durch einen Umformprozess - in Fig. 2 z.B. ein Ziehprozess - in die gewünschte dreidimensionale Form gebracht wird.
In der Fig. 2 ist hierzu eine Formvorrichtung 40 zur Durchführung eines Tiefziehverfahrens dargestellt. Die Formvorrichtung 40 weist in dem Beispiel einen Stempel 42 auf, dessen Kantenbereiche 44 als Formwerkzeuge 14 dienen. Hierzu ist der Stempel 42 zwischen zwei Einspannungen 46 relativ zu diesen beweglich. Die Einspannungen 46 weisen feststehende Backen 48 und bewegliche Backen 50 auf, die zum Einspannen des Metallbleches 30 mit definierter Kraft F auf die feststehenden Backen 48 zu pressbar sind. Die Backen 48, 50 dienen als weitere Formwerkzeuge 14. Hierzu sind Kanten 52 der feststehenden Backen 48 entsprechend der gewünschten Formgebung geformt. Zwischen den Formwerkzeugen 14, 44, 48, 50 und dem Metallblech 30 befindet sich ein Umformöl 54, welches eine bestimmte Viskosität η aufweisen soll.
Durch den Einsatz einer magnetorheologischen Flüssigkeit -- MRF - 60 wird die Viskosität η des Umformöls 54 über ein Magnetfeld 56 auf den Bedarfsfall eingestellt, um den Umformprozess zu verbessern.
In dem hier vorgestellten Formverfahren wird das Magnetfeld 56 extern über eine nicht näher dargestellte Magnetfelderzeugungseinrichtung, die zum Beispiel supraleitende Magnete aufweist, und/oder in den Formwerkzeugen 14, 44, 48, 50 erzeugt und durch die Bearbeitungsflächen der Formwerkzeuge 14, 44, 48, 50 und durch das Metallblech 30 geleitet.
Hierzu weisen die Formwerkzeuge 14, 44, 48, 50 elektronische Magnete 58, beispielsweise elektronisch steuerbare Elektromagnete, auf. Das Magnetfeld 56 kann die Steifheit der MRF 60 verändern. Durch die Form des entsprechenden Formwerkzeuges 14, 44, 48, 50 kann die räumliche Verteilung und die magnetische Flussdichte des Magnetfeldes 56 vorgegeben werden.
Das Magnetfeld 56 wird durch eine nicht näher dargestellte Steuerung so eingestellt, dass an Spannflächen 62 der Backen 48, 50 eine über die Zeit variable Viskosität und somit eine über die Zeit variable Reibzahl μ62 eingestellt wird, um je nach Formfortschritt den Rand des Metallbleches 30 festzuhalten oder einen Nachfluss von Material zu ermöglichen. An einer Kontaktfläche 64 wird durch die Steuerung das Magnetfeld und damit die Viskosität der MRF 60 so eingestellt, dass an der Kontaktfläche 64 eine relativ niedrige Reibzahl μ64 herrscht. An den Kantenbereichen 44 des Stempels 42 wird das Magnetfeld 56 so eingestellt, dass sich eine Viskosität der MRF 60 einstellt, die für eine hohe Reibzahl μ44 sorgt.
Die MRF 60 wird durch ihre Zusammensetzung auf einen gewünschten einstellbaren Viskositätsbereich abgestimmt. Hierfür werden die Größenverteilung der magnetisierbaren Partikel in der MRF 60 sowie die Trägerflüssigkeit optimiert. Als Trägerflüssigkeit wird das Umformöl 54 verwendet, wobei für diese Aufgabe insbesondere ein besonders niederviskoses Umformöl 54 ausgewählt wird.
Wenngleich das Umformverfahren anhand eines Beispiels eines Blechziehverfahrens dargestellt worden ist, so ist die Anwendung einer Flüssigkeit mit einer durch ein Feld steuerbaren Viskosität nicht auf solche Blechziehverfahren beschränkt, sondern auch auf andere Metallbearbeitungsverfahren anwendbar. Es kann auch auf entsprechende Umformverfahren zum Umformen anderer Werkstoffe mittels Formwerkzeugen übertragen werden, die durch verschiedene Viskositäten von eingesetzten Schmier- oder Trennmitteln beeinflussbar sind.
Besondere Vorteile bietet die Anwendung einer Flüssigkeit mit einer durch ein Feld steuerbaren Viskosität bei einem inkrementellen Umformverfahren, insbesondere bei einem inkrementellen Blechumformverfahren (IBU), wie es beispielsweise in der Veröffentlichung „3 D-Bearbeiten: Flexibles Umformen von Feinblech ohne Gegenform"; Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung - Robotersysteme; R+R 05.04/10.05, Oktober 2005 sowie in der Veröffentlichung „Hämmern ins Bodenlose" in „Interaktiv - Fraunhofer IPA", Nr. 1.2004, S. 14 und 15 oder in der DE 102 31 430 A1 , der DE 103 17 880 B3 oder der DE 10 2005 024 378 A1 beschrieben oder beansprucht wird.
Fig. 3 zeigt eine Formvorrichtung 140, die zum Durchführen eines solchen inkrementellen Blechumformverfahren geeignet ist und vom Grundaufbau wie in einer der zuvor erwähnten Druckschriften beschrieben aufgebaut ist. Für den näheren Aufbau sowie die Funktion solcher Formvorrichtungen 140 wird daher ausdrücklich auf die zuvor erwähnten Druckschriften verwiesen. Anders als bei den bekannten Formvorrichtungen weist jedoch ein Formwerkzeug 142 der Formvorrichtung 140 den elektronischen Magneten 58 ähnlich wie bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel auf. Wie näher in Fig. 4 dargestellt ist, ist zwischen dem Metallblech 30 und dem Formwerkzeug 142 wie bei dem in Fig. 2 erläuterten Beispiel die magnetorheologische Flüssigkeit 60 eingesetzt, deren Viskosität η durch das mittels des Magneten 58 erzeugte Magnetfeld 56 veränderbar ist.
Dadurch lassen sich zum Beispiel an verschiedenen Bereichen der Kontaktfläche 64 zwischen Formwerkzeug 142 und Metallblech 30 unterschiedliche Anpressdrücke pi, P2, P3 erzeugen, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Auf diese Weise erhält man weitere Einflussmöglichkeiten auf die Gestaltung des Metallblechs während den einzelnen Formschritten des sich entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn zum schrittweisen Umformen bewegenden Formwerkzeugs 142.
Wenngleich in den zuvor erwähnten Ausführungsbeispielen der Einsatz einer magnetorheologischen Flüssigkeit beschrieben worden ist, so ist die Erfindung nicht auf den Einsatz magnetorheologischer Flüssigkeiten begrenzt. Es könnte beispielsweise auch eine elektrorheologische Flüssigkeit verwendet werden, deren Viskosität durch das Anlegen eines elektrischen Feldes veränderbar ist. Beispielsweise könnte hierzu ein Formwerkzeug 14, 44, 48, 50, 142 der beschriebenen Ausführungsbeispiele als Elektrode zum Anlegen des elektrischen Feldes ausgebildet sein.
Bezugzeichenliste:
10 Metallmaterial
12 Werkstück
14 Formwerkzeug
16 Kontaktzone
18 Schmiermittel
20 Grenzschichten
21 Räume zwischen Reibpartnern
22 Kontaktbereich
30 Metallblech (Werkstück)
40 Formvorrichtung
42 Stempel
44 Kantenbereiche (Formwerkzeug)
46 Einspannung
48 feststehende Backe (Formwerkzeug)
50 bewegliche Backe (Formwerkzeug)
52 Kante
54 Umformöl
56 Magnetfeld
58 elektronische Magnete
60 magnetorheologische Flüssigkeit
62 Spannfläche
64 Kontaktfläche
140 Formvorrichtung
142 Formwerkzeug μ Reibzahl μβ2 variable Reibzahl an den Spannflächen 62 μβ4 niedrige Reibzahl an der Kontaktfläche 64 μ44 hohe Reibzahl an den Kantenbereichen 44 η Viskosität des Schmiermittels v Relativgeschwindigkeit der Reibpartner p Normaldruck in der Kontaktzone d Filmdicke des Schmiermittels
A erster Bereich - Festkörperreibung
B zweiter Bereich - Grenzreibung
C dritter Bereich - Mischreibung
D vierter Bereich - hydrodynamische Reibung

Claims

1 ) EADS Deutschland GmbH Unser Zeichen: 2317 P 0013 PCT2) Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.PATENTANSPRÜCHE
1. Formverfahren, bei dem ein Material (10) eines Werkstückes (12, 30) mittels wenigstens eines Formwerkzeuges (14, 44, 48, 50, 142) umgeformt wird, wobei zwischen dem Material und dem wenigstens einen Formwerkzeug ein Schmiermittel (18) verwendet wird, dessen Viskosität durch ein Anlegen oder Verändern eines Feldes (56) veränderbar ist.
2. Formverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Material (10) ein Metall ist, das, vorzugsweise ohne Zufuhr von zusätzlicher Wärme, umgeformt wird.
3. Formverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Tiefzieh-, Strangpress-, Drahzeih-, Walz-, Drück-, Schmiede- oder Taumelschmiedeverfahren ist.
4. Formverfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallblech (30) umgeformt wird.
5. Formverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (30) gezogen, insbesondere tiefgezogen, wird.
6. Formverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Incremental-Sheet-Forming-Verfahren oder Inkrementelles Umfornnverfahren ist.
7. Formverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anlegen und/oder Verändern wenigstens eines die Viskosität des Schmiermittels (18) beeinflussenden Feldes (56) auf wenigstens einen Teil des Schmiermittels (18) zum Beeinflussen des Umformens oder zum leichteren Entfernen des Schmiermittels nach dem Umformen.
8. Formverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anlegen und/oder Verändern des Feldes (56) der Reibkoeffizient des Materials (10) an dem wenigstens einen Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) lokal und/oder insgesamt beeinflusst wird.
9. Formverfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld (56) oder eines von mehreren Feldern extern außerhalb des wenigstens einen Formwerkzeuges (14, 44, 48, 50, 142) erzeugt wird.
10. Formverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das oder wenigstens eines von mehreren Feldern (56) in oder an den Formwerkzeugen (14, 44, 48, 50, 142) erzeugt wird.
11. Formverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Feld (56) durch das wenigstens eine Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) und/oder das Material (10) zu dem Schmiermittel (18) geleitet wird.
12. Formverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass an unterschiedlichen Orten und/oder zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Felder und/oder unterschiedliche Feldstärken angelegt werden.
13. Formverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung und/oder die Flussdichte des Feldes (56) durch die Formgebung des wenigstens einen Formwerkzeuges (14, 44, 48, 50, 142) vorgegeben wird.
14. Formverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrorheologische Flüssigkeit oder/und eine magnetorheologische Flüssigkeit verwendet wird.
15. Formverfahren nach Anspruch 14 und nach einem der Ansprüche Anspruch 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches oder/und ein magnetisches Feld (56) angelegt wird.
16. Schmiermittel (18) zur Verwendung in einem Formverfahren zum Umformen eines Werkstückes mittels wenigstens eines Formwerkzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Flüssigkeit (60) mit einer durch Anlegen eines Feldes veränderbaren Viskosität ist oder enthält.
17. Schmiermittel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es eine elektrorheologische und/oder magnetorheologische Flüssigkeit (60) ist oder enthält, welche in einer Trägerflüssigkeit (54) dispergierte polarisierbare Partikel enthält.
18. Schmiermittel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerflüssigkeit ein zur Verwendung in einem Metallformprozess geeignetes Umformöl (54) ist.
19. Form Vorrichtung (40, 142) zum Umformen eines Materials (10) eines Werkstückes (12, 30) mit wenigstens einem Formwerkzeug (14, 44, 48, 50) unter Verwendung eines Schmiermittels (18), gekennzeichnet durch eine Felderzeugungseinrichtung (58) zum Erzeugen eines die Viskosität eines elektrorheologischen und/oder magnetorheologischen Schmiermittels (18, 60) beeinflussenden Feldes (56).
20. Formvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Metallblechumformvorrichtung zum Kaltformen von Metallblechen ausgebildet ist.
21. Formvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Tiefziehen eines Metallbleches ausgebildet ist.
22. Formvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) mit wenigstens einem Permanentmagneten oder Elektromagneten (58) ausgerüstet ist.
23. Formvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) wenigstens eine Elektrodeneinrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes aufweist.
24. Verwendung einer Flüssigkeit (60) mit durch ein Feld veränderbarer Viskosität in einem Umformverfahren oder einer Formvorrichtung, bei welchem bzw. in welcher ein Material (10) eines Werkstücks (12, 30) durch wenigstens ein Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) umgeformt wird.
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