WO2013017659A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils und kombiniertes umformwerkzeug dafür - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils und kombiniertes umformwerkzeug dafür Download PDF

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WO2013017659A1
WO2013017659A1 PCT/EP2012/065147 EP2012065147W WO2013017659A1 WO 2013017659 A1 WO2013017659 A1 WO 2013017659A1 EP 2012065147 W EP2012065147 W EP 2012065147W WO 2013017659 A1 WO2013017659 A1 WO 2013017659A1
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WO
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forming
combined
forming tool
component
forming process
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Application number
PCT/EP2012/065147
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Bernd-Arno Behrens
Milan VUCETIC
Sven HÜBNER
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Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
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    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • 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
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/20—Deep-drawing
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    • B21D53/00—Making other particular articles
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    • 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
    • B21J5/12—Forming profiles on internal or external surfaces

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component from a semifinished product according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a combined forming tool for carrying out such a method according to claim 9.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for producing a component from a semifinished product by means of at least two different forming processes, which allows a faster and more efficient industrial production.
  • a suitable for this purpose forming tool should be specified.
  • the object is achieved by a method for producing a component from a semifinished product by means of at least two different forming methods, wherein a combined forming tool is used, which is for execution the at least two forming methods are set up, wherein the at least two forming methods are carried out successively without changing the combined forming tool and wherein the combined forming tool is subjected to a force in the second forming method whose effective direction is substantially equal to one during the first forming method combined forming tool is applied force.
  • the invention has the advantage that a combined forming process can be specified with which at least two different forming processes can be carried out within a single process stage and within the same main flow of force. A tool change between the two or more forming processes is not required.
  • the invention is particularly suitable for laminar semi-finished products, such. As sheets, but also for other semi-finished products, such. B. wires.
  • the inventive method allows the production of a component from a semi-finished product with lower production times and thereby with more efficient automation techniques. This allows mass production of components with lower costs, less time and energy savings.
  • the invention makes it possible that components which were previously made of solid material, can be replaced by sheet metal parts, which can be manufactured more cheaply.
  • the invention has the advantage that the two or more forming methods can be considered and optimized separately with regard to the mechanical loading of the component. This has the advantage that materials of inferior ductility can also be processed with the method according to the invention, without causing destruction of the component.
  • the fiber flow of the components is not interrupted by the forming process.
  • dispensing with machining processes there is also a greater choice of materials to be processed.
  • it was only possible with comparatively high outlay to machine materials of high strength by machining this is different due to the use of forming methods.
  • the use of the forming method according to the invention is particularly suitable for the production of gears.
  • a corresponding forming process would result in components that can be produced within a single-stage production process by the stringing together of a plurality of forming processes that differ in terms of their degree of deformation, have no fiber breakage and are accessible to cold forming, thus rendering heat treatment unnecessary so that no adverse structural damage occurs.
  • the hardening process can be dispensed with by the work hardening taking place at the tribologically stressed sealing areas.
  • the dimensional accuracy of the components is positively influenced.
  • the first forming process is a sheet metal forming process, such. B. a deep drawing process or a bending process.
  • the second forming process is a massive forming process, such. B. extrusion. This allows efficient and rapid production of components which, according to the prior art, required a machining step.
  • z. B. synchronizer rings for motor vehicle transmission are made particularly efficient.
  • Other applications are z. As seat adjuster for motor vehicles or general gear wheels from sheet metal semi-finished products.
  • massive forming is meant the transformation of semi-finished products, in contrast to the classical two-dimensional sheet metal forming, such. B. in deep drawing, in all three spatial directions and in all three spatial directions has similar dimensions, such. B. according to DIN 8582.
  • the so-called degree of deformation ⁇ is characterized in massive forming process characteristically comparatively large compared to two-dimensional Blechumform compiler.
  • the degree of deformation ⁇ of a massive forming process is at least two.
  • the second forming process is carried out after the first forming process.
  • the force applied to the combined forming tool is greater in the second forming process than in the first forming process.
  • the oscillation superimposition makes it possible to carry out the first and / or the second forming process with a mean lower impact force, so that the energy required for this purpose can be reduced.
  • the introduction of vibrations leads to a significant reduction in the applied central application force, so that a cold forming is possible.
  • the vibration superposition can be generated by a separate Schwingungsak- tuator, z. B. a piezo actuator, a tripodulhaschallaktuator or a hydraulic actuator, which is located in the main power flow.
  • the vibration actuator may be part of a manufacturing machine.
  • the vibration actuator may also be part of a combined forming tool, for example integrated in the forming tool.
  • the vibration parameters to be selected depend on the component and material. It is advantageous to set the oscillation frequency in the range of 50 to 750 Hz. According to an advantageous development of the invention, after the first forming process, the intermediate product then formed from the semifinished product is used in conjunction with a die surrounding the intermediate product as an axial bearing of the combined forming tool for carrying out the second forming process.
  • the forming tool is thereby stabilized, so that, for example, massive forming with large forces, optionally with vibration superimposition, can be carried out without problem.
  • the object is further achieved by a combined forming tool, which is adapted for carrying out a method of the previously described Art, wherein the combined forming tool, a first Umformbauelement which is adapted to transform the semifinished product into an intermediate product in the first forming process, and at least one second Umformbauelement which is adapted to transform the intermediate product in the second forming process to the component to be produced.
  • the forming tool may have a round cross section or any other shaped cross sections, for. As rectangular, square or elliptical cross-sections have.
  • the first forming component to a Kraftbeaufschlagungsachse which substantially corresponds to a Kraftbeaufschlagungsachse of the second Umformbauelements.
  • This has the advantage that with a force application by a corresponding machine, the at least two forming processes can be carried out in the same power flow, wherein only the size of the applied force has to be changed for the transition from the first forming process to the second forming process.
  • the first forming component is axially movable under the action of force in the direction of the force application axis relative to the second forming component. This allows a robust construction of the combined forming tool in the manner of a telescopic arrangement.
  • the first forming component can be coupled rigidly eg by means of a switchable coupling with the second forming component or can be loosened if necessary. So z. B. the first forming process with rigid coupling between the first Umformbauelement and the second Umformbauelement be executed, the coupling are then released by switching off the clutch, whereby an axial displacement of the first Umformbauelement is released compared to the second Umformbauelement. As a result, the second forming component for carrying out the second forming Procedure become effective.
  • the first forming component is supported relative to the second forming component via a spring element.
  • the spring element has the advantage that initially the first forming component is effective, wherein the loading force of the forming tool is then transmitted via the spring element to the semi-finished product.
  • the application force has to be increased to such an extent that the spring element springs in sufficiently, so that the second forming component can become effective for carrying out the second forming process.
  • the spring element is neutralized.
  • the spring element may e.g. be formed as a wire wound compression spring, as a rubber spring, as a plate spring or as a hydraulic spring.
  • the spring element is designed as a gas pressure spring, e.g. as a pneumatic gas spring. This has the advantage that commercial spring elements can be used, which are marketable in many embodiments.
  • the combined forming tool on a vibration actuator which is adapted to generate in the direction of the biasing force of the forming tool force oscillations.
  • the vibration actuator may e.g. a piezo actuator, a power ultrasonic actuator or a hydraulic actuator located in the main power flow. Due to the arrangement of the various forming components a guide of the kinematics in one and the same plane is possible, with the consequence that only a small wear on the entire forming tool is formed by the vibration loading.
  • FIG. 1 shows a combined forming tool
  • Figure 4 - a tensile strength / elongation at break diagram.
  • FIG. 1 shows a combined forming tool 20 in a side view in FIG Sectional view. Shown are also a die 8 and an ejector 9 for ejecting the finished component.
  • the combined forming tool 20 has as the first forming component 1 a punch, which is mounted longitudinally displaceable in a second forming component 3.
  • the second forming component 3 also serves as an outer housing component of the combined forming tool 20.
  • the punch 1 is mounted in the housing component 3 via guide bushes 7 and can be displaced in the longitudinal direction relative to the housing component 3.
  • a spring element 5, 1 3, 1 4 is arranged, which may be formed, for example, as a gas spring, for example in the form of a nitrogen cylinder.
  • the spring element has a spring housing component 1 3, in which a gas pressure chamber 5 is formed. Furthermore, the spring element has a relative to the spring housing component 1 3 in the longitudinal direction displaceable piston 1 4, which includes the gas in the gas pressure chamber 5.
  • the gas pressure chamber 5 is filled with a gas, for example nitrogen, with a pressure adapted for the respective application.
  • the spring element 5, 1 3, 14 acts on the piston 1 4 on a mounting plate 2, which is connected via a screw 6 with the punch 1.
  • the spring element 5, 1 3, 14 is fixed in its position on its opposite side via a bottom cover 4 which is connected to the housing component 3 of the combined forming tool 20.
  • the force is applied to the forming tool 20 with a force F in the direction of a Kraftbeetzleyungsachse 1 2, which also represents a central axis of the forming tool 20.
  • the punch 1 has a deep-drawing punch region 15, which during the first forming process effects a deep-drawing process of the semifinished product, eg a sheet.
  • the housing component 1 3 has a massive forming tool 10 in the front region, as shown more clearly in FIG. Figure 2 shows the housing member 3 separately with the massive forming tool 1 0, z. B. in the form of an externa ßeren toothing, which is suitable for producing a gear structure of a manufactured component. This is in addition to the figure 2 partially enlarged.
  • FIG 1 is shown as a counterpart to the forming tool 20, a die 8, which also serves as a drawing ring during the deep drawing process.
  • the die 8 has an internal toothing 1 1, as shown in Figure 1 in the Ausitessvergrö tion in a plan view.
  • a piece of material for example a sheet-metal blank, is first placed on the die 8 and optionally fixed with a holding-down device. Then, the forming tool 20 is acted upon by a first force in the direction of action 1 2. As a result, the deep-drawing punch region 15 of the stamp 1 performs a deep-drawing process, in which the semifinished product is drawn into the matrix 8 and is converted into an intermediate product. As can be seen, the die 8 has a base region 16 in which the deep-drawn punch region 15 can dip at the end of the deep-drawing process.
  • the forming tool 20 is again acted upon in the direction of action 1 2 with a second, larger force, which causes the spring element 5, 1 3, 14 springs in and the massive forming tool 1 0 in contact comes with the intermediate in the die 8.
  • a massive forming process is then carried out in which the massive forming tool 10 forms the tooth-like structure into the intermediate product.
  • the deep-drawing die area 15, which lies in the base area 16 also acts as an axial bearing of the forming tool 20, so that it can not break away laterally, even if the application of force is very great.
  • the suspension by the spring element 5, 1 3, 1 4 has the further advantageous effect that even with a vibration superposition in the second Forming process, the effect of the axial bearing is maintained, since the spring element always presses the deep-drawing punch area 1 5 in the base area 1 6.
  • the forming tool 20 is continued by the die 8.
  • the finished component can then be removed by means of the ejector 9 from the die 8.
  • the die 8 is completely band-reinforced in order to safely absorb the forces which occur, in particular during massive forming.
  • the band reinforcement can be biased.
  • the combined forming tool can also have a third or further forming components, which are each sprung via a spring element relative to one of the other forming components of the forming tool.
  • FIG. 3 shows the structure of the component in the individual steps of the production method, with the component in each case being shown in a top view in the upper area of FIG. 3 and in a lateral sectional view in the lower area of FIG. Visible is the semi-finished product 30, which is available as a starting material. This is then transformed with the first forming process to an intermediate product 31, i. H. deformed by deep drawing. Then, the intermediate product 31 is formed into the desired component 32 by the second forming method, namely, the massive forming. It can be seen that the finished component 32 has an outer toothing that can be produced as a result of the massive forming without a cutting production step.
  • FIG. 4 shows, on the basis of the so-called banana diagram, the tensile strength of various high-strength materials by way of their breaking elongation.
  • the high-strength materials shown in FIG. 4 can be used in a production-wise rational manner for the production of e.g. B. are used by synchronizer rings and thereby the advantageous properties shown in the figure in terms of tensile strength and elongation at break are the achieved.
  • Such a combination of properties in terms of tensile strength and elongation at break was not so rationally feasible with previously known methods.
  • TWI P, LI P Steels iron manganese by twinning
  • BH, I, I F, P bake-hardening chisel, higher-strength isotropic steels, interstitial free, phosphor-alloyed steels

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (32) aus einem Halbzeug (30) mittels wenigstens zweier verschiedener Umformverfahren, wobei ein kombiniertes Umformwerkzeug (20) verwendet wird, das zur Ausführung der wenigstens zwei Umformverfahren eingerichtet ist, wobei die wenigstens zwei Umformverfahren nacheinander ohne Wechsel des kombinierten Umformwerkzeugs (20) ausgeführt werden und wobei das kombinierte Umformwerkzeug (20) beim zweiten Umformverfahren mit einer Kraft beaufschlagt wird, deren Wirkrichtung (12) im wesentlichen gleich einer während des ersten Umformverfahrens auf das kombinierte Umformwerkzeug (20) aufgebrachten Kraft ist. Die Erfindung betrifft ferner ein kombiniertes Umformwerkzeug für die Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und kombiniertes Umformwerkzeug dafür
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Halbzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft ferner ein kombiniertes Umformwerkzeug für die Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Anspruch 9.
Für die Herstellung von Bauteilen aus Halbzeugen, z.B. aus Blechen, sind verschiedene Umformverfahren bekannt, z. B. das Tiefziehen oder die Massivumformung. Bei der Herstellung bestimmter Bauteile werden im Laufe des Herstellungsprozesses in manchen Fällen mehrere Umformverfahren nacheinander ausgeführt. Bei bekannten Herstellprozessen treten relativ gro ße Fertigungszeiten auf, die mit Kosten, Zeitverbrauch und Energieverbrauch einhergehen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Halbzeug mittels wenigstens zweier verschiedener Umformverfahren anzugeben, das eine schnellere und effizientere industrielle Fertigung erlaubt. Zudem soll ein hierfür geeignetes Umformwerkzeug angegeben werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Halbzeug mittels wenigstens zweier verschiedener Umformverfahren, wobei ein kombiniertes Umformwerkzeug verwendet wird, das zur Ausführung der wenigstens zwei Umformverfahren eingerichtet ist, wobei die wenigstens zwei Umformverfahren nacheinander ohne Wechsel des kombinierten Um- formwerkzeugs ausgeführt werden und wobei das kombinierte Umformwerk- zeug beim zweiten Umformverfahren mit einer Kraft beaufschlagt wird, deren Wirkrichtung im wesentlichen gleich einer während des ersten Umformverfahrens auf das kombinierte Umformwerkzeug aufgebrachten Kraft ist. Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein kombiniertes Umformverfahren angegeben werden kann, mit dem wenigstens zwei verschiedene Umformverfahren innerhalb einer einzigen Prozessstufe und innerhalb desselben Hauptkraftflusses durch- geführt werden können. Ein Werkzeugwechsel zwischen den zwei oder mehr Umformverfahren ist nicht erforderlich. Die Erfindung eignet sich insbesondere für flächenhafte Halbzeuge, wie z. B. Bleche, aber auch für andere Halbzeuge, wie z. B. Drähte. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung eines Bauteils aus einem Halbzeug mit geringeren Fertigungszeiten und dabei mit effizienteren Automatisierungstechniken. Dies erlaubt eine Großserienfertigung von Bauteilen mit geringeren Kosten, geringerem Zeitaufwand und einer Energieeinsparung. Die Erfindung ermöglicht es, dass Bauteile, die bisher aus massivem Ma- terial gefertigt wurden, durch Blechteile ersetzt werden können, die kostengünstiger gefertigt werden können.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass die zwei oder mehr Umformverfahren im Hinblick auf die mechanische Belastung des Bauteils getrennt voneinander be- trachtet und optimiert werden können. Dies hat den Vorteil, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Werkstoffe minderer Duktilität verarbeitet werden können, ohne dass es dabei zu einer Zerstörung des Bauteils kommt.
Der Trend zur Produktion von fast ausschließlich durch Umformverfahren her- gestellten Bauteilen setzt sich durch den durch„Billiglohnländer" erzeugten Preisdruck fort. Fertigungszeiten gilt es zu minimieren, sodass hierdurch Kos- ten, Zeit und damit auch Energie gespart werden können. Bauteile, die konventionell durch spanende Fertigungsverfahren hergestellt werden, gilt es somit nahezu ausschließlich durch Umformverfahren herzustellen. Dies hat gerade für verschlei ßträchtige Bauteile enorme Vorteile:
Der Faserverlauf der Bauteile wird durch den Umformprozess nicht unterbrochen. Durch den Verzicht auf spanende Bearbeitungsverfahren besteht zudem eine grö ßere Auswahl an zu verarbeitenden Werkstoffen. So können nämlich auch Werkstoffe mit höheren Festigkeitseigenschaften umgeformt werden, die sonst nur unter sehr hohem Aufwand spanend bearbeitet werden können. War es in der Vergangenheit nur mit vergleichsweise hohem Aufwand möglich, Werkstoffe hoher Festigkeit spanend zu bearbeiten, stellt sich dies durch die Verwendung von Umformverfahren anders dar. Insbesondere für die Herstellung von Zahnrädern eignet sich der Einsatz des erfindungsgemäßen Umformverfahrens.
Ein entsprechendes Umformverfahren würde dazu führen, dass durch die Aneinanderreihung von mehreren in ihrem Umformgrad differierenden Umformver- fahren Bauteile erzeugt werden können, die zum einen innerhalb eines einstufigen Herstellungsprozesses erzeugt werden können, keine Faserverlaufsbrüche aufweisen und einer Kaltumformung zugänglich sind, womit keine Wärmebehandlung notwendig wird, sodass keine nachteilige Gefügebeeinträchtigung erfolgt.
Au ßerdem kann durch die an den tribologisch beanspruchten Verschließbereichen erfolgende Kaltverfestigung die Vornahme eines Härteprozesses entfallen. Insbesondere bei der Durchführung verschiedener Umformprozesse in einer Umformstufe wird die Maßhaltigkeit der Bauteile positiv beeinflusst. Rückfe- dermechanismen werden elimiert oder finden in reduzierter Form statt. Vielmehr wird die sich im Bauteil befindende„Restelastizität" durch einen unmittelbar folgenden Massivumformungsvorgang egalisiert, da versetzungsbewe- gungsbedingt der Umformungsprozess, was das Fließverhalten betrifft, nicht abrei ßt, sodass der Werkstoff ununterbrochen fließt.
Als Material für das Halbzeug eignen sich besonders:
TRI P Stähle
TWI P (LI P) Stähle Eisen Mangan durch Zwillingsbildung
Dualphasenstähle (DP)
Complexphasenstähle (CP)
CrMn Stähle
Ferritisch Bainitische Stähle (FB)
Ferritische Stähle
Partiell martensitische Stähle (MS)
DDQ (Deep drawing Quality) Stähle
So können mit der Erfindung z.B. Synchronringe, Zahnräder etc. im Durchmes- ser kleiner und im Querschnitt dünner gefertigt werden, da es unmittelbar Gewicht zu sparen und mittelbar Bauraum zu minimieren gilt. Zusätzlich wird die Beanspruchung der Bauteile durch höhere Schaltkräfte, kürzere Schaltzeiten, höhere Schalthäufigkeiten und größere Trägheitsmomente erhöht. Dieser Umstand führt dazu, dass die Reibflächenverformung sehr stark von der Geomet- rie und damit mittelbar vom Werkstoff des Ringsträgers abhängt (kleinere und dünnere Geometrien können nur durch den Einsatz fester Werkstoffe realisiert werden). Umformtechnische Verfahren können hierbei weitergehende Werkstoffe erzeugen und hierdurch die Mängel des Standes der Technik beheben. Die Erfindung eignet sich für eine Anwendung verschiedener Arten von Umformverfahren, insbesondere für Kaltumformverfahren und für Warmumform- verfahren. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erste Umformverfahren ein Blechumformungsverfahren, wie z. B. ein Tiefziehverfahren oder ein Biegeverfahren. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das zweite Umformverfahren ein Massivumformverfahren, wie z. B. das Fließpressen. Dies erlaubt eine effiziente und schnelle Herstellung von Bauteilen, die nach bisherigem Stand der Technik einen Prozessschritt der spanenden Bearbeitung benötigt hatten. So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren z. B. Synchronringe für Kraftfahrzeuggetriebe besonders effizient hergestellt werden. Weitere Anwendungsfälle sind z. B. Sitzversteller für Kraft- fahrzeuge oder allgemein Zahnräder aus Blechhalbzeugen.
Unter Massivumformung versteht man die Umformung von Halbzeugen, die im Gegensatz zur klassischen zweidimensionalen Blechumformung, wie z. B. beim Tiefziehen, in allen drei Raumrichtungen erfolgt und in allen drei Raumrichtun- gen ähnliche Abmessungen aufweist, wie z. B. gemäß DIN 8582. Der sogenannte Umformgrad φ ist bei Massivumformverfahren charakteristischerweise im Vergleich zu zweidimensionalen Blechumformverfahren vergleichsweise groß. Beispielsweise beträgt der Umformgrad φ eines Massivumformverfahrens wenigstens zwei.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das zweite Umformverfahren nach dem ersten Umformverfahren ausgeführt. Die Kraft, mit der das kombinierte Umformwerkzeug beaufschlagt wird, ist im zweiten Umformverfahren größer als im ersten Umformverfahren. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache Weise von dem ersten Umformverfahren auf das zweite Umformverfahren übergegangen werden kann, indem nach ausreichender Verformung durch das erste Umformverfahren die Beaufschlagungskraft des Umformwerk- zeugs erhöht wird, um das zweite Umformverfahren auszuführen. Die Kraftbeaufschlagung des kombinierten Umformwerkzeugs kann mit einem festen oder nur langsam veränderlichen Kraftwert durchgeführt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das erste und/oder das zweite Umformverfahren mit schwingungsüberlagerter Kraftbeaufschlagung des kombinierten Umformwerkzeugs durchgeführt. Die Schwingungsüberlagerung ermöglicht es, mit einer im Mittel geringeren Beaufschlagungskraft das erste und/oder das zweite Umformverfahren durchzuführen, so dass die hierfür erforderliche Energie reduziert werden kann. Insbesondere im Fall eines Massivumformverfahrens führt die Einbringung von Schwingungen zu einer deutlichen Reduzierung der aufzubringenden mittleren Beaufschlagungskraft, so dass eine Kaltumformung ermöglicht wird.
Die Schwingungsüberlagerung kann durch einen gesonderten Schwingungsak- tuator erzeugt werden, z. B. ein Piezo-Aktuator, ein Leistungsultraschallaktuator oder ein hydraulischen Aktuator, der sich im Hauptkraftfluss befindet. Der Schwingungsaktuator kann Teil einer Herstellungsmaschine sein. Der Schwin- gungsaktuator kann auch Teil eines kombinierten Umformwerkzeugs sein, z.B. in das Umformwerkzeug integriert sein. Die zu wählenden Schwingungsparameter sind bauteil- und werkstoffabhängig. Es ist vorteilhaft, die Schwingungsfrequenz im Bereich von 50 bis 750 Hz einzustellen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird nach Durchführung des ersten Umformverfahrens das aus dem Halbzeug dann geformte Zwischenprodukt in Verbindung mit einer das Zwischenprodukt umgebenden Matrize als Axiallager des kombinierten Umformwerkzeugs für die Durchführung des zweiten Umformverfahrens verwendet. Dies erlaubt eine sichere Führung des Umformwerkzeugs, ohne dass zusätzliche Bauteile oder Zwischenschritte erforderlich sind. Das Umformwerkzeug wird hierdurch stabilisiert, so dass z.B. eine Massivumformung mit großen Kräften, gegebenenfalls mit Schwingungsüberlagerung, problemlos ausführbar ist. Die Aufgabe wird ferner durch ein kombiniertes Umformwerkzeug gelöst, das eingerichtet ist für die Durchführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art, wobei das kombinierte Umformwerkzeug ein erstes Umformbauelement, das dazu eingerichtet ist, in dem ersten Umformverfahren das Halbzeug zu einem Zwischenprodukt umzuformen, und wenigstens ein zweites Umformbauelement aufweist, das dazu eingerichtet ist, in dem zweiten Umformverfahren das Zwischenprodukt zu dem herzustellenden Bauteil umzuformen.
Das Umformwerkzeug kann einen runden Querschnitt oder beliebige anders geformte Querschnitte, z. B. rechteckige, quadratische oder elliptische Querschnitte, aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das erste Umformbauelement eine Kraftbeaufschlagungsachse auf, die im Wesentlichen einer Kraftbeaufschlagungsachse des zweiten Umformbauelements entspricht. Dies hat den Vorteil, dass mit einer Kraftbeaufschlagung durch eine entspre- chende Maschine die wenigstens zwei Umformverfahren in demselben Kraft- fluss durchgeführt werden können, wobei zum Übergang von dem ersten Umformverfahren zu dem zweiten Umformverfahren nur die Größe der aufgebrachten Kraft verändert werden muss. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erste Umformbauelement unter Krafteinwirkung in Richtung der Kraftbeaufschlagungsachse gegenüber dem zweiten Umformbauelement axial bewegbar. Dies erlaubt eine robuste Konstruktion des kombinierten Umformwerkzeugs in der Art einer Teleskopanordnung. Das erste Umformbauelement kann z.B. über eine schaltbare Kupplung mit dem zweiten Umformbauelement starr koppelbar bzw. bei Bedarf lösbar sein. So kann z. B. das erste Umformverfahren mit starrer Kopplung zwischen dem ersten Umformbauelement und dem zweiten Umformbauelement ausgeführt werden, die Kopplung durch Abschalten der Kupplung dann gelöst werden, wodurch eine Axialverschiebung des ersten Umformbauelement ge- genüber dem zweiten Umformbauelement freigegeben wird. Hierdurch kann dann das zweite Umformbauelement zur Durchführung des zweiten Umform- Verfahrens wirksam werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erste Umformbauelement gegenüber dem zweiten Umformbauelement über ein Federele- ment abgestützt. Das Federelement hat den Vorteil, dass zunächst das erste Umformbauelement wirksam wird, wobei die Beaufschlagungskraft des Um- formwerkzeugs dann über das Federelement auf das Halbzeug übertragen wird. Für den Übergang auf das zweite Umformverfahren muss lediglich die Beaufschlagungskraft soweit erhöht werden, dass das Federelement ausrei- chend einfedert, so dass das zweite Umformbauelement zur Durchführung des zweiten Umformverfahrens wirksam werden kann. Das Federelement ist dabei neutralisiert. Durch die Festlegung einer geeigneten Federkennlinie kann dabei der Übergang von der Beaufschlagungskraft im ersten Umformverfahren zur Beaufschlagungskraft im zweiten Umformverfahren nach Wahl eingestellt wer- den.
Das Federelement kann z.B. als aus Draht gewundene Druckfeder ausgebildet sein, als Gummifeder, als Tellerfeder oder als hydraulische Feder. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Federelement als Gas- druckfeder ausgebildet, z.B. als pneumatische Gasdruckfeder. Dies hat den Vorteil, dass handelsübliche Federelemente eingesetzt werden können, die in vielen Ausführungsformen marktgängig sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das erste Um- formbauelement wenigstens ein Blechumformungswerkzeug auf, z. B. ein Tiefziehwerkzeug oder ein Biegewerkzeug. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das zweite Umformbauelement wenigstens ein Massivumformungswerkzeug auf, z. B. ein Fließpresswerkzeug. Dies erlaubt vorteilhaft die Herstellung von Bauteilen, die zunächst durch Blechumformung be- arbeitet werden und dann durch Massivumformung in die endgültige Form gebracht werden. Hiermit können z.B. Synchronringe für Kraftfahrzeuggetriebe sehr effizient hergestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das kombinierte Umformwerkzeug einen Schwingungsaktuator auf, der dazu eingerichtet ist, in Richtung der Beaufschlagungskraft des Umformwerkzeugs Kraftschwingungen zu erzeugen. Der Schwingungsaktuator kann z.B. ein Piezo-Aktuator, ein Leistungsultraschallaktuator oder ein hydraulischer Aktuator sein, der sich im Hauptkraftfluss befindet. Durch die Anordnung der verschiedenen Umformbauelemente ist eine Führung der Kinematiken in ein und derselben Ebene möglich, mit der Konsequenz, dass durch die Schwingungsbeaufschlagung nur ein geringer Verschlei ß am gesamten Umformwerkzeug entsteht. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 - ein kombiniertes Umformwerkzeug und
Figur 2 - Teile des kombinierten Umformwerkzeugs und
Figur 3 - Schritte eines Herstellungsverfahrens und
Figur 4 - ein Zugfestigkeits-/Bruchdehnungs-Diagramm.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die Figur 1 zeigt ein kombiniertes Umformwerkzeug 20 in seitlicher Ansicht in Schnittdarstellung. Dargestellt sind zudem eine Matrize 8 sowie ein Auswerfer 9 zum Auswerfen des fertigen Bauteils. Das kombinierte Umformwerkzeug 20 weist als erstes Umformbauelement 1 einen Stempel auf, der längsverschieb- lich in einem zweiten Umformbauelement 3 gelagert ist. Das zweite Umform- bauelement 3 dient zugleich als äu ßeres Gehäusebauteil des kombinierten Umformwerkzeugs 20. Der Stempel 1 ist über Führungsbuchsen 7 in dem Gehäusebauteil 3 gelagert und in Längsrichtung gegenüber dem Gehäusebauteil 3 verschiebbar. In einem inneren Hohlraum des Gehäusebauteils 3 ist ein Federelement 5, 1 3, 1 4 angeordnet, das z.B. als Gasdruckfeder ausgebildet sein kann, z.B. in Form eines Stickstoffzylinders. Das Federelement weist ein Federgehäusebauteil 1 3 auf, in dem eine Gasdruckkammer 5 gebildet ist. Ferner weist das Federelement einen gegenüber dem Federgehäusebauteil 1 3 in Längsrichtung verschieblichen Kolben 1 4 auf, der das Gas in der Gasdruckkammer 5 einschließt. Die Gasdruckkammer 5 ist mit einem Gas, z.B. Stick- Stoff, mit einem für den jeweiligen Einsatzfall angepassten Überdruck gefüllt. Das Federelement 5, 1 3, 14 wirkt über den Kolben 1 4 auf eine Befestigungsplatte 2 ein, die über eine Schraube 6 mit dem Stempel 1 verbunden ist. Das Federelement 5, 1 3, 14 wird an seiner gegenüberliegenden Seite über einen Bodendeckel 4, der mit dem Gehäusebauteil 3 des kombinierten Umformwerk- zeugs 20 verbunden ist, in seiner Position fixiert. Die Kraftbeaufschlagung des Umformwerkzeugs 20 mit einer Kraft F erfolgt in Richtung einer Kraftbeaufschlagungsachse 1 2, die zugleich eine Mittelachse des Umformwerkzeugs 20 darstellt. Der Stempel 1 weist einen Tiefziehstempelbereich 1 5 auf, der während des ersten Umformverfahrens einen Tiefziehprozess des Halbzeugs, z.B. eines Blechs, bewirkt. Das Gehäusebauteil 1 3 weist im vorderen Bereich ein Massivumformwerkzeug 1 0 auf, wie in der Figur 2 deutlicher dargestellt. Die Figur 2 zeigt das Gehäusebauteil 3 separat mit dem Massivumformwerkzeug 1 0, z. B. in Form einer äu ßeren Verzahnung, die geeignet ist zur Herstellung einer Zahnradstruktur eines herzustellenden Bauteils. Dies ist in der Figur 2 zusätzlich ausschnittsweise vergrö ßert wiedergegeben.
In der Figur 1 ist als Gegenstück zu dem Umformwerkzeug 20 eine Matrize 8 dargestellt, die auch als Ziehring während des Tiefziehprozesses dient. Die Matrize 8 weist eine Innenverzahnung 1 1 auf, wie in der Figur 1 in der Ausschnittsvergrö ßerung in einer Draufsicht wiedergegeben.
Zur Herstellung eines Synchronrings mit einer zahnradartigen Verzahnung wird zunächst ein es Materialstück, z.B. ein Blechrohling, auf der Matrize 8 platziert und gegebenenfalls mit einem Niederhalter fixiert. Sodann wird das Umformwerkzeug 20 mit einer ersten Kraft in der Wirkungsrichtung 1 2 beaufschlagt. Hierdurch führt der Tiefziehstempelbereich 1 5 des Stempels 1 einen Tiefziehvorgang durch, bei dem das Halbzeug in die Matrize 8 hineingezogen wird und zu einem Zwischenprodukt umgeformt wird. Wie erkennbar ist, weist die Matri- ze 8 einen Sockelbereich 1 6 auf, in dem der Tiefziehstempelbereich 1 5 zum Ende des Tiefziehvorgangs eintauchen kann. Für die Durchführung des zweiten Umformverfahrens, hier einer Massivumformung, wird das Umformwerkzeug 20 wiederum in der Wirkungsrichtung 1 2 mit einer zweiten, größeren Kraft beaufschlagt, die dazu führt, dass das Federelement 5, 1 3, 14 einfedert und das Massivumformwerkzeug 1 0 in Kontakt mit dem Zwischenprodukt in der Matrize 8 kommt. Durch Erzeugung einer ausreichend gro ßen Beaufschlagungskraft, die gegebenenfalls schwingungsüberlagert sein kann, erfolgt dann ein Massiv- umformprozess, bei dem das Massivumformwerkzeug 1 0 die zahnartige Struktur in das Zwischenprodukt einformt. Hierbei fungiert der Tiefziehstempelbe- reich 1 5, der in dem Sockelbereich 1 6 liegt, zugleich als Axiallager des Um- formwerkzeugs 20, so dass dieses auch bei sehr großer Kraftbeaufschlagung nicht seitlich ausbrechen kann. Da die gesamte Lagerung innerhalb des Hauptkraftflusses erfolgt, können praktisch keine Knickfälle auftreten. Die Federung durch das Federelement 5, 1 3, 1 4 hat dabei den weiteren vorteilhaften Effekt, dass auch bei einer Schwingungsüberlagerung beim zweiten Umformverfahren der Effekt der Axiallagerung erhalten bleibt, da das Federelement den Tiefziehstempelbereich 1 5 immer in den Sockelbereich 1 6 presst.
Nach Abschluss des zweiten Umformverfahrens wird das Umformwerkzeug 20 von der Matrize 8 fortgefahren. Das fertige Bauteil kann dann mittels des Auswerfers 9 aus der Matrize 8 entfernt werden.
Die Matrize 8 ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung komplett Band-armiert, um die auftretenden Kräfte, insbesondere bei der Massivumformung, sicher aufzu- nehmen. Die Band-Armierung kann dabei vorgespannt sein.
In gleicher Weise wie zuvor für das zweite Umformbauelement beschrieben, kann das kombinierte Umformwerkzeug auch ein drittes oder weitere Umformbauelemente aufweisen, die jeweils über ein Federelement gegenüber einem der anderen Umformbauelemente des Umformwerkzeugs gefedert sind.
Die Figur 3 zeigt die Struktur des Bauteils bei den einzelnen Schritten des Herstellungsverfahrens, wobei jeweils im oberen Bereich der Figur 3 das Bauteil ausschnittsweise in einer Draufsicht und im unteren Bereich der Figur 3 in ei- ner seitlichen Schnittdarstellung dargestellt ist. Erkennbar ist das Halbzeug 30, das als Ausgangsmaterial zur Verfügung steht. Dieses wird dann mit dem ersten Umformverfahren zu einem Zwischenprodukt 31 umgeformt, d. h. durch Tiefziehen verformt. Sodann wird das Zwischenprodukt 31 zu dem gewünschten Bauteil 32 durch das zweite Umformverfahren, nämlich die Massivumfor- mung, umgeformt. Erkennbar ist, dass das fertige Bauteil 32 eine Au ßenverzahnung aufweist, die in Folge der Massivumformung ohne einen spanenden Fertigungsschritt hergestellt werden kann.
Die Figur 4 zeigt anhand des sogenannten Bananendiagramms die Zugfestig- keit verschiedener hochfester Werkstoffe über deren Bruchdehnung. Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäß Umformwerkzeug können erstmalig die in der Figur 4 dargestellten hochfesten Materialien in einer fertigungstechnisch rationellen Weise für die Herstellung z. B. von Synchronringen verwendet werden und dabei die in der Figur dargestellten vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich Zugfestigkeit und Bruchdehnung erzielt wer- den. Eine derartige Kombination von Eigenschaften hinsichtlich Zugfestigkeit und Bruchdehnung war mit bisher bekannten Verfahren nicht so rationell realisierbar.
Die in Figur 4 verwendeten Abkürzungen haben folgende Bedeutung :
MS: Martensitische Stähle (ganz oder partiell)
BS: Bainitische Stähle
PM : Partiell martensitische Stähle
CP : Complexphasenstähle
TRI P: TRI P-Stähle
TWI P, LI P : Stähle Eisenmangan durch Zwillingsbildung
DP : Dualphasenstähle
FB: Ferritisch bainitische Stähle
TM : Konventionell thermomechanisch gewalzte Güten
BH, I , I F, P : Bake-Hardening Stähe, höherfest isotrope Stähle, interstitial free, phosphorlegierte Stähle
SULC, WT: Supra ultra low carbon, weiche Tiefziehgüten
M : Mikrolegierte Stähle

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (32) aus einem Halbzeug (30) mittels wenigstens zweier verschiedener Umformverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass ein kombiniertes Umformwerkzeug (20) verwendet wird, das zur Ausführung der wenigstens zwei Umformverfahren eingerichtet ist, wobei die wenigstens zwei Umformverfahren nacheinander ohne Wechsel des kombinierten Umformwerkzeugs (20) ausgeführt werden und wobei das kombinierte Umformwerkzeug (20) beim zweiten Umformverfahren mit einer Kraft beaufschlagt wird, deren Wirkrichtung (1 2) im wesentlichen gleich einer während des ersten Umformverfahrens auf das kombinierte Umformwerkzeug (20) aufgebrachten Kraft ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Umformverfahren einen anderen Umformgrad aufweist als das erste Umformverfahren.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Umformverfahren einen höheren Umformgrad aufweist als das erste Umformverfahren, insbesondere einen um wenigstens 1 0% höheren Umformgrad als das erste Umformverfahren, insbesondere einen um wenigstens 50% höheren Umformgrad als das erste Umformverfahren, insbesondere einen wenigstens doppelt so großen Umformgrad wie das erste Umformverfahren.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Umformverfahren ein Blechumformungsverfahren und das zweite Umformverfahren ein Massivumformverfahren ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Umformverfahren nach dem ersten Umformver- fahren ausgeführt wird und die Kraft, mit der das kombinierte Umform- werkzeug (20) beaufschlagt wird, im zweiten Umformverfahren größer ist als im ersten Umformverfahren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Umformverfahren mit schwingungsüberlagerter Kraftbeaufschlagung des kombinierten Umform- werkzeuges (20) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführung des ersten Umformverfahrens das aus dem Halbzeug (30) entstandene Zwischenprodukt (31 ) und einer das Zwischenprodukt (31 ) umgebenden Matrize (8) als Axiallager des kombinierten Umformwerkzeugs (20) für die Durchführung des zweiten Umformverfahrens verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbzeug aus einem der folgenden Materialien verwendet wird :
TRI P Stähle
TWI P, LI P Stähle
Dualphasenstähle
Complexphasenstähle
CrMn Stähle
Ferritisch Bainitische Stähle
Ferritische Stähle
Partiell martensitische Stähle
DDQ Stähle.
Kombiniertes Umformwerkzeug (20), das eingerichtet ist für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kombinierte Umformwerkzeug ein erstes Umformbauelement (1 ), das dazu eingerichtet ist, in dem ersten Umformverfahren das Halbzeug (30) zu einem Zwischenprodukt (31 ) umzuformen, und wenigstens ein zweites Umformbauelement (3) aufweist, das dazu eingerichtet ist, in dem zweiten Umformverfahren das Zwischenprodukt (31 ) zu dem herzustellenden Bauteil (32) umzuformen.
1 0. Kombiniertes Umformwerkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Umformbauelement (1 ) eine Kraftbeaufschlagungsachse (1 2) aufweist, die im Wesentlichen einer Kraftbeaufschlagungsachse (1 2) des zweiten Umformbauelementes (3) entspricht.
1 1 . Kombiniertes Umformwerkzeug nach Anspruch 9 oder 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Umformbauelement (1 ) unter Krafteinwirkung in Richtung der Kraftbeaufschlagungsachse (1 2) gegenüber dem zweiten Umformbauelement (3) axial bewegbar ist.
1 2. Kombiniertes Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Umformbauelement (1 ) gegenüber dem zweiten Umformbauelement (3) über ein Federelement (5, 1 3, 1 4) abgestützt ist.
1 3. Kombiniertes Umformwerkzeug nach Anspruch 1 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (5, 1 3, 14) als Gasdruckfeder ausgebildet ist.
14. Kombiniertes Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Umformbauelement (1 ) wenigstens ein Blechumformungswerkzeug (1 5) aufweist.
5. Kombiniertes Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 1 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Umformbauelement (3) wenigstens ein Massivumformungswerkzeug (1 0) aufweist.
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