WO2011103985A1 - Verfahren und werkzeug zur herstellung eines bauteils sowie ein durch umformung hergestelltes bauteil - Google Patents

Verfahren und werkzeug zur herstellung eines bauteils sowie ein durch umformung hergestelltes bauteil Download PDF

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WO2011103985A1
WO2011103985A1 PCT/EP2011/000783 EP2011000783W WO2011103985A1 WO 2011103985 A1 WO2011103985 A1 WO 2011103985A1 EP 2011000783 W EP2011000783 W EP 2011000783W WO 2011103985 A1 WO2011103985 A1 WO 2011103985A1
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WO
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preform
wall
tool
height
forming
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PCT/EP2011/000783
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Lars Gerlach
Michael Werbs
Andreas Bawohl
Karl Geisinger
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Schuler Cartec Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
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    • B21K1/28—Making machine elements wheels; discs
    • B21K1/30—Making machine elements wheels; discs with gear-teeth
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B21J5/08—Upsetting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/1241—Nonplanar uniform thickness or nonlinear uniform diameter [e.g., L-shape]

Definitions

  • the application relates to a method for producing a component from a metallic material according to claim 1, a tool for the technical production of a component according to claim 10 and a manufactured by forming
  • An alternative to the machining is the possibility of forming by cold, warm and warm cross-extrusion or compression, in which a component is compressed by applying considerable compressive forces along a first spatial direction, due to this
  • Compression material flows into cavities, which are provided by a tool transversely to the first spatial direction.
  • a tool transversely to the first spatial direction.
  • Compression direction must be exerted on the component.
  • Hollow body made for example a pipe section or a cup-shaped hollow body, so is the dimension of the structure, which from the tool through the cavities
  • Preforms are used in which the available wall height of the preform x is at most 2.3 times the initial wall thickness tl. Otherwise there is a risk of buckling, which has a significant influence on the properties of the component produced.
  • the document DE 34 09 549 AI shows a method for
  • a disadvantage is the use of a hollow body as a preform, which is to be used only for the production of a structure with limited dimensions and beyond with the plastic support body no well-defined geometry can be generated.
  • the object of the invention is therefore, a method or a
  • Buckling is avoided. Furthermore, it is an object to develop a manufactured by forming component, which
  • the core of the method according to the invention is that in the context of the forming process support body support the wall portions of the preform to be formed everywhere where no material movement is to take place by deformation in a Matrizenhohlraum. In this way, only the region of the die cavity is to be considered for the buckling, wherein almost any wall heights of the preform are selectable, so a considerable amount of material can be provided as umzuformendem volume.
  • individual regions of the molded component can have a wall thickness which has remained constant with respect to the preform, for example in the region of the tooth roots of a
  • Gear other areas are characterized by an increase in the wall thickness, for example, the teeth formed a gear.
  • Forming plant is constructed. Separate components can also be realized in expedient embodiments. In the following, only the main components relevant for the invention become a substitute for the complex forming process consisting of different components
  • the component can be subdivided into a carrier and a structure.
  • Preform enclosed volume, the support of the component and the remaining volume of the component the structure of the component.
  • the imaginary interface between the support and the structure is the support surface.
  • this component comprises a carrier, which is present for example in the form of a cup, and in turn comprises a carrier surface, which is to be regarded as a circumferential lateral surface around the carrier.
  • a carrier surface which is to be regarded as a circumferential lateral surface around the carrier.
  • An applied thickening on the support surface can be any applied thickening on the support surface.
  • a wall thickness increase from 10% to 50% or 100% or more can be realized by the inventive method.
  • formed teeth of a gear or a circumferential thickening, in which later in a further step depressions for the formation of teeth incorporated, in particular can be milled is formed by the inventive method.
  • a cup-shaped preform is inserted into a tool according to the invention, which in an implementation of the method for forming a structure without additional wall construction with the part of the wall of the preform, which carries the structure in the later component, the resulting support surface.
  • a preform inserted in a tool whose wall to be formed has a first wall height x is smaller to a second one
  • Structure represents, be displaced.
  • the die cavity does not necessarily have to be completely filled by displaced material, since, for example, in the region of rectangular edges
  • the inventive method is found primarily in the
  • Preparing step by forming, preferably by
  • produced preform has in a segmental section an L-shape, for example in the region of a circle segment of a cup shape or a cross-section of an L-profile.
  • cup shape is in particular a U-shaped cross-sectional symmetry to be used when a kind of cup or cup is made from a flat blank.
  • Such Napfformen can, for example, as a circular or
  • the cup produced has in addition to its peripheral wall on a preferably not completely closed bottom, wherein the opening in the bottom for later receiving a hub or for positioning in the forming tool can be used.
  • a simple possibility of producing a preform from a flat blank is provided, whereby considerable degrees of freedom for the resulting component to be produced are obtained and thus, for example, elliptical or arbitrary gear shapes can be produced.
  • the preform is heated before and / or during shaping in order to carry out a hot forging or a hot forging. In this way, depending on the material used, the
  • Querfinacerea be optimized during the conversion, so that the required force and / or structure achieved are within predetermined optimal parameters.
  • the temperature to be selected for hot forging or hot forging depends on the respective materials used,
  • the temperature range of 200 ° C to 850 ° C for the warm forging of steel recommended.
  • Method is the position of a wall support during the forming held stationary relative to a bottom surface of the preform.
  • Method is changed during the deformation, the position of at least one adjoining the female cavity wall support body relative to a bottom surface of the preform, preferably in which the wall support body, a movement parallel and in relation to the movement of at least one punch
  • Matrizenhohlraum which is to be filled by Querf flyingpressen or upsetting with material, during the forming process along the wall height of the preform is moved.
  • Upper punch can be made more stable. Without the above-mentioned function of the tool according to the invention, the upper punch would have to be made to have a thin-walled and long projection which pushes the volume elements of the compressed wall height x along the fixed support body into the die cavity in the cavity between the support bodies. Such a thin-walled and long part of the
  • Upper punch can be without high guide
  • the structural composition of the structure produced and, if appropriate, the stability of the structure can also be influenced positively depending on the material and processing parameters.
  • the method according to the invention is used for forming the
  • Oberstempel stationary especially opposite the upper edge of the Held preform and moves the lower punch with the bottom part of the preform, so that the preform is pressed against the upper punch. That way, one becomes
  • Upper punch can be used in addition to closing the Matrizenhohlraums. Furthermore, in an advantageous manner, the support body at least partially from above into the
  • Vorformling bring, without that they additionally perform their own movement relative to the bottom of the preform during the forming.
  • Method is held stationary for forming the lower punch and the upper punch, preferably in the form of a
  • circumferential wall structures can be formed.
  • the die cavity during the forming will perform a movement in relation to a movement of an upper edge of the wall of the deforming preform.
  • the method according to the invention provides that the
  • volume of Matrizenhohlraums during the forming process preferably the height of the Matrizenhohls, from which the height of the structure to be formed, is increased.
  • Forming process opens up the possibility for the formation of larger structures, since for the effect of buckling always present in the region of the cavity to be filled wall thickness of the forming preform is used. If, therefore, a cavity cavity of small cavity height is started, relatively small or thin wall thicknesses of the preform can also be selected. While the wall thickness in the region of the cavity thickened in the course of the forming process, the cavity height can be increased accordingly, since the tendency to buckling is reduced by the wall thickness built up. In this way, structures with a structural height b and an initial wall thickness t1 of the preform can be formed, in which the ratio b to t1 preferably only has to be less than 10. In principle, however, other structural relationships to
  • a tool according to the present claim 10 comprises a receiving space having a room height and a room thickness for completely receiving a preform having a wall height x and a radially measured wall thickness t1.
  • the tool comprises at least one inner wall support body for supporting an inner wall or at least a part of the
  • Inner wall surface of the preform Furthermore, this includes
  • Tool at least one outer wall support body for support an outer wall or at least a part of a
  • the tool further comprises at least one upper punch and at least one lower punch for exerting a forming force to perform a forming operation by reducing the ceiling height of the receiving space and resulting therefrom
  • the tool is characterized in that, at least at the beginning of the deformation with the tool closed, the ratio of the room height of the receiving space or the
  • Wall height x of the preform to the wall thickness tl of the inserted preform is greater than 2.3.
  • the volume of the receiving space of the tool substantially corresponds to the wall thickness tl of the preform.
  • the reference to the wall thickness of the preform is for the
  • Forming depends on the wall thickness of the preform.
  • the wall support body and the preform may components in a tool according to the invention
  • the ratio of the Matrizenhohlraum assures at the beginning of the deformation to the wall thickness tl of the inserted preform less than 10, preferably less than 5 and in particular less than 2.3.
  • this tool comprises a die on which the die cavity is formed.
  • the matrix can in this case be formed, in particular, by the inner wall support body and / or by the outer wall support body, or else alternatively or additionally formed at least partially by a separate die body, which can be inserted into a region of the tool.
  • Matrizenhohlschreib include, or an increased
  • movable parts may be provided.
  • the invention relates to a by deformation, in particular by transverse extrusion or upsetting
  • the component is a carrier and a, a support surface at least partially
  • Preform was produced, wherein the compressed wall before upsetting a height of more than 2.3 times their
  • At least 50% of the material volume of the wall of the preform is converted to the structure.
  • Forming such thin-walled high preforms, so to accomplish a substantial transport of material from a high wall area of a preform in a structural region of a component is without the formation of waves, wrinkles and overlaps only possible if Ausknickitch in
  • Wall area can be avoided during the upsetting process such as in the inventive method.
  • Embodiments limited. Rather, it encompasses all those embodiments as well as methods that make use of the inventive concept.
  • Fig. 2a-c is a section through a wall portion of the
  • Fig. 3 is a schematic representation of a
  • FIG. 4 shows a further state of the installation according to FIG. 3 in the method according to the invention which has been carried out;
  • FIG. 5 shows a further state of the installation according to FIG. 3 in the method according to the invention which has been carried out
  • Fig. 7 shows another state in the invention
  • Fig. 8 shows a further state in the invention
  • FIG. 9a-b representations of a segment of a section
  • FIGS. 11a-c show different component configurations
  • Fig. 12a-b further component configurations
  • Fig. 14 shows another state in the invention
  • Fig. 15 shows another state of the invention
  • FIG. 17 shows a further embodiment by adding another spring ballast to a tool according to FIG. 13;
  • Fig. 18 shows a further state of the tool after
  • Fig. 17; 19 shows a further state of the tool after
  • inventive tool is used, and which carries out the inventive method.
  • mechanical engineering means here the execution
  • Fig. La shows a flat blank
  • Fig. La-c takes place in each case in section and in plan view.
  • Fig. Lb shows the preform 2 produced from the flat blank 1, which has a cup shape 6 with a wall height x 3 as a thin-walled preform 2, the wall thickness tl 4 of the wall 5 in about a wall thickness of the flat
  • Blanks 1 corresponds.
  • the cup shape 6 is closed on its underside by a bottom part 7, which preferably has an opening 8 in its center.
  • Fig. Lb shows a total of a U-shaped
  • Fig. Lc shows a section and a plan view of a finished component 10, which comprises a support 11, formed on the lateral surface or support surface 12 by a deformation or Querf passpressen or upsetting structure 13, for example in the form of teeth 14 of a gear has been .
  • the structure is formed, for example, only as circumferential thickening, which
  • Milled or similar to the tooth shape can be reworked.
  • Fig. 2c shows a more detailed representation of
  • Initial wall thickness tl 4 and an initial wall height x 3 has.
  • a representation in the half-space section is shown, which shows the fully formed component 10 with a component height b 20 and a
  • Component wall thickness t2 21 shows.
  • FIG. 2 shows in another region an additional material bulge to obtain a second structural component, a toothing with a tooth height h 22.
  • Such material accumulations are provided in the method according to the invention, wherein always at least equal to the output wall thickness tl 4
  • Fig. 2a and 2b show the respective items of the
  • Fig. 2a shows a segment of the
  • Fig. 2b is a segment of the component 10th Fig. 3 shows an example of an arrangement of a
  • inventive tool 30 in a forming system 29 in the state of the first method step according to the invention.
  • the tool 30 in this case comprises an upper punch 31 and a lower punch 32, wherein this for exercising an upper
  • Forming force 33 and a lower forming force 34 are formed.
  • the system 29 is constructed symmetrically to an axis of symmetry 35 and shown in section here.
  • the upper punch 31 can execute a movement in the direction of movement downward 36.
  • the lower punch 32 also performs a movement in the direction of movement down 36 in the course of the method according to the invention.
  • the preform 2 with the wall thickness tl 4 of the wall 5 and a first wall height x 3 is used.
  • the preform 2 has a
  • the tool 30 In the upper part of the tool is an inner wall support body 42, which is arranged during the insertion of the preform 2 in the tool 30 above the upper edge of the wall 43. Furthermore, the tool 30 comprises an outer wall support body 44, which is arranged in the lower region of the tool. Above the
  • Material forms, whereby the desired structure of the component can be formed.
  • the tool 30 comprises a stop 47 for the upward movement of the outer wall support body, which is arranged in the lower region.
  • the inner wall support body 42 is from above with a Provided pressure piston 48, which provides a defined pressure force for the inner wall support body. Accordingly, the lower punch 32 is also provided with a lower pressure piston 49, which counteracts the upper pressure force of the piston 48 but lower lower pressure force
  • the inner wall support body 42 is retracted into the cup shape 6 of the preform 2. Then it presses on the bottom surface 7 with the pressure force of the upper pressure piston 48 and pushes the preform 2 together with the lower punch 32 against the pressing force of the lower piston 49 down into the tool. The forces are therefore adjusted so that the force provided by the upper piston 48 is at least slightly greater than the force counteracted by the lower piston 49. During the subsequent opening of the tool according to the invention for removal of the component, the sequence of movements is reversed.
  • FIG. 4 shows an illustration of the installation 29 according to FIG. 3 in the third method step, wherein the forming process of the
  • Preform 2 is completed to the desired component 10.
  • FIG. 4 shows that the preform 2 has now been converted to the component 10, which has the radially measured wall thickness t 21 below the applied structure and to a second smaller height b 20, by the upsetting process 50.
  • the position of the inner wall support body 42 relative to the bottom surface 7 of the preform 2 has in this case during the
  • the lower die 32 has been lowered with the preform 2 thereon, whereby the preform along the direction of movement 36 down into the area between the outer wall support body 44 for supporting the
  • Preform 2 is displaced into the die cavity 45.
  • Fig. 5 shows the system with the tool 30 according to the invention during the removal process of the component 10.
  • the height of the die cavity 54 corresponds to the height of the resulting structure on the finished component 10, just as the volume of the die cavity 55 substantially corresponds to the volume of the structure on the component 10.
  • Fig. 6 shows a further schematic representation of a
  • FIG. 6 shows a tool 60, which comprises an upper punch 61 and a lower punch 62.
  • the inner wall support body 63 has already been retracted into the preform 2 and the tool 60 has been closed.
  • the tool 60 has a die cavity 64, wherein inddingtonender
  • the die cavity 64 has an initial height 65 which has been chosen to be small
  • Fig. 7 shows a view according to FIG. 6, wherein the
  • Oberstempels 61 was started.
  • the inner wall support body 63 moves against an overhead arranged Federballasts 70 in the upper punch 61, so that a volume component of the preform 2 in the die cavity 64 by means of
  • Fig. 8 shows a further state of the system of FIG. 6 and FIG. 7, wherein in the present state by additional displacement of material of the preform 2 by the
  • FIG. 9a shows a further illustration of a segmental section of a preform 2, which has an initial wall thickness tl 4.
  • the material which is available for forming a structure 13 as part of a forming process by transverse extrusion or upsetting from the wall 5 of the preform 2 corresponds to the material volume of the peripheral wall 5, formed by the initial wall height x 3 and the wall thickness t ,
  • FIG. 9b shows schematically that a carrier 11 with the wall thickness tl 4, which corresponds to the cutting volume of the component 10 and the preform 2 projected into it
  • applied structure formed from wall thickening and the tooth height, is thus made of the material of the wall 5 of the
  • Figs. 10a to d show variations of the various components
  • Support surface 12 circumferential structures 13 have been applied.
  • the structure 13 ends either at the upper edge (a) has an offset both in the region of the upper edge of the carrier 11 and in the region of the lower edge of the carrier 11 (b) or together with the upper and lower edges of the carrier completes (c) or even only in
  • Fig. IIa and IIb show a possible embodiment of a component 100 which has been produced according to the invention.
  • Teeth on a cup-shaped preform 2 is present in Fig. 11, a further variation, for example, below
  • Wall structure provided in which, for example, a groove for a key 103 can be recessed.
  • the preform must provide corresponding wall elements, which is possible, however, in particular in the case of metal-forming production from a metal sheet.
  • FIG. 11 b shows a top view of the component 100.
  • 11c shows a representation of elliptically shaped components 105 which can be produced by means of the method according to the invention on the basis of the advantage of maximum flexibility with respect to the shaping.
  • any other geometries are conceivable, which consist of a
  • FIGS. 12a and 12b show further embodiments of FIG.
  • Components 110 and 111 which can be produced by the method according to the invention.
  • FIG. 12a component 110, shows that in addition to
  • FIG. 12b shows a component in which the
  • Structural components in the form of wall thickening obtained by the inventive method.
  • FIG. 13 shows a schematic partial representation of a system using a further embodiment of a system
  • the tool 130 according to the invention also comprises an upper punch 131 and a
  • Lower punch 132 which are used to exert a forming force on a preform 2.
  • stamping 131, 132 an inner wall support body 133 is provided, which in the present embodiment, the inner wall of the preform 2 is fully supported.
  • the support bodies are to be adapted or different equivalent embodiments to be used.
  • the present embodiment of the tool 130 of FIG. 13 further includes an assembly of outer wall support bodies 134 and 135 which relates to an upper outer wall support body 134 and a lower outer wall support body 135. Between the voltage applied to the outer wall of the preform 2 areas of the
  • a cavity 136 is formed, which is the wall material of the preform 2 during the forming process as Matrizenhohlraum available.
  • the cavity 136 has an initial cavity height 137, which is kept small in accordance with the inventive Ausknickin according to the inventive method.
  • the Outside wall support body above 134 is supported relative to the upper punch 131 with a Federballast 138.
  • a Federballast 138 Of the
  • FIG. 14 shows the illustration of the system according to FIG. 13, wherein in FIG. 14 the forming process has been started by lowering the upper punch 131. By penetrating into the cavity 136 material is applied both to the
  • Federballasts 138, 139 drives.
  • the outer wall support body has not yet experienced any movement at the top 134, whereas the outer wall support body 135 already shows an offset downwards.
  • FIG. 15 is a further illustration of the system shown in FIG. 13, wherein in the present case both the outer wall support body above 134 and the outer wall support body 135 below an offset against the respective Federballast 138 and 139 shows.
  • Fig. 16 shows a representation in which the system of FIG. 13 with the tool 130, the outer wall support body down 135 already completely to a point at which
  • Restraints 140 has limited the way, has moved. The same applies to the outer wall support body above 134 and the anvil 141. In this way, the area between the
  • FIGS. 17-20 show a further embodiment of a tool 171 according to the invention.
  • a further Federballast 172 between the lower wall support body 135 and the upper punch 131 has been introduced compared to the previous illustration.
  • the initial cavity 172 is formed during the forming process moved along the wall surface of the preform 2 and changed its available volume.
  • buckling of the wall of the thin-walled preform 2 is avoided and on the other hand optimized the volume flow needed to form the structure in the cavity to short flow paths, for example, not the complete material over the entire wall height x of the preform must be transported.
  • By similar friction conditions on both sides of the cavity also improves the mold filling.
  • a dynamic enlargement of the cavity is achieved with appropriate adjustment of the force parameters of the respective Federballaste.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (10), ein Verfahren sowie ein Werkzeug zur Umformung, insbesondere zum Querfließpressen bzw. Stauchen von dünnwandigen Vorformlingen (2) zu Bauteilen mit einer aufgeformten Struktur, insbesondere mit einer Verzahnung, wobei durch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Verwendung des erfindungsgemäßen Werkzeugs ein Ausknicken der Wand des Vorformlings während der Umformung zum erfindungsgemäßen Bauteil verhindert wird.

Description

Verfahren und Werkzeug zur Herstellung eines Bauteils sowie ein durch Umformung hergestelltes Bauteil
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem metallischen Material nach Anspruch 1, ein Werkzeug zur umformtechnischen Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 10 sowie ein durch Umformung hergestelltes
mechanisches Bauteil nach Anspruch 14.
Mechanische Bauteile, insbesondere mechanische Zahnräder finden eine nahezu unbegrenzte Vielzahl von
Einsatzmöglichkeiten im Bereich des Maschinenbaus. Betrachtet man exemplarisch die Kategorie der Zahnräder, so müssen diese jedoch oftmals unter erheblichem Fertigungsaufwand,
beispielsweise durch zerspanende Bearbeitung eines
Massivkörpers hergestellt werden.
Eine Alternative zu der zerspanenden Bearbeitung stellt die Möglichkeit der Umformung durch Kalt-, Halbwarm- und Warm- Querfließpressen bzw. Stauchen dar, bei welcher ein Bauteil durch Aufwendung erheblicher Druckkräfte entlang einer ersten Raumrichtung komprimiert wird, wobei aufgrund dieser
Kompression Material in Hohlräume fließt, welche von einem Werkzeug quer zur ersten Raumrichtung bereitgestellt werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der DE 37 18 884 AI beschrieben.
Die in der DE 37 18 884 AI beschriebene Vorgehensweise ist jedoch nur auf eine beschränkte Anzahl von umzuformenden
Vorformlingen anwendbar, da zum Erreichen des
Querfließvorganges ein erheblicher Druck entlang der
Kompressionsrichtung auf das Bauteil ausgeübt werden muss.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Wird jedoch, entgegen der Lehre der DE 37 18 884 AI, kein Vorformling aus einem Vollmaterial in das Werkzeug eingelegt, sondern vielmehr eine Umformung an einem dünnwandigen
Hohlkörper, beispielsweise einem Rohrabschnitt oder einem becherförmigen Hohlkörper vorgenommen, so ist die Dimension der Struktur, welche vom Werkzeug durch die Hohlräume
bereitgestellt wird und welche durch den Querfließvorgang mit Material gefüllt werden soll, äußerst beschränkt. Dies
begründet sich darin, dass, je größer die auszufüllende
Struktur gewählt wird, das Risiko eines Ausknickens der dünnen Wand des Vorformlings in den Bereich der Struktur am Anfang des Umformvorgangs zunimmt. Erfahrungsgemäß können daher für die Herstellung derartiger Bauteile nur dünnwandige
Vorformlinge eingesetzt werden, bei denen die zur Verfügung stehende Wandhöhe des Vorformlings x maximal das 2,3fache der anfänglichen Wandstärke tl beträgt. Andernfalls besteht das Risiko einer Ausknickung, was erhebliche Einflüsse auf die Eigenschaften des erzeugten Bauteils hat.
Die Druckschrift DE 34 09 549 AI zeigt ein Verfahren zur
Herstellung von Flanschen oder Bunden an Hohlteilen durch Querfließpressen, wobei der Werkstoff während des
Pressvorgangs in der Bohrung durch ein plastisch wirkendes Werkzeug abgestützt wird. Nachteilig ist die Verwendung eines Hohlkörpers als Vorformling, welcher lediglich zur Herstellung einer Struktur mit beschränkten Dimensionen zu verwenden ist und darüber hinaus mit dem plastischen Stützkörper keine genau definierte Geometrie erzeugt werden kann.
In der Druckschrift DE 1 087 433 B ist die Herstellung eines Nabenkörpers für Freilaufbremsnaben aus einem nahtlosen
Rohrabschnitt im Kaltpress-Verfahren gezeigt. Nachteilig ist auch hier die Herstellung einer Struktur (Speichenflansch) mit beschränkten Dimensionen aufgrund der Verwendung eines
Hohlkörpers als Vorwerkstück (Vorformling) ohne Nutzung eines Stützelements .
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren bzw. eine
Vorrichtung bereitzustellen, bei welchem bzw. bei welcher aus einem dünnwandigen Vorformling ein Bauteil durch Umformung hergestellt werden kann, wobei auch bei größeren Verhältnissen der Höhe des Vorformlings zu dessen Wandstärke eine
Ausknickung vermieden wird. Weiterhin ist es Aufgabe ein durch Umformung hergestelltes Bauteil zu entwickeln, welches
entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren entsprechend dem
Anspruch 1 bzw. durch Anwendung eines Werkzeugs nach Anspruch 10 gelöst, wobei ein Bauteil gemäß Anspruch 14 resultiert. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 9, eine Weiterbildung des
Werkzeugs ist im Anspruch 11,12 und 13 angegeben.
Zur Charakterisierung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte wird auf den Wortlaut des Anspruchs 1 verwiesen. Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass im Rahmen des Umformprozesses Stützkörper die Wandbereiche des umzuformenden Vorformlings überall dort abstützen, wo keine Materialbewegung durch Umformung in einen Matrizenhohlraum stattfinden soll. Auf diese Weise ist für die Ausknickung nur der Bereich des Matrizenhohlraums zu berücksichtigen, wobei nahezu beliebige Wandhöhen des Vorformlings wählbar sind, also eine erhebliche Materialmenge als umzuformendem Volumen bereitgestellt werden kann .
Einzelne Bereiche des ausgeformten Bauteils können dabei eine gegenüber dem Vorformling konstant gebliebene Wandstärke aufweisen, beispielsweise im Bereich der Zahnfüße eines
Zahnrads, andere Bereiche zeichnen sich durch eine Zunahme der Wandstärke aus, beispielsweise die ausgeformten Zähne eines Zahnrads .
Es ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens denkbar, dass ein Stützkörper mit einem daran angrenzenden Matrizenhohlraum als einstückiger Bestandteil einer
Umformanlage aufgebaut ist. Auch separate Bestandteile sind in zweckmäßigen Ausführungsformen realisierbar. Ersatzweise für den aus unterschiedlichen Komponenten bestehenden komplexen Umformprozess werden im Folgenden nur die für die Erfindung maßgeblichen Hauptkomponenten
Querfließpressen bzw. Stauchen genannt.
Im Rahmen des erfindungsgemäß herzustellenden Bauteils kann das Bauteil in einen Träger und eine Struktur unterteilt werden .
Projiziert man das Bauteil und den Vorformling ineinander, so bildet das Schnittvolumen, also das von Bauteil und
Vorformling umschlossene Volumen, den Träger des Bauteils und das übrige Volumen des Bauteils die Struktur des Bauteils. Die gedachte Grenzfläche zwischen dem Träger und der Struktur ist die Trägerfläche.
Im Rahmen des erfindungsgemäß herzustellenden Bauteils umfasst dieses Bauteil einen Träger, der beispielsweise in Form eines Napfes vorliegt, und wiederum eine Trägerfläche umfasst, welche als umlaufende Mantelfläche um den Träger anzusehen ist. Aufgebaut auf dieser Trägerfläche befindet sich die am Bauteil erzeugte Struktur, welche beispielsweise eine
umlaufende Verdickung oder auch teilweise oder fertig
ausgeformte Zähne eines Zahnrads darstellen kann. Nähere
Erläuterungen sind auch im später folgenden
Ausführungsbeispiel dargestellt.
Eine aufgebrachte Verdickung auf der Trägerfläche kann
beispielsweise in einer Wandstärkenzunahme von 10% bis hin zu 50% oder 100% oder mehr durch das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden.
Die zumindest teilweise umlaufende Struktur, welche
beispielsweise aufgeformte Zähne eines Zahnrads oder auch eine umlaufende Verdickung darstellt, in welche später in einem weiteren Arbeitsschritt Vertiefungen zur Ausbildung von Zähnen eingearbeitet, insbesondere eingefräst werden können wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeformt. Zur Herstellung eines derartigen Bauteils wird ein beispielsweise napfförmiger Vorformling in ein erfindungsgemäßes Werkzeug eingelegt, welcher in einer Durchführung des Verfahrens zur Ausformung einer Struktur ohne zusätzlichen Wandaufbau mit dem Teil der Wand des Vorformlings , welche beim späteren Bauteil die Struktur trägt, die resultierende Trägerfläche darstellt.
Zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Bauteils wird ein, in ein Werkzeug eingelegter Vorformling, dessen umzuformende Wand eine erste Wandhöhe x aufweist, auf eine zweite kleiner
Wandhöhe gestaucht, wobei in dem Fall, dass die zweite Höhe gleich der Wandhöhe der zu erzeugenden umlaufenden Struktur entspricht, die gestauchten Volumenelemente durch
Querfließpressen bzw. Stauchen in einen Matrizenhohlraum, welcher im Wesentlichen ein Negativ der zu erzeugenden
Struktur darstellt, verdrängt werden. Selbstverständlich ist davon auszugehen, dass der Matrizenhohlraum nicht zwingend vollständig durch verdrängtes Material ausgefüllt werden muss, da beispielsweise im Bereich von rechtwinkligen Kanten
ansonsten eine erhebliche Krümmung des einfließenden Materials erzielt werden müsste, was umformtechnisch nicht zwingend notwendig oder gar möglich ist.
Es ist jedoch auch denkbar, dass nicht bis zur kompletten Strukturhöhe der auszubildenden Struktur gestaucht wird, sodass außerhalb der Struktur ein Bereich verbleibt, welcher gegenüber der Wand des Vorformlings keine Dickenzunahme oder nur eine umlaufende Wandverdickung aufweist. Dies kann
vorzugsweise oberhalb oder unterhalb der aufzuformenden
Struktur, aber auch beidseitig vorgenommen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet vornehmlich in der
Herstellung von Bauteilen, bei denen große Bereiche
dünnwandig sind und andere Bereiche dicker ausgeführt sind, welche beispielsweise aus einem Blechrohling gefertigt werden sollen, Anwendung. Exemplarisch sei erwähnt, dass in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem
Vorbereitungsschritt durch Umformung, vorzugsweise durch
Tiefziehen aus einem flächigen Rohling, vorzugsweise einem Blech, der Vorformling hergestellt wird. Der derart
hergestellte Vorformling weist in einem Segmentschnitt eine L- Form auf, beispielsweise im Bereich eines Kreissegments einer Becherform oder eines Querschnitts eines L-Profils. Zur
Betrachtung der Becherform ist insbesondere eine U-förmige Querschnittssymmetrie heranzuziehen, wenn eine Art Becher bzw. Napf aus einem flächigen Rohling hergestellt wird. Derartige Napfformen können beispielsweise als kreisrunde oder
elliptische Form ausgebildet werden, wobei auch eine
vollkommen unregelmäßige Körperform mit der umlaufenden Wand des Napfes ausgebildet werden kann, um beispielsweise
exzentrische Zahnradformen zu erzeugen. Der hergestellte Napf weist neben seiner umlaufenden Wand einen vorzugsweise nicht vollständig geschlossenen Boden auf, wobei die Öffnung im Boden zur späteren Aufnahme einer Nabe oder zur Positionierung im Umformwerkzeug Verwendung finden kann. Auf diese Weise wird eine einfache Möglichkeit der Herstellung eines Vorformlings aus einem flächigen Rohling bereitgestellt, wodurch erhebliche Freiheitsgrade für das herzustellende resultierende Bauteil erhalten werden und somit beispielsweise elliptische oder frei wählbare Zahnradformen produziert werden können.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Vorformling vor und/oder während der Formung erwärmt, um eine Halbwarmumformung oder eine Warmumformung vorzunehmen. Auf diese Weise kann, je nach genutztem Material, der
Querfließprozess während der Umformung optimiert werden, so dass der benötigte Kraftaufwand und/oder die erzielte Struktur innerhalb vorgegebener optimaler Parameter liegen. Die zu wählende Temperatur zur Halbwarmumformung oder Warmumformung richtet sich nach den jeweilig genutzten Materialien,
beispielsweise Stahl oder Aluminium, und den aus der
technischen Literatur bekannten Größen für die jeweiligen Werkstücktemperaturen. Laut VDI 3166 (April 1977) wird
beispielsweise der Temperaturbereich von 200°C bis 850°C für die Halbwarmumformung von Stahl empfohlen.
In einer überdies erfindungsgemäßen Weiterbildung des
Verfahrens wird die Position eines Wandstützkörpers während der Umformung relativ zu einer Bodenfläche des Vorformlings ortsfest gehalten. Durch die ortsfeste Positionierung eines Wandstützkörpers wird die mechanische Konstruktion des
Werkzeugs vereinfacht und insbesondere ein Verklemmen durch aneinander vorbeizuführende mechanische Bauteile vermieden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Weiterbildung des
Verfahrens wird während der Umformung die Position mindestens eines, an den Matrizenhohlraum angrenzenden Wandstützkörpers relativ zu einer Bodenfläche des Vorformlings verändert, vorzugsweise in dem der Wandstützkörper eine Bewegung parallel und in Relation zur Bewegung mindestens eines Stempels
ausführt. Durch diese entsprechende Weiterbildung kann
erreicht werden, dass der, die Struktur bildende
Matrizenhohlraum, welcher durch Querfließpressen bzw. Stauchen mit Material ausgefüllt werden soll, beim Umformvorgang entlang der Wandhöhe des Vorformlings mitbewegt wird.
Somit wird die mittlere Entfernung, welche ein Volumenelement des umzuformenden Wandmaterials in die Struktur zurücklegen muss, reduziert. Weiterhin besteht der Vorteil, dass der
Oberstempel stabiler ausgeführt werden kann. Ohne die oben genannte Funktion des erfindungsgemäßen Werkzeuges, müsste der Oberstempel so ausgeführt werden, dass er einen dünnwandigen und langen Ansatz aufweist, welcher im Hohlraum zwischen den Stützkörpern die Volumenelemente der gestauchten Wandhöhe x entlang der feststehenden Stützkörper in den Matrizenhohlraum schiebt. Solch ein dünnwandiger und langer Teil des
Oberstempels, kann ohne Führungselement bei hohen
Umformkräften brechen und somit eine Umformung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unmöglich machen.
Auch die strukturelle Zusammensetzung der erzeugten Struktur und ggf. die Stabilität der Struktur können, je nach Material und Verarbeitungsparameter, dadurch beeinfluss positiv werden.
In einer überdies vorteilhaften Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Umformung der
Oberstempel ortsfest, insbesondere gegenüber der Oberkante des Vorformlings gehalten und der Unterstempel mit dem Bodenteil des Vorformlings bewegt, so dass der Vorformling gegen den Oberstempel gepresst wird. Auf diese Weise wird eine
vereinfachte Werkzeugkonstruktion ermöglicht, da der
Oberstempel zusätzlich zum Schließen des Matrizenhohlraums verwendet werden kann. Weiterhin sind in vorteilhafter Weise die Stützkörper zumindest teilweise von oben her in den
Vorformling einzubringen, ohne dass sie zusätzlich eine eigene Bewegung gegenüber dem Boden des Vorformlings während der Umformung ausführen sollen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird zur Umformung der Unterstempel ortsfest gehalten und der Oberstempel, vorzugsweise in Form eines
Druckrings bewegt. Dabei wird der Vorformling gegen den
Unterstempel gepresst.
Die Umformung mittels eines von oben her bewegten Druckrings oder eines andersartig ausgebildeten Oberstempels bietet den Vorteil, dass die Volumenelemente der Wand des Vorformlings sowohl an Innenwandstützkörpern als auch an
Außenwandstützkörpern vorbeigeführt werden können und auf diese Weise beispielsweise an beiden Mantelflächen der
umlaufenden Wand Strukturen ausgeformt werden können.
Selbstverständlich ist auch ohne die Ausbildung von
beidseitigen Strukturen die Nutzung eines bewegten
Oberstempels denkbar.
In einer überdies angedachten Weiterbildung des Verfahrens wird der Matrizenhohlraum während der Umformung eine Bewegung in Relation zu einer Bewegung einer Oberkante der Wand des sich verformenden Vorformlings ausführen.
Der in Relation zur Oberkante des sich verformenden
Vorformlings mitbewegte Matrizenhohlraum bietet den Vorteil, dass die Struktur bildenden, in den Matrizenhohlraum
hineinfließenden Material-Volumenelemente der Wand nur kurze Fließstrecken zurücklegen müssen. Hierdurch fließt von beiden Seiten Material in den Matrizenhohlraum ein wodurch eine gleichmäßigere Ausformung Struktur erreicht wird.
In einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das
Volumen des Matrizenhohlraums während des Umformvorgangs, vorzugsweise die Höhe des Matrizenhohlraums, aus welcher die Höhe der zu bildenden Struktur resultiert, vergrößert wird.
Eine Vergrößerung des Matrizenhohlraums während des
Umformvorgangs erschließt die Möglichkeit zur Ausformung größerer Strukturen, da für den Effekt des Ausknickens stets die jeweils im Bereich des zu füllenden Hohlraums vorliegende Wandstärke des sich umformenden Vorformlings heranzuziehen ist. Wird also mit einem Matrizenhohlraum kleiner Hohlraumhöhe begonnen, so können auch verhältnismäßig kleine bzw. dünne Wandstärken des Vorformlings gewählt werden. Während sich die Wandstärke im Bereich des Hohlraums im Zuge des Umformvorgangs aufdickt, kann auch die Hohlraumhöhe entsprechend vergrößert werden, da die Neigung zum Ausknicken durch die aufgebaute Wandstärke verringert wird. Auf diese Weise sind Strukturen mit einer Strukturhöhe b und einer Anfangswandstärke tl des Vorformlings ausformbar, bei denen das Verhältnis b zu tl vorzugsweise nur noch kleiner als 10 sein muss. Prinzipiell sind jedoch auch andere Strukturverhältnisse zur
Anfangswandstärke denkbar, so dass gegebenenfalls auch noch größere Verhältnisgrößen erzielt werden können.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Werkzeug nach dem vorliegenden Anspruch 10 beansprucht, wobei das Werkzeug einen Aufnahmeraum mit einer Raumhöhe und einer Raumstärke zur vollständigen Aufnahme eines Vorformlings mit einer Wandhöhe x und einer radial gemessenen Wandstärke tl umfasst. Der
Vorformling, welcher beispielsweise in Form eines Bechers bzw. in Form eines Napfes in das Werkzeug eingelegt wird, wird vollständig vom Werkzeug umgeben. Des Weiteren umfasst das Werkzeug mindestens einen Innenwandstützkörper zur Abstützung einer Innenwand bzw. mindestens eines Teiles der
Innenwandfläche des Vorformlings. Weiterhin umfasst das
Werkzeug mindestens einen Außenwandstützkörper zur Abstützung einer Außenwand bzw. mindestens eines Teiles einer
Außenwandfläche des Vorformlings, sowie mindestens einen als Erweiterung des Aufnahmeraums ausgebildeten Matrizenhohlraum mit einer, zur Raumhöhe des Aufnahmeraums parallel
verlaufenden Matrizenhohlraumhöhe, in welchen das durch einen Umformvorgang verdrängte Material hineingebracht wird. Das Werkzeug umfasst weiterhin mindestens einen Oberstempel sowie mindestens einen Unterstempel zur Ausübung einer Umformkraft zur Ausführung eines Umformvorgangs durch Verringerung der Raumhöhe des Aufnahmeraums und daraus resultierender
Verdrängung von Wandmaterial des Vorformlings in den
Matrizenhohlraum. Der grundsätzliche Prozess des
Querfließpressens bzw. Stauchens eines Vorformlings ist aus dem Stand der Technik bekannt.
Erfindungsgemäß ist das Werkzeug dadurch charakterisiert, dass wenigstens zu Beginn der Umformung bei geschlossenem Werkzeug das Verhältnis der Raumhöhe des Aufnahmeraums bzw. der
Wandhöhe x des Vorformlings zur Wandstärke tl des eingelegten Vorformlings größer als 2,3 ist.
Die Raumstärke des Aufnahmeraums des Werkzeugs entspricht im Wesentlichen der Wandstärke tl des Vorformlings. Der Bezug auf die Wandstärke des Vorformlings ist jedoch für die
Dimensionierung des erfindungsgemäßen Werkzeugs dahingehen erheblich, da die Gefahr eines Ausknickens während der
Umformung von der Wandstärke des Vorformlings abhängt.
Durch eine entsprechende Dimensionierung des
Matrizenhohlraums, des Wandstützkörpers und des Vorformlings können Bauteile in einem erfindungsgemäßen Werkzeug
hergestellt werden, welche nach den Verfahren des Standes der Technik nur unter Inkaufnahme einer Ausknickung der Wand des Vorformlings mittels Querfließpressen bzw. Stauchen
hergestellt werden konnten, was in keinem brauchbaren Bauteil resultiert .
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist das Verhältnis der Matrizenhohlraumhöhe zu Beginn der Umformung zur Wandstärke tl des eingelegten Vorformlings kleiner 10, vorzugsweise kleiner 5 und insbesondere kleiner 2,3.
In diesem Parameterbereich wird eine verbesserte
Strukturausformung erreicht, welche ohne Materialausknickung während des Umformprozesses hergestellt wird.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Werkzeugs nach Anspruch 10 oder 11 umfasst dieses Werkzeug eine Matrize, an welcher der Matrizenhohlraum ausgebildet ist. Die Matrize kann hierbei insbesondere durch den Innenwandstützkörper und/oder durch den Außenwandstützkörper gebildet werden, oder aber auch alternativ oder ergänzend durch einen separaten Matrizenkörper zumindest teilweise gebildet werden, welcher in einen Bereich des Werkzeugs einsetzbar ist.
Auf diese Weise können entweder kostengünstig einfach
herzustellende Werkzeugbestandteile gleichzeitig die
Matrizenhohlräume umfassen, oder aber eine erhöhte
Flexibilität, beispielsweise durch austauschbare
Matrizenkörper, welche in sich beispielsweise wieder
bewegliche Teile beinhalten können, bereitgestellt werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein durch Umformung, insbesondere durch Querfließpressen bzw. Stauchen
hergestelltes mechanisches Bauteil, wobei das Bauteil einen Träger und eine, eine Trägerfläche zumindest teilweise
umlaufende Struktur aufweist, wobei die Struktur durch einen Stauchprozess bzw. Querfließprozess einer Wand eines aus Blech hergestellten Vorformlings , ausgehend von der Form des
Vorformlings erzeugt wurde, wobei die gestauchte Wand vor dem Stauchen eine Höhe von mehr als dem 2,3 fachen ihrer
Wandstärke besaß.
In einer besonderen Ausführung wird beispielsweise mindestens 50 % des Materialvolumens der Wand des Vorformlings zu der Struktur umgeformt. Derartig dünnwandige hohe Vorformlinge umzuformen, also einen umfangreichen Materialtransport von einem hohen Wandbereich eines Vorformlings in einen Strukturbereich eines Bauteils zu bewerkstelligen, ist ohne die Ausbildung von Wellen, Falten und Überlappungen nur möglich, wenn Ausknickungen im
Wandbereich während des Stauchvorgangs wie beispielsweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden.
Weitere Merkmale sowie zweckgemäße Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Werkzeugs sowie Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im nachfolgenden
Ausführungsbeispiel, insbesondere in den Figuren dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten
Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfasst vielmehr all diejenigen Ausgestaltungen sowie Verfahrensformen, welche vom erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen.
Es zeigen
Fig. la-c Beispielhafte Prinzipdarstellungen eines
flächigen Rohlings, eines Vorformlings sowie eines fertigen Bauteils;
Fig. 2a-c einen Schnitt durch einen Wandbereich des
Vorformlings sowie des fertigen Bauteils;
Fig. 3 schematische Darstellung einer
Umformanlage mit erfindungsgemäßem Werkzeug;
Fig. 4 einen weiteren Zustand der Anlage nach Fig. 3 im durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. 5 einen weiteren Zustand der Anlage nach Fig. 3 im durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig . 6 eine Umformanlage mit einem erfindungsgemäßen
Werkzeug, welches eine variable Hohlraumhöhe bereitstellt; Fig. 7 einen weiteren Zustand im erfindungsgemäßen
Verfahren einer Umformanlage nach Fig. 6;
Fig. 8 einen weiteren Zustand im erfindungsgemäßen
Verfahren einer Umformanlage nach Fig. 6;
Fig. 9a-b Darstellungen eines Segmentausschnitts eines
Vorformlings sowie eines Bauteils;
Fig. lOa-d unterschiedliche Ausgestaltungen der
aufgeformten Struktur mittels dem
erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. lla-c unterschiedliche Bauteilausgestaltungen;
Fig. 12a-b weitere Bauteilausgestaltungen;
Fig. 13 Darstellung (halbseitig) eines
erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Bereitstellung eines variablen Matrizenhohlraums;
Fig. 14 einen weiteren Zustand im erfindungsgemäßen
Verfahren eines Werkzeugs nach nach Fig. 13;
Fig. 15 einen weiteren erfindungsgemäßen Zustand
eines Werkzeugs nach Fig. 13;
Fig. 16 einen weiteren erfindungsgemäßen Zustand eines
Werkzeugs nach Fig. 13;
Fig. 17 eine weitere Ausgestaltung durch Hinzufügen eines weiteren Federballasts an einem Werkzeug nach Fig. 13;
Fig. 18 einen weiteren Zustand des Werkzeugs nach
Fig. 17; Fig. 19 einen weiteren Zustand des Werkzeugs nach
Fig. 17;
Fig. 20 einen weiteren Zustand des Werkzeugs nach
Fig. 17.
Im Folgenden sollen die Figuren im Detail näher erläutert werden. Wiederkehrende Bestandteile einzelner Darstellungen, welche in unterschiedlichen erfindungsgemäßen
Verfahrenszuständen im Betrieb einer Anlage bzw. Umformanlage gezeigt sind, gelten selbstverständlich für alle dargestellten Figuren als bezeichnet, ohne dass explizit für jede einzelne Darstellung hierauf Bezug genommen werden muss. Unter einer Anlage ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Umformeinrichtung zu verstehen, in welcher das
erfindungsgemäße Werkzeug zum Einsatz gebracht wird, und welche das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. Durch welche maschinenbau-technischen Mittel hierbei die Ausführung
vorgenommen wird, ist für die Betrachtung der Erfindung unerheblich .
Im Einzelnen zeigt Fig. la einen flächigen Rohling 1,
vorzugsweise aus einem Blech, welcher zu einem Vorformling 2, der anschließend in das erfindungsgemäße Verfahren eingebracht wird, umgeformt wird. Die Darstellung nach Fig. la-c erfolgt jeweils im Schnitt und in der Draufsicht.
Fig. lb zeigt den aus dem flächigen Rohling 1 hergestellten Vorformling 2, welcher als dünnwandiger Vorformling 2 eine Napfform 6 mit einer Wandhöhe x 3 aufweist, deren Wandstärke tl 4 der Wand 5 in etwa einer Wandstärke des flächigen
Rohlings 1 entspricht. Die Napfform 6 ist auf ihrer Unterseite durch ein Bodenteil 7 abgeschlossen, welches vorzugsweise in seiner Mitte eine Öffnung 8 aufweist.
Betrachtet man einen Segmentschnitt der Fig. lb als
Kreissegment, so stellt dieser im Halbraum eine L-Form dar. Im Querschnitt zeigt Fig. lb insgesamt eine U-förmige
Querschnittssymmetrie 9.
Fig. lc zeigt einen Schnitt sowie eine Draufsicht auf ein fertiges Bauteil 10, welches einen Träger 11 umfasst, auf dessen Mantelfläche bzw. Trägerfläche 12 eine durch Umformung bzw. Querfließpressen bzw. Stauchen aufgebrachte Struktur 13, beispielsweise in Form von Zähnen 14 eines Zahnrads aufgeformt wurde .
Es ist jedoch auch denkbar, dass die Struktur beispielsweise nur als umlaufende Verdickung ausgebildet wird, welche
vorzugsweise in einem späteren Arbeitsschritt durch
Einfräsungen oder ähnliches zur Zahnform umgearbeitet werden kann .
Fig. 2c zeigt eine detailliertere Darstellung des
Vorformlings 2 in einer Napfform 6 im Halbraumschnitt, wobei die Wand 5 der Napfform 6 des Vorformlings 2 eine
Anfangswandstärke tl 4 und eine Anfangswandhöhe x 3 aufweist. Im grob schraffierten Bereich der Fig. 2 ist eine Darstellung im Halbraumschnitt gezeigt, welche das fertig ausgeformte Bauteil 10 mit einer Bauteilhöhe b 20 und einer
Bauteilwandstärke t2 21 zeigt. Zusätzlich zu der aufgedickten Wand als einem ersten aufgebrachten Strukturbestandteil, welcher auf eine gedachte Trägerfläche 12 aufgebracht wurde, um die Wandstärke t2 zu erzielen, zeigt Fig. 2 in einem anderen Bereich eine zusätzliche MaterialaufStauchung zum Erhalt eines zweiten Strukturbestandteils, einer Verzahnung mit einer Zahnhöhe h 22. Derartige Materialanhäufungen sind im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, wobei stets eine zumindest gegenüber der Ausgangswandstärke tl 4 gleich
bleibende oder zunehmende Wandstärke t2 21 des Bauteils, verglichen mit der Wandstärke tl des Vorformlings,
bereitgestellt wird.
Fig. 2a und 2b zeigen die jeweiligen Einzelteile der
Projektion aus Fig. 2c. Fig. 2a zeigt ein Segment des
Vorformlings 2, Fig. 2b ein Segment des Bauteils 10. Fig. 3 zeigt exemplarisch eine Anordnung eines
erfindungsgemäßen Werkzeugs 30 in einer Umformanlage 29 im Zustand des ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes. Das Werkzeug 30 umfasst hierbei einen Oberstempel 31 sowie einen Unterstempel 32, wobei diese zur Ausübung einer oberen
Umformkraft 33 sowie einer unteren Umformkraft 34 ausgebildet sind. Die Anlage 29 ist symmetrisch zu einer Symmetrieachse 35 aufgebaut und vorliegend im Schnitt dargestellt. Im Betrieb der Anlage 29 kann der Oberstempel 31 eine Bewegung in der Bewegungsrichtung nach unten 36 ausführen. Der Unterstempel 32 führt im Laufe des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls eine Bewegung in der Bewegungsrichtung nach unten 36 aus. Zur
Rückstellung der Anlage 29 auf die entsprechenden
Ausgangspositionen werden die Bewegungen der Richtung nach unten 36 in Richtungen nach oben 37 umgekehrt.
In den Arbeitsbereich des Werkzeugs 30 wird der Vorformling 2 mit der Wandstärke tl 4 der Wand 5 und einer ersten Wandhöhe x 3 eingesetzt. Der Vorformling 2 besitzt eine
Außenwandfläche 40 sowie eine Innenwandfläche 41 zur
Ausbildung der Napfform 6. Im oberen Bereich des Werkzeugs befindet sich ein Innenwandstützkörper 42, welcher während des Einsetzens des Vorformlings 2 in das Werkzeug 30 oberhalb der Oberkante der Wand 43 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst das Werkzeug 30 einen Außenwandstützkörper 44, welcher im unteren Bereich des Werkzeugs angeordnet ist. Oberhalb des
Außenwandstützkörpers 44 befindet sich der
Matrizenhohlraum 45, welcher in radialer Richtung 46,
ausgehend von der Symmetrieachse 35, einen Aufnahmebereich für den später erfolgenden Stauchprozess für das verdrängte
Material bildet, wodurch die angestrebte Struktur des Bauteils ausgeformt werden kann.
Des Weiteren umfasst das Werkzeug 30 einen Anschlag 47 für die Aufwärtsbewegung des Außenwandstützkörpers, welcher im unteren Bereich angeordnet ist.
Der Innenwandstützkörper 42 ist von oben her mit einem Druckkolben 48 versehen, welcher eine definierte Druckkraft für den Innenwandstützkörper bereitstellt. Entsprechend ist der Unterstempel 32 ebenfalls mit einem unteren Druckkolben 49 versehen, welcher eine, der oberen Druckkraft des Kolbens 48 entgegenwirkende jedoch geringere untere Druckkraft
bereitstellt .
Im Zuge des nicht dargestellten zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensschritts wird der Innenwandstützkörper 42 in die Napfform 6 des Vorformlings 2 eingefahren. Sodann drückt dieser auf die Bodenfläche 7 mit der Druckkraft des oberen Druckkolbens 48 und schiebt den Vorformling 2 mitsamt dem Unterstempel 32 gegen die Druckkraft des unteren Kolbens 49 nach unten in das Werkzeug hinein. Die Kräfte sind daher so eingestellt, dass die vom oberen Kolben 48 bereitgestellte Kraft zumindest leicht größer ist, als die vom unteren Kolben 49 entgegengehaltene Kraft. Bei der anschließenden Öffnung des erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Entnahme des Bauteils ist der Ablauf der Bewegungen umgekehrt.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung der Anlage 29 nach Fig. 3 im dritten Verfahrensschritt, wobei der Umformprozess des
Vorformlings 2 zum angestrebten Bauteil 10 vollzogen ist.
Fig. 4 zeigt, dass der Vorformling 2 nunmehr zum Bauteil 10, welches die radial gemessene Wandstärke t2 21 unterhalb der aufgebrachten Struktur aufweist und zu einer zweiten kleineren Höhe b 20, durch den Stauchprozess 50 umgeformt wurde. Die Position des Innenwandstützkörpers 42 relativ zur Bodenfläche 7 des Vorformlings 2 hat sich hierbei während des
Stauchprozesses 50 nicht verändert. Zur Durchführung des
Stauchprozesses 50 wurde der Unterstempel 32 mit dem darauf befindlichen Vorformling 2 abgesenkt, wodurch der Vorformling entlang der Bewegungsrichtung 36 nach unten in den Bereich zwischen dem Außenwandstützkörper 44 zur Abstützung der
Außenwandfläche 40 und dem Innenwandstützkörper 42 eingebracht wurde. Durch Absenkung des Oberstempels mit dem daran
anliegenden Innenwandstützkörper 42, letzteren in den
Innenbereich des Vorformlings 2 zur Abstützung der
Innenwandfläche 41, wurde das Werkzeug geschlossen, so dass durch den Oberstempel der Stauchprozess 50 zur Umformung des Vorformlings 2 zu dem Bauteil 10 vollzogen werden kann.
Hierbei wird der Matrizenhohlraum 45 durch verdrängtes
Material der Wand 5 des Vorformlings 2 gefüllt, so dass die Struktur 51 entsteht. Die Position des Außenwandstützkörpers 44 verändert sich dabei relativ zur Position der Bodenfläche, weil aus diesem Bereich Material aus der Wand 5 des
Vorformlings 2 in den Matrizenhohlraum 45 verdrängt wird.
Fig. 5 zeigt die Anlage mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug 30 während des Entnahmeprozesses des Bauteils 10. Bei
zurückgezogenem Oberstempel 31, welcher an seinem unteren Ende einen Druckring 52 aufweist, und dem dadurch ebenfalls
entnommenen Innenwandstützkörper 42, und dem durch den
Unterstempel 32 ausgeworfenen Bauteil 10 wird der
Matrizenhohlraum 45 im Matrizenkörper 53 wieder freigegeben. Die Höhe des Matrizenhohlraums 54 entspricht der Höhe der entstandenen Struktur am fertigen Bauteil 10, ebenso wie das Volumen des Matrizenhohlraums 55 im Wesentlichen dem Volumen der Struktur am Bauteil 10 entspricht.
Fig. 6 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer
Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs 60, wobei in dieser Anlage Anpassungen zur Bereitstellung eines volumenflexiblen Matrizenhohlraums 64 vorgenommen wurden. Bezüglich
äquivalenter vergleichbarer Bezeichnungen wird auf die Figuren 3 bis 5 verwiesen, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel Details verändert wurden.
Die Ausführung nach Fig. 6 zeigt ein Werkzeug 60, welches einen Oberstempel 61 sowie einen Unterstempel 62 umfasst. In den Vorformling 2 ist in vorliegender Darstellung bereits der Innenwandstützkörper 63 eingefahren und das Werkzeug 60 wurde geschlossen. Im geschlossenen Zustand weist das Werkzeug 60 einen Matrizenhohlraum 64 auf, wobei in vorliegender
Darstellung linksseitig die Hohlraumgröße im Bereich
beispielsweise der Struktur eines Zahns, rechtsseitig die Hohlraumgröße im Bereich eines Zahnzwischenraums, und daher kleiner, dargestellt ist. Der Matrizenhohlraum 64 hat eine Anfangshöhe 65, welche so klein gewählt wurde, dass eine
Ausknickung der Wand 5 des Vorformlings 2 beim Beginn des Stauchvorgangs der Wand 5 des Vorformlings 2 vermieden wird. Unterhalb des Matrizenhohlraums 64 ist vorliegend ein
Außenwandstützkörper 66 dargestellt, welcher auf seiner
Unterseite durch einen Federballast 67 gehalten wird.
Zu dieser und den folgenden Figuren ist anzumerken, dass die Bezeichnung eines jeweiligen Federballast symbolisch für verschiedene, eine Kraft oder Gegenkraft ausübende Aktuatoren steht, so dass durchaus auch Druckzylinder oder andere
definierte oder regelbare Krafterzeuger oder
Verfahreinrichtungen alternativ eingesetzt werden können. Aus Gründen der schematischen Übersichtlichkeit wurden in den Figuren Federballaste dargestellt.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung nach Fig. 6, wobei der
Stauchprozess vorliegend durch Abwärtsbewegung des
Oberstempels 61 begonnen wurde. Der Innenwandstützkörper 63 fährtentgegen eines oberhalb angeordneten Federballasts 70 in den Oberstempel 61 ein, so dass ein Volumenbestandteil des Vorformlings 2 in den Matrizenhohlraum 64 mittels
Querfließpressen bzw. Stauchen eingebracht wurde. Der
Außenwandstützkörper 66 befindet sich hierbei im selben
Zustand wie in der Position nach Fig. 6, so dass bisher nur die Anfangshöhe des Matrizenhohlraums 65 mit Material gefüllt ist .
Fig. 8 zeigt einen weiteren Zustand der Anlage gemäß Fig. 6 und Fig. 7, wobei in vorliegendem Zustand durch zusätzliche Verdrängung von Material des Vorformlings 2 durch den
ausgeführten Stauchprozess der Außenwandstützkörper 66 gegen den Federballast 67 nach unten verdrängt wurde, wodurch die Höhe des Matrizenhohlraums 71 auf die Endhöhe der Struktur des herzustellenden Bauteils angewachsen ist. Auf diese Weise konnte erzielt werden, dass eine verhältnismäßig große Endhöhe des Matrizenhohlraums 71 gegenüber der Anfangswandstärke tl zur Herstellung einer Struktur 13 (beispielsweise von Zähnen an einem Zahnrad an einem Bauteil 10) erreicht werden konnte, ohne dass eine Ausknickung des Materials beim Querfließpressen bzw. Stauchen erfolgt.
Fig. 9a zeigt eine weitere Darstellung eines Segmentschnitts eines Vorformlings 2, welcher eine Anfangswandstärke tl 4 aufweist. Das Material, welches zur Ausbildung einer Struktur 13 im Rahmen eines Umformungsprozesses durch Querfließpressen bzw. Stauchen aus der Wand 5 des Vorformlings 2 zur Verfügung steht, entspricht dem Materialvolumen der umlaufenden Wand 5, gebildet durch die Anfangs-Wandhöhe x 3 und die Wandstärke tl 4.
Die Darstellung in Fig. 9b zeigt schematisch, dass ein Träger 11 mit der Wandstärke tl 4, welcher dem Schnittvolumen aus dem Bauteil 10 und dem hineinproj izierten Vorformling 2
entspricht, eine Basis bildet. Gegenüber dem Vorformling 2 hat einerseits eine Wandverdickung auf eine Wandstärke t2 21 als ein Bestandteil der Struktur stattgefunden , andererseits ist zusätzlich Materialvolumen in Form einer Zahnhöhe 22 als weiterer Bestandteil der Struktur geflossen. Das gesamte umgeformte Materialvolumen der somit auf den Träger
aufgebrachten Struktur, gebildet aus Wandverdickung und der Zahnhöhe, ist somit aus dem Material der Wand 5 des
Vorformlings 2 zu beziehen.
Fig. 10a bis d zeigen Variationen der verschiedenen
Ausgestaltungen der Bauteile 10, bei welchen auf einen Träger 11 auf eine Trägerfläche 12 unterschiedliche, die
Trägerfläche 12 umlaufende Strukturen 13 aufgebracht wurden. Hierbei ist es, je nach Ausgestaltung des Werkzeugs und des Matrizenhohlraums denkbar, dass die Struktur 13 entweder an der Oberkante endet (a) sowohl im Bereich der Oberkante des Trägers 11 als auch im Bereich der Unterkante des Trägers 11 einen Versatz aufweist (b) oder gemeinsam mit den Ober- und Unterkanten des Trägers abschließt (c) bzw. auch nur im
Bereich der Oberkante des Trägers einen Versatz aufweist (d) . Fig. IIa sowie IIb zeigen eine mögliche Ausgestaltung eines Bauteils 100, welches erfindungsgemäß hergestellt wurde.
Zusätzlich zur bisher gezeigten einfachen Fassung einer
Aufbringung nur einer Struktur, beispielsweise einer
Verzahnung auf einen napfförmigen Vorformling 2 ist vorliegend in Fig. 11 eine weitere Variation, beispielsweise unter
Ausformung eines um einen Aufnahmebereich für eine zentrische Achse erweiterten Bauteils 100 dargestellt. Vorliegend ist am Bauteil 100 eine Außenverzahnung entsprechend der
vorangegangenen Beispiele ausgeformt. Die Außenverzahnung 101 wurde bündig mit der Oberkante der Wand 102 des Trägers ausgeformt. Im Bereich der Öffnung 8 wurde ebenfalls durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlicher
Wandaufbau bereitgestellt, in welchem beispielsweise eine Nut für eine Passfeder 103 ausgespart sein kann. Um derartige Ausformungen bereitstellen zu können, muss der Vorformling entsprechende Wandelemente vorsehen, was jedoch insbesondere bei der umformtechnischen Herstellung aus einem Blech möglich ist .
Fig. IIb zeigt eine Draufsicht des Bauteils 100.
Fig. 11c zeigt eine Darstellung von elliptisch ausgeformten Bauteilen 105, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Zugrundelegung des Vorteils höchster Flexibilität bezüglich der Formgebung hergestellt werden können. Zusätzlich zu dem hier dargestellten elliptischen Bauteil 105 sind auch beliebige andere Geometrien denkbar, welche aus einem
entsprechenden Vorformling mit zugehöriger Geometrie
hergestellt werden können.
Fig. 12a sowie 12b zeigen weitere Ausgestaltungen von
Bauteilen 110 sowie 111, welche über das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar sind. Exemplarisch sei an Fig. 12a, dem Bauteil 110, dargestellt, dass sich zusätzlich zur
Außenverzahnung 112 im Bereich eines Außenflansches 113, auch eine Innenverzahnung 114 anschließen kann. Des Weiteren ist auch an einem Innenflansch 115 sowohl eine Innenverzahnung 116 als auch eine Außenverzahnung 117 ausformbar, wobei das zur Ausbildung der jeweiligen Struktur benötigte Material stets aus der Wandhöhe des zur Verfügung gestellten Vorformlings bereitgestellt werden muss. Exemplarisch sowie ergänzend ist in Fig. 12b ein Bauteil dargestellt, bei welchem der
Innenflansch zur Unterseite hin nach unten, also zur
Bauteilaußenseite austritt und ebenfalls entsprechende
Verzahnungen aufweist.
Entsprechend der Darstellung aus Figur 9 können auch die
Bauteile der Figuren 10-12 neben ausgeformten Strukturen, beispielsweise in Form von Zähnen, zusätzliche
Strukturbestandteile in Form von Wandverdickungen durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten.
Fig. 13 zeigt eine schematische Teildarstellung einer Anlage unter Einsatz einer weiteren Ausgestaltung eines
erfindungsgemäßen Werkzeugs. Das erfindungsgemäße Werkzeug 130 umfasst ebenfalls einen Oberstempel 131 sowie einen
Unterstempel 132, welche zur Ausübung einer Umformkraft auf einen Vorformling 2 eingesetzt werden. Zusätzlich zu den
Stempeln 131, 132 ist ein Innenwandstützkörper 133 vorgesehen, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Innenwand des Vorformlings 2 vollflächig abstützt. Zur Bereitstellung entsprechender Strukturen, wie sie in den vorangegangenen Figuren 11 und 12 beschrieben wurden, sind die Stützkörper anzupassen bzw. unterschiedliche äquivalente Ausgestaltungen zu nutzen.
Vorliegende Ausführung des Werkzeugs 130 gemäß Fig. 13 umfasst des Weiteren eine Anordnung von Außenwandstützkörpern 134 und 135, welche einen oberen Außenwandstützkörper 134 sowie einen unteren Außenwandstützkörper 135 betrifft. Zwischen den an die Außenwand des Vorformlings 2 anliegenden Bereichen der
Außenwandstützkörper 134 bzw. 135 wird ein Hohlraum 136 gebildet, welcher dem Wandmaterial des Vorformlings 2 während des Umformprozesses als Matrizenhohlraum zur Verfügung steht. Der Hohlraum 136 weist eine Anfangshohlraumhöhe 137 auf, welche entsprechend der zu berücksichtigenden Ausknicklänge nach dem erfindungsgemäßen Verfahren klein gehalten ist. Der Außenwandstützkörper oben 134 ist gegenüber dem Oberstempel 131 mit einem Federballast 138 abgestützt. Der
Außenwandstützkörper unten 135 entsprechend gegenüber dem Unterstempel 132 mit einem Federballast 139.
Fig. 14 zeigt die Darstellung der Anlage nach Fig. 13, wobei in Fig. 14 vorliegend der Umformprozess durch Absenken des Oberstempels 131 begonnen wurde. Durch in den Hohlraum 136 eindringendes Material wird sowohl auf den
Außenwandstützkörper oben 134 als auch auf den
Außenwandstützkörper unten 135 eine resultierende Kraft ausgeübt, welche den Stützkörper entgegen des jeweiligen
Federballasts 138, 139 treibt. In der Darstellung nach Fig. 14 erfuhr der Außenwandstützkörper oben 134 noch keine Bewegung, wohingegen der Außenwandstützkörper unten 135 bereits einen Versatz nach unten zeigt.
In Fig. 15 ist eine weitere Darstellung der Anlage nach Fig. 13 gezeigt, wobei vorliegend sowohl der Außenwandstützkörper oben 134 als auch der Außenwandstützkörper unten 135 einen Versatz gegen den jeweiligen Federballast 138 sowie 139 zeigt.
Fig. 16 zeigt eine Darstellung, bei welcher die Anlage gemäß Fig. 13 mit dem Werkzeug 130 den Außenwandstützkörper unten 135 bereits vollständig bis zu einem Punkt, an dem ein
Gegenhalter 140 den Weg begrenzt, bewegt hat. Selbiges trifft für den Aussenwandstützkörper oben 134 und den Gegenhalter 141 zu. Auf diese Weise wurde der Bereich zwischen den
Stützkörpern 134 und 135, welcher als Matrizenhohlraum zur Verfügung steht, erweitert, so dass eine End-Hohlraumhöhe 142 zur Ausbildung der Struktur bereitsteht.
Die Figuren 17, 18, 19 sowie 20 zeigen eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs 171. Hierbei wurde gegenüber der vorangegangenen Darstellung ein weiterer Federballast 172 zwischen den unteren Wandstützkörper 135 und den Oberstempel 131 eingebracht. Auf diese Weise wird, wie in den Figuren 17- 20 dargestellt für das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, dass sich der Anfangshohlraum 172 während des Umformvorgangs entlang der Wandfläche des Vorformlings 2 bewegt und sein zur Verfügung stehendes Volumen verändert. Somit wird einerseits ein Ausknicken der Wand des dünnwandigen Vorformlings 2 vermieden als auch andererseits der benötigte Volumenfluss zur Ausbildung der Struktur im Hohlraum zu kurzen Fließwegen optimiert, da beispielsweise nicht das vollständige Material über die gesamte Wandhöhe x des Vorformlings transportiert werden muss. Durch ähnliche Reibverhältnisse auf beiden Seiten des Hohlraums verbessert sich zudem die Formfüllung. Eine dynamische Vergrößerung des Hohlraums wird bei entsprechender Anpassung der Kraftparameter der jeweiligen Federballaste erreicht .
Die Bewegungssteuerung der beweglichen Werkzeugelemente in den Figuren 3 - 5, 6 - 8 und 13 - 20 kann neben den hier
dargestellten Anschlägen, Federballasten, Verdrängerstiften, Druckbolzen und Gegenhaltern alternativ auch durch
Antriebsachsen, Ziehkissen oder andere Kraft- oder Weg-Aktoren erfolgen .
Bezugszeichenliste
1 flächiger Rohling
2 Vorformling
3 Wandhöhe x
4 Wandstärke tl
5 Wand
6 Napfform
7 Bodenteil
8 Öffnung
9 Segmentschnitt, L-Form/U-förmige Querschnittssymmetrie
10 Bauteil
11 Träger
12 Trägerfläche
13 Struktur (z.B. Zähne und/oder Aufdickung)
14 Zähne
20 Zahnbreite b
21 Wandstärke des Trägers t2
22 Zahnhöhe h
29 Umformanlage
30 Werkzeug
31 Oberstempel
32 Unterstempel
33 Umformkraft
34 Umformkraft
35 Symmetrieachse
36 Bewegungsrichtung nach unten
37 Bewegungsrichtung nach oben
40 Außenwandfläche
41 Innenwandfläche
42 Innenwandstützkörper
43 Oberkante der Wand
44 Außenwandstützkörper
45 Matrizenhohlraum
46 radiale Richtung
47 Anschlag für Aufwärtsbewegung des Außenwandstützkörpers
48 Druckbolzen oben
49 Druckbolzen unten
50 Stauchprozess durch die Umformung verdrängtes Material
Druckring
Matrizenkörper
Höhe des Matrizenhohlraums
Volumen des Matrizenhohlraums
Werkzeug
Oberstempel
Unterstempel
Innenwandstützkörper
Matrizenhohlraum
Anfangshöhe des Matrizenhohlraums
Außenwandstützkörper
Federballast
Federballast
Endhöhe des Matrizenhohlraums
Bauteil
Außenverzahnung
Wand
Nut für Passfeder
elliptische Bauteile
Bauteil
Bauteil
Außenverzahnung
Außenflansch
Innenverzahnung
Innenflansch
Innenverzahnung
Außenverzahnung
Werkzeug
Oberstempel
Unterstempel
Innenwandstützkörper
Außenwandstützkörper oben
Außenwandstützkörper unten
Hohlraum
Anfangshohlraumhöhe
Federballast oben
Federballast unten
Gegenhalter 141 Gegenhalter
142 Endhohlraumhöhe
170 Federballast
171 Werkzeug

Claims

Ansprüche :
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem aus
metallischem Material bestehenden dünnwandigen
Vorformling (2 ) ,
wobei das Bauteil (10, 100, 105, 110, 111) einen Träger (11) und eine mit dem Träger (11) verbundene, eine Trägerfläche (12) wenigstens teilweise umlaufende Struktur (13) umfasst,
wobei der Vorformling (2) eine Wand (5, 102) mit einer ersten Höhe x (3) und einer ersten, radial gemessenen Wandstärke tl (4) aufweist,
wobei in einem ersten Schritt der Vorformling (2) zur Umformung in ein Werkzeug (30, 60, 130, 171) eingelegt wird,
wobei das Werkzeug (30, 60, 130, 171) mindestens einen Innenwand-Stützkörper (42, 63, 133) und mindestens einen Außenwand-Stützkörper (44, 66, 134, 135) sowie mindestens einen Oberstempel (31, 61, 131) und
mindestens einen Unterstempel (32, 62, 132) zur Ausübung einer Umformkraft (33, 34) umfasst,
wobei in einem zweiten Schritt das Werkzeug (30, 60,
130, 171) derart geschlossen wird, dass der Innenwand- Stützkörper (42, 63, 133) an einer Innenwandfläche (41) des Vorformlings (2) und der Außenwand-Stützkörper (44, 66, 134, 135) an einer Außenwandfläche (40) des Vorformlings (2) anliegend positioniert wird und dass der Vorformling (2) zwischen dem Oberstempel (31, 61, 131) und dem Unterstempel (32, 62, 132) eingeschlossen wird,
wobei in einem dritten Schritt der Vorformling (2) durch eine Krafteinwirkung der Stempel (31, 32, 61, 62,
131, 132) zu dem Bauteil (10, 100, 105, 110, 111) umgeformt wird,
wobei das Werkzeug (30, 60, 130, 171) hierzu wenigstens einen Matrizenhohlraum (45, 64) zur Aufnahme von durch die Umformung verdrängtem Material (51) des
Vorformlings (2) aufweist,
wobei während der Umformung die Wand (5, 102) des Vorformlings (2) von der ersten Höhe x (3) auf eine zweite, kleinere Höhe b (20) gestaucht wird und dabei Material der Wand (5, 102) des Vorformlings (2) den mindestens einen Matrizenhohlraum (45, 64) im
Wesentlichen füllt,
wobei eine entsprechend radial gemessene Wandstärke t2 (21) des entstehenden Bauteils (10, 100, 105, 110, 111) gegenüber der ersten Wandstärke tl (4) des Vorformlings (2) wenigstens konstant bleibt oder zunimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Vorbereitungsschritt durch Umformen, vorzugsweise Tiefziehen aus einem flächigen Rohling (1),
vorzugsweise einem Blech der Vorformling (2)
hergestellt wird, welcher im Segmentschnitt
vorzugsweise eine L-Form, insbesondere eine U-förmige Querschnittsymmetrie (9) , vorzugsweise eine Napfform (6) aufweist, wobei die Napfform (6) als elliptischer, kreisrunder oder unregelmäßiger Körper mit der umlaufenden Wand (5, 102) und einem vorzugsweise nicht vollständig geschlossenen Boden (7) ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling (2) vor und/oder während der Umformung erwärmt wird, um eine Halbwarmumformung oder Warmumformung vorzunehmen.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Umformung die Position mindestens eines Wand-Stützkörpers (42, 44, 63, 66,
133, 134, 135) relativ zu einer Bodenfläche oder einer Stirnfläche des Vorformlings (2) ortsfest gehalten wird .
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Umformung die Position mindestens eines, an den Matrizenhohlraum (45, 64) angrenzenden Wand-Stützkörpers (42, 44, 63, 66, 133,
134, 135) relativ zu einer Bodenfläche oder einer Stirnfläche des Vorformlings (2) verändert wird, vorzugsweise der Wandstützkörper (42, 44, 63, 66, 133,
134, 135) eine Bewegung parallel und in Relation zur Bewegung mindestens eines Stempels (31, 32, 61, 62, 131, 132) ausführt.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umformung der Oberstempel (31,
61, 131) ortsfest gehalten und der Unterstempel (32,
62, 132 mit dem Vorformling (2) bewegt, und der Vorformling (2) gegen den Oberstempel (31, 61, 132) gepresst wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umformung der Unterstempel (32, 62, 132) ortsfest gehalten und der Oberstempel (31, 61, 131), vorzugsweise in Form eines Druckrings (52) bewegt wird, und der Vorformling (2) gegen den
Unterstempel (32, 62, 132) gepresst wird.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Umformung mindestens ein Matrizenhohlraum (45, 64) eine Bewegung in Relation zu einer Bewegung einer Oberkante der Wand (5, 102) des sich verformenden Vorformlings (2) ausführt.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (55) mindestens eines Matrizenhohlraums (45, 64) während der Umformung, vorzugsweise dessen Höhe (54) vergrößert wird.
10. Werkzeug zur umformtechnischen Herstellung eines Bauteils nach einem Verfahren gemäß den vorangegangenen Ansprüchen 1 bis 9, umfassend:
einen Aufnahmeraum mit einer Raumhöhe und einer Raumstärke zur vollständigen Aufnahme eines
Vorformlings (2) mit einer Wandhöhe x (3) und einer radial gemessenen Wandstärke tl (4),
mindestens einen Innenwand-Stützkörper (42, 63, 133) zur Abstützung einer Innenwandfläche (41) des Vorformlings (2), mindestens einen Außenwand- Stützkörper (44, 66, 134, 135) zur Abstützung einer Außenwandfläche (40) des Vorformlings (2),
mindestens einen als Erweiterung des Aufnahmeraums ausgebildeten Matrizenhohlraum (45, 64) mit einer zur Raumhöhe parallel verlaufenden Hohlraumhöhe (54), mindestens einen Oberstempel (31, 61, 131) und
mindestens einen Unterstempel (32, 62, 132) zur Ausübung einer Umformkraft (33, 34) zur Ausführung eines Umformvorgangs durch Verringerung der Raumhöhe des Aufnahmeraums und Verdrängung von Wandmaterial (51) des Vorformlings (2) in den Matrizenhohlraum (45, 64), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zu Beginn der Umformung bei geschlossenem Werkzeug (30, 60, 130, 171) das Verhältnis der Raumhöhe des
Aufnahmeraums bzw. der Wandhöhe x (3) des Vorformlings (2) zur Wandstärke tl (4) des Vorformlings (2) größer 2,3 ist.
11. Werkzeug (30, 60, 130, 171) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Matrizenhohlraumhöhe (54) zu Beginn der Umformung zur Wandstärke tl (4) des
eingelegten Vorformlings (2) kleiner 10, vorzugsweise kleiner 5 insbesondere kleiner als 2,3 ist.
12. Werkzeug (30, 60, 130, 171) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (30, 60, 130, 171) eine Matrize umfasst, an welcher der Matrizenhohlraum (45, 64) ausgebildet ist, wobei die Matrize insbesondere durch den Innenwand-Stützkörper (42, 63, 133) gebildet ist und/oder wobei die Matrize insbesondere durch den Außenwand-Stützkörper (44, 66, 134, 135) gebildet ist und/oder wobei die Matrize durch einen insbesondere separaten Matrizenkörper (53)
zumindest teilweise gebildet ist.
13. Werkzeug (30, 60, 130, 171) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrizenhohlraum (45, 64) während der Umformung, vorzugsweise in seiner Höhe (54) vergrößert wird, wobei die Vergrößerung durch Bewegung
mindestens eines Begrenzungselements des Matrizenhohlraums (45, 64) erfolgt und diese Bewegung aufgrund einer Verdrängung durch eindringendes Material (51) des Vorformlings (2)
und/oder durch aktives Verfahren des mindestens einen
Begrenzungselements erfolgt.
14. Durch Umformung mit einem Werkzeug (30, 60, 130, 171) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 und/oder einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 9 hergestelltes mechanisches Bauteil (10, 100, 105, 110, 111) mit einem Träger (11) und einer, eine Trägerfläche (12) zumindest teilweise umlaufende Struktur (13) wobei die Struktur (13) durch Querfließpressen bzw. einen Stauchprozess (50) einer Wand (5, 102) eines aus Blech
hergestellten Vorformlings (2), ausgehend von der Form des Vorformlings (2) erzeugt wurde,
dadurch gekennzeichnet, dass
die gestauchte Wand (5, 102) des Vorformlings (2) vor dem Stauchen eine Wandhöhe x (3) von mehr als dem 2,3 fachen ihrer Wandstärke tl (4) besitzt.
15. Bauteil (10, 100, 105, 110, 111) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke x (3) des Bauteils (10, 100, 105, 110, 111) größer oder gleich der Wandstärke tl (4) des Vorformlings (2) ist.
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