WO2013149938A1 - Verfahren zur herstellung von topfförmigen bauteilen in einem umformprozess - Google Patents

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blank
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Tom Walde
Adrian Marti
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing cup-shaped components from a flat blank, as well as corresponding components.
  • the thickness of the part bottom is limited by the thickness of the starting material. This means that for the production of a part with a given floor thickness, starting material must be used which has at least this desired thickness of the floor.
  • parts are often required which, although having a high base thickness, should have the smallest possible wall thickness in the region of the frame.
  • Such components could hitherto not be produced in a deep-drawing process, but had to be produced by joining two parts, namely a thin-walled sleeve and a "thick bottom disk.”
  • the problem is, in particular, that it is generally not possible to measure the wall thickness thinned out to less than half the starting material thickness in the frame area, since otherwise the material's ability to change its shape is exceeded.
  • the object of the present invention is, inter alia, to at least partially overcome this limit of the deep drawing process.
  • the proposed method is to produce parts whose bottom thickness is greater than the thickness of the starting material.
  • a typically cylindrical cup is first prepared by a deep-drawing process and then pressed into a conical die, whereby a thickening of the part bottom is achieved. The repeated execution of such a process sequence, this effect can be increased.
  • a round bowl is preferably drawn from a flat surface (blank), and subsequently this bowl is pressed into a conical die. Subsequently, the cup can be pressed again into a conical die in order to achieve a further thickening of the soil, or with a further deep drawing step can be formed from the conical workpiece again a cylindrical cup.
  • the ratio of the ejector and clamping force can be said that the clamping force should be basically smaller than the ejector force.
  • the height of the difference of the two forces is important, the optimum value of which depends on the concrete geometry of the process, the tribosystem and the material of the workpiece.
  • the proposed method also achieves material consolidation due to the deformation introduced in the area of the base, whereby the component also has a higher strength than the base material in this area, which is not possible in a conventional deep-drawing process.
  • the present invention relates to a method for producing a pot-shaped component from a flat blank, wherein the cup-shaped member has a substantially planar bottom portion, and a subsequent to this circumferential, upstanding from the bottom portion frame.
  • the blank has substantially over its entire surface over a first material thickness D, and the bottom portion over a second material thickness D 9 , which is greater than the first material thickness D.
  • the method is characterized in particular by at least the following steps a) reshaping of the flat blank in at least one deep-drawing step to form a cup-shaped shell component having a substantially planar bottom area and a peripheral frame projecting therefrom, projecting from the floor area,
  • the bottom region of the shell component is at least partially clamped between an ejector and a hold-down.
  • the tapered die includes the bottom portion of the shell component radially outwardly lead and diameter-reducing this base area in the tool stroke.
  • the analogous method can also be performed for a step section, either in addition to forming a thicker bottom section as described above or instead.
  • a step section is a section in which a component plane is arranged perpendicular to the axis of the component, and such a region can likewise be thickened accordingly.
  • the clear opening of the step portion stabilized by a passing therethrough punch so that the area actually thickened and not simply pushed radially inward. If in sequence from the floor area is spoken so also includes such a step section with a.
  • holes and / or cutouts can be formed in the bottom area or also in the frame before or after step b), if appropriate for example in step a), or that these elements are stepped, with horizontal vertical or conical steps be formed. Especially in the case of horizontal steps, these can, as mentioned above in the sense of step sections, also be thickened.
  • holes are formed in the bottom area prior to step b), it is preferable to stabilize the clear opening of that hole as part of step b) by a punch passing therethrough, so that the bottom actually thickens and not simply radially inward is pushed under reduction of the hole.
  • this usually refers to a process in which the drawing gap is not limited, that is to say the drawing gap is wider than the material initially passed through it.
  • stripping this includes actual stripping using a sharp edge at an angle of typically 12-18 °, but also includes deep drawing to limit the draw gap, that is, other methods which the wall thickness is specifically tapered, but not necessarily a sharp ironing edge is used.
  • processes are also included using a leveling die in which, unlike a thermoforming die, the radius of the rounded portion does not transition tangentially into the cylindrical portion but at an angle, typically 5-20 °, normally 12-18 °.
  • the method can be carried out both in the context of step a) and in particular in the context of step b) under tempered conditions, ie at a temperature at which an increased ductility of the material can be used. This is possible, for example, by heating the starting material and / or the tool parts in a targeted manner. It is even conceivable hot forming in particular in the context of step b) or optionally downstream steps.
  • step b) In order to prevent this thickening of the soil in the context of step b) by an excessive clamping force between ejector and hold-down, it is preferred that within the step b) during the forming die stroke, the Niedwerhaltekraft of the blank holder is lower than the counterforce of the ejector.
  • the Difference of the two forces in the absolute amount is thereby preferably set so that the false states shown in the further below in Figures 5 and 6 do not occur.
  • step a) has at least one first deep-drawing step for forming a cantilevered frame, and also optionally at least one second forming step in which the radius of the transitional region between bottom region and frame is reduced.
  • the frame wall thickness tapering and Multenvergrössernd stretched or deep-drawn.
  • a further preferred embodiment is characterized in that subsequent to step b), the component is subjected to at least one forming step, in which the frame from a conically tapered to the bottom portion in at least over a part of the height, preferably over the entire height of the frame cylindrical, preferably circular cylindrical alignment is transferred.
  • the frame can be stretched by increasing the height.
  • step b) is normally a component which has an upwardly widening frame.
  • the frame should be parallel, then such a downstream step is required.
  • the pot-shaped component is rotationally symmetrical.
  • the second material thickness D9 is substantially the same over the entire bottom area.
  • the material thickness can also be controlled in a targeted manner by the clamping, that is to say it can be designed in a stepped manner as a result of the clamping between downholder and ejector.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the second Material thickness D 9 is at least 1.25 times greater than the first material thickness D, preferably at least 1.5 times greater than the first material thickness D, in particular preferably at least 1.75 times greater than the first material thickness D.
  • the second material thickness D 9 is then at least 1.5 times greater in the resulting component after step b) or optionally further downstream steps, as already mentioned above and explained in detail below is as the material thickness D 9 'of the frame, preferably at least 1.75 times larger, more preferably at least 2 times greater.
  • the blank is made of metal, preferably steel, or more preferably, materials selected from the following group:
  • Nickel and its (tempered) deep-drawable alloys in particular 2.4851 - Copper and its (tempered) deep-drawable alloys, in particular brass tantalum, molybdenum and niobium and their (tempered) deep-drawable alloys tungsten and its (tempered) thermoformable alloys, in particular with the addition of rhenium
  • Magnesium and its (tempered) thermoformable alloys in particular with the addition of lithium or aluminum, in particular the alloy AZ31.
  • the tapered die preferably has a taper angle in the range of 3-20 °, preferably in the range of 5-15 °. If lower values are selected, the displacement of material into the ground area is insufficient and the steps must be repeated too often. If larger values are chosen, difficulties are to be expected, especially in the case of relatively high frames, as the frame bulges out or the like. The exact setting depends on various parameters such as process speed, tool temperature, component temperature, tool friction, wall thickness, material, et cetera.
  • An optimal adjustment of the parameters such as in particular cone angle, clamping forces of hold-down and ejector et cetera can be made without undue effort by the expert, based on a visual or tactile review of the resulting components, see. to that too further down.
  • step b) is carried out at least twice, either immediately after one another or with at least one intermediate deep-drawing step, in which preferably the frame is made of a conical Bottom area tapered into a at least over part of the height, preferably over the entire height of the frame cylindrical, preferably circular cylindrical alignment is transferred.
  • the present invention also relates to a cup-shaped component, in particular of a metallic material, having a substantially planar bottom portion and a subsequent to this subsequent, projecting from the bottom portion frame, prepared by a method as described above, wherein preferably the material thickness D 9 of the bottom area is at least 1.5 times greater than the material thickness D 9 'of the frame, preferably at least 1.75 times larger, particularly preferably at least 2 times larger.
  • the deformation-related solidification of the material in the base area realizes component properties which, given the basic material, can not be achieved by other production methods.
  • the flow limit of the bottom area increased in two deep drawing steps to about 240 MPa.
  • the flow limit in the bottom area increased to approx. 400 MPa (HV10 approx. 151 to 166) and in a second thickening step (1.3 mm to 1.7 mm) to approx 450 MPa (HV10 approx.
  • the concrete increase in strength compared to the base material depends on the specific geometry of the component, the material used and the forming temperature.
  • the resulting strength can, however, at least approximately already in the Pre-field from the comparative degrees of deformation in the soil area and the corresponding flow curve of the base material can be determined.
  • K and n represent material parameters, where K is a material-dependent constant in MPa, and n is the unitless solidification exponent.
  • there are a variety of other hardening laws for determining the flow stress which can also take into account the temperature influence accordingly.
  • Examples include the Johnson Cook model (GR Johnson, WH Cook, A constitutive model and data for metals to large strains, 7 International Symposium on Ballistics, 541-547 (1983)) and the Kocks-Mecking model (H.Mecking and UF Kocks, Kinetics of Flow and Strain Hardening, Acta Metal., 29 (1981) 1865-1875).
  • the comparative strain levels can either be determined in simple cases using analytical approximation formulas or by means of FEM forming simulations.
  • the flow stress thus determined corresponds to the new flow limit in the soil area.
  • the component is free of joints.
  • the flow limit of the material in the bottom area - flow limit as a measure of its strength - increased so compared to the corresponding value of the starting material that they increase the plastic comparative strain of at least 5%, preferably at least 10%, in particular at least 25th % corresponds to the corresponding flow curve of the starting material.
  • the technical or the true stress-strain curve can be taken as a reference, but preferably the true stress-strain curve.
  • a step sequence in 9 stages from a blank to a finished component, each with a top view and a top sectional view along the arrows in the lower illustration is given, and in a) the blank is shown, in b) the result of a first stage in c) the result of a second step with a second draw, in d) the result of a third step for upsetting the corner in the bottom area, e) the result of a fourth step with a first bottom thickening, in f g) the result of a sixth stage with a second bottom thickening, in h) the result of a seventh stage with re-erection of the frame, and in i) and j) the results of two successive ironing steps to increase the frame height, are shown; and a photographic representation of a section of a manufactured component.
  • a blank in the form of a circular plan punched metal 1 can for example be fed and punched from raw material from the roll in a continuous feed process.
  • the blank 1 is, in a first step as shown in Fig.l, initially formed in a thermoforming process by the edge region is circumferentially folded in a direction to a frame whose course direction is substantially circumferentially perpendicular to the plane of a bottom portion. This is done so that the blank (see Fig. La) is clamped in the central region between an ejector 3 and a punch 4, specifically by clamping in its central region between the clamping portion 12 of the ejector 3 and the clamping portion 9 of the punch 4 surface becomes.
  • the clamped area 8 is not processed accordingly in this step, but very well the radially outwardly following circumferential section 13.
  • a die 2 Radially outside the ejector is a die 2 is arranged. Between the die 2 and 3 ejector remains an axial gap 6.
  • the stamp 4 facing upper portion of the die is rounded, as shown by the reference numeral 7.
  • the curved lower region 5 merges into an axially extending surface region 10, formed by a cylinder peripheral surface, of the punch 4.
  • ejector 3 and punch 4 together with the surface area 10 of the punch 4 the blank 1 clamped between these two tool elements now move successively downwards, as shown in the sequence of FIGS.
  • the cup-shaped member 17, which is the result of the forming step shown in Fig. 1, is now the starting material for the second forming step, which is shown in Fig. 2. Again, this is a tool with a punch 20 and an ejector 22, and the bottom portion 15 of the starting material is clamped in a region 23 between these two tool parts. But the punch 20 now has a much smaller radius and also the transition region between the horizontal clamping portion of the punch 20 and the gap-defining surface 26 in the form of a cylinder peripheral surface has a radius of curvature 25 which is substantially smaller than in the first tool according to FIG. Again, there is also an outer link in the form of a die 21, which also here has a circumferential rounded portion 24.
  • a next processing step which is shown in Fig. 3, now the radius in the transition region from the bottom portion 32 to the peripheral upstanding portion 31 of the cup-shaped member 30 is further reduced. This is done in a tool in which the output member 30 is clamped in the bottom area between an ejector 42 and a hold-55 only in the very central area. Radially outside the component during the substantially entire processing step shown in FIG. 3 is guided by the die 41, wherein the cantilevered portion is guided in gap 53 between the gap-defining surface 47 of the die 41 and the gap-defining surface 46 of a punch 40 and slidably clamped. In addition, this stamp 40 is now provided with a circumferential rounded portion 45 with a very small radius.
  • a shading scale is shown, which indicates the thickness of the component in the corresponding area.
  • the starting material has, as can be seen in particular of Fig. La, over a thickness of 1.1 mm.
  • FIG. 1 it can be seen how slight thickening takes place by displacement of material into the upper edge region of the overhanging section 13 and, in particular, in FIG. 2 is also recognizable, as in the transition region between bottom section 32 and aufkragendem section 31 at the radius of curvature, a dilution of the material takes place.
  • FIG. 3 care must be taken that in the tool, this applies in particular to steps 1-3, not too high tensile forces act on this edge region, which could result in the bottom being somewhat punched out and the cantilevered area is separated.
  • FIG. 4 shows that processing step in a fourth tool, in which a thickening of this section is now brought about quite deliberately while reducing the radius of the bottom region 52 of the pot-shaped component 50 after the third step.
  • the output component 50 from the third processing step according to FIG. 3 is clamped between an ejector 72 and a hold-down device 70 in the central bottom region 73.
  • Circumferentially disposed around the ejector 72 is a conical outer slide 71 having a conical surface 77 which widens upwards and which merges in a circumferential rounded region 74 to form a region extending essentially horizontally in this illustration.
  • the conical surface 77 is at an angle, the cone angle 83, to the axis of symmetry of the tool.
  • This cone angle is typically in the range of 5-15 °. Lower cone angles make it necessary to drive through too many steps as required in FIG. 4 with corresponding economic but also material-technical disadvantages, larger angles lead to problems, as will be described in detail below and which are very similar, as if the hold-down force of the blank holder 70 and the ejector force is not set sufficiently precise.
  • a thrust element 75 is additionally provided, which rests with a radial thrust surface 76 on the peripheral surface or upper edge 84 of the side wall.
  • This thrust element 75 is controlled away, while the other tool parts 70, 71, 72 are adjusted by corresponding spring forces (the tool part 71 does not have to be spring-mounted).
  • the unit of hold-down 70, ejector 72 and pusher 75 moves downwardly with the clamped component 50, while the conical outer link 71 remains substantially stationary.
  • the transition region 56 formed between the bottom section 52 and the cantilevered section 54 now comes into contact with the conical surface 77 with a small radius.
  • the cantilevered area also deforms due to the conical set of the die 71 to a conically upwardly widening upstanding region, as it is then represented by the reference numeral 81 in the finished component. Since compression is also pushed by the pusher element 75 on this side wall region, the component additionally thickens, if necessary, also in this region.
  • the hold-down device should preferably cover at least one third of the radius of the bottom area at the time of the cutout, but may also have a smaller radius. This is of course i.d.R.
  • the dimensioning and the clamping force of the blank holder 70, in particular the clamping force between hold-down 70 and ejector 72 is just adjusted so that this bulging is prevented but still not only the thickening of the material in that area where the hold-down 70 does not rest, but is also possible in the clamping area. Only if the distance between downholder 70 and ejector 72 can also increase in the course of the method step according to FIG. 4, the desired thickening can be realized over the entire bottom area.
  • Result of this important processing step according to Figure 4 is then a cup-shaped member 80 with a conically widening upwardly extending upstanding portion 81, the actual frame, and a substantially planar bottom portion 82, and the transition region has a relatively small radius.
  • the bottom region 82 now has a thickness which in this case is 30-40% greater than the material thickness of the starting material. If you want to have a component with parallel frame and especially this frame even much longer form, ie produce a component having a greater height, it can now clamped in subsequent forming steps in which then essentially only the bottom portion and the frame is stretched, the desired geometry can be realized.
  • the setting of the parameters in the tool so that in the end the process is safe and secure can be done just below the desired material transformations in the fourth step, is important and can be determined by simple series of experiments. The most important fault conditions are shown in FIGS. 5 and 6.
  • the frame becomes too intense and too fast, i. at an early stage of the process, pushed down and it can form a peripheral, the entire tool optionally blocking down bag bag (undercurrent) in the edge region, as shown in Figure 5.
  • the clamping force of the thrust element is too high resp. the spring force of the ejector 72, when the pusher 75 is driven away, set too high.
  • Figure 6 shows the situation when the counterforce of the ejector 72 is set too low.
  • the pusher 75 pushes too little, and under friction against the conical gate of the die, the edge area inverts, i. where the bottom portion is not clamped by the hold-down 70, upwards and also results in an unusable component and in particular, just as in Figure 5, there is no thickening of the soil.
  • FIG. 7 shows, based on the different states of a component in the course of a sequence of steps, an entire step sequence starting from a disc-shaped blank 1 (see FIG. 7a) to a cup-shaped finished component 100 having an outwardly thick bottom region 102 and a comparatively very thin circumferential one Frame area 101 shown. Shown in each case above is an axial section through the machined part and under a plan view.
  • the starting point for this step sequence is a blank 1 with a thickness D.
  • this component is deep-drawn, in which case the bottom is thinned very slightly if necessary (D while the frame retains the thickness of the original material and is set at a height i
  • This component as shown in Figure 7b is then further formed in a second stage, a second train, wherein the radius is reduced in the transition region from the bottom to the frame and the diameter of the bottom is reduced by another 20%, so that the height h 2 increased by about 50%. at the same time frames are still ironed slightly, so that in the side region has a thickness D 2 results which is slightly less than the thickness D of the starting material.
  • the resulting component is shown in Figure 7c.
  • a next step which is essentially the step 3 as described above is deformed, in which the corners are compressed, in other words, the transition radius between the bottom portion and frame is greatly reduced.
  • This is a preparation for the thickening step illustrated above in FIG. 4.
  • the soil can easily be thickened again, ie the thickness D 3 can be greater than the thickness ⁇ ).
  • the total height h 3 is again slightly reduced by this step, but the opening diameter Dm 3 remains approximately the same as Dm 2 .
  • the result is a pot as shown in Figure 7d with a sharp transition region with a small radius between the bottom and frame.
  • a fourth step the result of which is shown in FIG. 7e, the bottom is thickened first, essentially in a step as described above in FIG.
  • the result is a floor with a thickness D 4 which is now already greater than the thickness D of the starting material.
  • the frame areas are also compressed, ie D'4 is also larger than D.
  • the inner ground radius Dni 4 is reduced by about 20% compared to Dm 3 , while the height h4 remains the same or even slightly larger.
  • the frames are erected again and at the same time ensures that the radii remain as small as possible in the transition region between the bottom and frame.
  • the soil is optionally thinned out again in a thickness D 5 , in the next step, the result of which is shown in FIG. 7g, in a second step of thickening the soil, it is further built up in its thickness to a final thickness D 6 , which in FIG In this particular case, it is almost twice as large as the thickness D of the starting material.
  • the frames are also thickened to a thickness D ' 6 , but these are then thinned successively in three subsequent steps, a first step with pulling (result shown in FIG.
  • the first step is a drawing, while the steps leading to the results of Figures 7i and j are effective ironing steps, so that the wall thickness at the end (D'9) is only about two One-third of the material thickness D of the starting material.
  • the ratio between wall thickness in the base region and wall thickness in the frame region is in the range of 3 to 1, starting from a starting material thickness which is substantially less than the thickness in Ground area and larger or even significantly larger than the final thickness in the frame area.
  • a component resulting from this process is shown in an axial section, in particular for illustration of the corner region 103 with very small edge radii in FIG.
  • the flow limit of the material in the bottom area increases correspondingly from the base material to about 210 MPa, in the two deep drawing steps to about 240 MPa and then in the first thickening step (1.1 mm to 1.3 mm) to about 400 MPa.
  • the second thickening step 1.3 mm to 1.7 mm
  • a further increase of the flow limit to about 450 MPa is achieved.
  • Step 2 die 21 Outline for the ejector for the first second step, die Step 22 Ejector for the second punch for the first step Step
  • circumferential rounded 23 clamped area of 17 area of 4 24 circumferential rounded wide gap between 2 and area of 21
  • Step 74 circumferential rounded clamped area of 30 area of 71
  • Range of 41 76 thrust area of 75 circumferential rounded 77 cone area of 71
  • Step 84 circumferential surface of
  • Step 102 Ground of 100

Landscapes

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

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines topfförmigen Bauteils (80, 100) aus einem planen Rohling (1). Das topfförmige Bauteil (80, 100) weist einen wesentlichen planen Bodenbereich (82, 102) auf, und eine an diesen anschliessende umlaufende, vom Bodenbereich (82,102) aufkragende Zarge (81, 101), Der Rohling (1) weist im wesentlichen über seine gesamte Fläche eine erste Materialstärke (D) auf und der Bodenbereich (82,102) eine zweite Materialstärke (D9), welche grösser ist als die erste Materialstärke (D). Das Verfahren ist dabei erfindungsgemäss gekennzeichnet durch wenigstens folgende Schritte: a) umformen des planen Rohlings (1) in wenigstens einem Tiefzieh-Schritt zu einem topfförmigen Rohbauteil (17, 30, 50) mit einem im wesentlichen planen Bodenbereich (15, 32, 52) und einer an diesen anschliessende umlaufende, vom Bodenbereich (15, 32, 52) aufkragende Zarge (16, 31, 51), b) umformen dieses topfförmigen Rohbauteils (17, 30, 50) in einem Werkzeug mit einer konisch zulaufenden Matrize (71) und einem auf die umlaufende Oberfläche der Zarge (16, 31, 51) des Rohbauteils (17, 30, 50) in axialer Richtung gegen die konisch verjüngende Matrize (71) Schub ausübenden, bevorzugt weggesteuerten Schubelement (75). Dabei wird im Schritt b) der Bodenbereich (15, 32, 52) des Rohbauteils (17, 30, 50) wenigstens Bereichsweise zwischen einem Auswerfer (72) und einem Niederhalter (70) geklemmt und die konisch zulaufende Matrize (71) umfasst den Bodenbereich (15, 32, 52) des Rohbauteils (17, 30, 50) radial aussenseitig und führt im Werkzeughub durchmesserverjüngend.

Description

TITEL
Verfahren zur Herstellung von topfförmigen Bauteilen in einem Umformprozess
TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von topfförmigen Bauteilen aus einem planen Rohling, sowie entsprechende Bauteile.
STAND DER TECHNIK Bei der Herstellung von topfförmigen Teilen in einem Tiefziehverfahren, insbesondere aus Metall und beispielsweise für die Verwendung im Automobilbereich, ist die Dicke des Teilebodens durch die Dicke des Ausgangsmaterials limitiert. Dies bedeutet, dass zur Herstellung eines Teils mit einer vorgegebenen Bodendicke Ausgangsmaterial verwendet werden muss, welches mindestens diese gewünschte Dicke des Bodens aufweist.
Es werden jedoch häufig Teile benötigt, welche zwar eine hohe Bodenstärke, jedoch im Bereich der Zarge eine möglichst geringe Wandstärke aufweisen sollen. Solche Bauteile konnten bisher nicht in einem Tiefziehverfahren hergestellt werden, sondern mussten durch das Fügen zweier Teile, nämlich einer dünnwandigen Hülse und einer„dicken Bodenscheibe", hergestellt werden. Das Problem besteht insbesondere darin, dass es in der Regel nicht möglich ist, die Wandstärke im Zargenbereich auf weniger als die Hälfte der Ausgangsmaterialstärke auszudünnen, da sonst das Formänderungsvermögen des Werkstoffs überschritten wird.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es unter anderem, diese Grenze des Tiefziehprozesses zumindest teilweise zu überwinden. Konkret geht es bei dem vorgeschlagenen Verfahren darum, Teile herzustellen, deren Bodendicke grösser ist, als die Dicke des Ausgangsmaterials. Hierzu wird zunächst ein typischerweise zylindrischer Napf durch einen Tiefziehprozess hergestellt und anschliessend in eine konische Matrize gepresst, wodurch eine Aufdickung des Teilebodens erreicht wird. Durch die mehrmalige Ausführung einer solchen Prozessfolge kann dieser Effekt noch erhöht werden.
Zunächst wird mit anderen Worten vorzugsweise aus einer planen onde (Rohling) ein runder Napf gezogen und im Anschluss wird dieser Napf in eine konische Matrize gedrückt. Anschliessend kann der Napf wieder in eine konische Matrize gepresst werden, um ein weiteres Aufdicken des Bodens zu erreichen oder mit einem weiteren Tiefziehschritt kann aus dem konischen Werkstück wieder ein zylindrischer Napf geformt werden.
In Versuchen und FEM-Simulationen zeigt es sich, dass insbesondere der Eckradius des Werkstücks von entscheidender Bedeutung dafür ist, dass eine hohe Aufdickung im Bodenbereich erreicht werden kann. Hierzu ist es wichtig, dass die Auswerferkraft richtig dosiert ist. Ist sie zu niedrig, so entsteht beim Einpressen des Napfes ein zu grosser Eckradius, wodurch ein effizientes Aufdicken verhindert wird. Ist diese Kraft zu gross, so entsteht eine Art Hinterstich, welche ebenfalls ein effizientes Aufdicken verhindert. Ausserdem sollte während des Aufdickens der Boden des Teils von oben geklemmt werden, um dessen Ausbeulen zu verhindern, da dies einem Aufdickprozess ebenfalls entgegenwirken würde. Über die Stärke der Klemmkraft kann auch beeinflusst werden, wie stark der Boden im Bereich der Klemmung aufdickt. Dies ist u.a. dann prozesstechnisch interessant, wenn dieser Bereich später noch mit einem Loch versehen werden, oder eine Stufung aufweisen soll. Bzgl. des Verhältnisses der Auswerfer- und Klemmkraft kann gesagt werden, dass die Klemmkraft grundsätzlich kleiner sein sollte als die Auswerferkraft. Um ein optimales Resultat zu erreichen, ist die Höhe der Differenz der beiden Kräfte wichtig, deren optimaler Wert von der konkreten Geometrie des Prozesses, dem Tribosystem und dem Werkstoff des Werkstücks abhängt.
Durch das vorgeschlagene Verfahren wird ausserdem auf Grund der im Bereich des Bodens eingebrachten Umformung eine Materialverfestigung erzielt, wodurch das Bauteil auch in diesem Bereich eine höhere Festigkeit als das Grundmaterial aufweist, was in einem konventionellen Tiefziehprozess nicht möglich ist.
Im Rahmen der Versuche zeigt es sich ausserdem, dass es durch eine geeignete Abfolge von Tiefzieh- und Abstreckoperationen nach dem Aufdicken des Bodens möglich ist, Teile herzustellen, welche für in einem Tiefziehverfahren hergestellte Teile über ausgesprochen scharfe Eckradien verfügen.
Konkret betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines topfförmigen Bauteils aus einem planen Rohling, wobei das topfförmige Bauteil einen im wesentlichen planen Bodenbereich aufweist, und eine an diesen anschliessende umlaufende, vom Bodenbereich aufkragende Zarge. Der Rohling verfügt im wesentlichen über seine gesamte Fläche über eine erste Materialstärke D, und der Bodenbereich über eine zweite Materialstärke D9, welche grösser ist als die erste Materialstärke D.
Das Verfahren ist dabei insbesondere gekennzeichnet durch wenigstens folgende Schritte a) umformen des planen Rohlings in wenigstens einem Tiefzieh-Schritt zu einem topfförmigen Rohbauteil mit einem im wesentlichen planen Bodenbereich und einer an diesen anschliessende umlaufende, vom Bodenbereich aufkragende Zarge,
b) umformen dieses topfförmigen Rohbauteils in einem Werkzeug mit einer konisch zulaufenden Matrize und einem auf die umlaufende Oberfläche der Zarge des Rohbauteils in axialer Richtung gegen die konisch verjüngende Matrize Schub ausübenden, bevorzugt weggesteuerten Schubelement (es kann aber auch stattdessen die Matrize weggesteuert sein).
Bei diesen zweiten Schritt b) ist dabei der Bodenbereich des Rohbauteils wenigstens bereichsweise zwischen einem Auswerfer und einem Niederhalter geklemmt. Zudem umfasst die konisch zulaufende Matrize den Bodenbereich des Rohbauteils radial aussenseitig führen und diesen Bodenbereich im Werkzeughub durchmesserverjüngend. Durch diese Führung des Prozesses wird im zweiten Schritt b) durch den Schub einerseits die Zarge gewissermassen zusammen gepresst und gegebenenfalls verdickend gestaucht. Gleichzeitig wird aber auch der Bodenbereich verdickend radial zur Symmetrieachse zusammen geschoben.
Das analoge Verfahren lässt sich auch für einen Stufenabschnitt durchführen, entweder zusätzlich zum oben beschriebenen ausbilden eines dickeren Bodenbereichs oder anstelle. Ein solcher Stufenabschnitt ist ein Abschnitt, in welchem eine Bauteilebene senkrecht zur Achse des Bauteils angeordnet ist, und ein solcher Bereich lässt sich entsprechend ebenfalls aufdicken. Bevorzugtermassen wird in einem solchen Fall eines Stufenabschnitts, da dieser zur zentralen Achse ja im Gegensatz zu einem Bodenabschnitt nicht geschlossen ist, im Rahmen des Schrittes b) die lichte Öffnung des Stufenabschnitts durch einen durch diese hindurch greifenden Stempel stabilisiert, damit der Bereich tatsächlich aufdickt und nicht einfach radial nach innen geschoben wird. Wenn in der Folge vom Bodenbereich gesprochen wird so schliesst dies auch einen derartigen Stufenabschnitt mit ein.
Es ist übrigens möglich, dass vor oder nach dem Schritt b), gegebenenfalls beispielsweise im Rahmen des Schrittes a) Löcher und/oder Ausschnitte in den Bodenbereich oder auch in der Zarge ausgebildet werden, oder dass diese Elemente gestuft, mit horizontalen vertikalen oder konischen Stufen ausgebildet werden. Gerade im Falle von horizontalen Stufen können diese, wie oben erwähnt im Sinne von Stufenabschnitten, ebenfalls verdickt werden. Insbesondere wenn Löcher im Bodenbereich vor dem Schritt b) ausgebildet werden, ist es bevorzugt, im Rahmen des Schrittes b) die lichte Öffnung dieses Loch als durch einen durch dieses hindurch greifenden Stempel zu stabilisieren, damit der Boden tatsächlich aufdickt und nicht einfach radial nach innen unter Verkleinerung des Loches geschoben wird.
Wenn in der Folge von Tiefziehen gesprochen wird, so wird in der Regel darunter ein Prozess verstanden, bei welchem der Ziehspalt nicht begrenzen ist, das heisst der Ziehspalt ist weiter als das durch diesen am Anfang in durchgeführter Material. Wenn in der Folge von Abstrecken gesprochen wird, so schliesst dies ein eigentliches Abstrecken ein unter Verwendung einer scharfen Kante unter einem Winkel von typischerweise 12-18°, es schliesst aber auch ein Tiefziehen unter Begrenzung des Ziehspalts mit ein, das heisst andere Verfahren, bei welchen die Wandstärke gezielt verjüngt wird, aber nicht notwendigerweise eine scharfe Abstreckkante eingesetzt wird. Entsprechend ebenfalls umfasst sind Prozesse unter Verwendung einer Abglättmatrize, bei welcher im Gegensatz zu einer Tiefziehmatrize der Radius des abgerundeten Bereiches nicht tangential in den zylindrischen Bereich übergeht, sondern unter einem Winkel, von typischerweise 5-20°, normalerweise 12-18°.
Grundsätzlich kann das Verfahren sowohl im Rahmen des Schrittes a) als auch insbesondere im Rahmen des Schrittes b) unter temperierten Bedingungen erfolgen, das heisst bei einer Temperatur, bei welcher eine erhöhte Duktilität des Werkstoffs genutzt werden kann. Dies ist beispielsweise möglich, indem das Ausgangsmaterial und/oder die Werkzeugteile gezielt geheizt werden. Es ist sogar ein Warmumformen insbesondere im Rahmen des Schritts b) oder gegebenenfalls nachgeschalteter Schritte denkbar.
Um im Rahmen des Schrittes b) diese Verdickung des Bodens nicht durch eine übermässige Klemmkraft zwischen Auswerfer und Niederhalter zu behindern, ist es bevorzugt, dass innerhalb des Schrittes b) während des umformenden Werkzeughubs die Niedwerhaltekraft des Niederhalters geringer ist als die Gegenkraft des Auswerfers. Die Differenz der beiden Kräfte im Absolutbetrag wird dabei bevorzugtermassen so eingestellt, dass die in den weiter unten in den Figuren 5 und 6 dargestellten Fehlzustände nicht eintreten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) wenigstens einen ersten Tiefzieh-Schritt zur Ausbildung einer aufkragenden Zarge aufweist, sowie zudem optional wenigstens einen zweiten Umform-Schritt, bei welchem der Radius des Übergangsbereichs zwischen Bodenbereich und Zarge verkleinert wird. Dabei wird vorzugsweise im Rahmen dieser Schritte oder im Rahmen wenigstens eines weiteren Schrittes die Zarge wandstärkenverjüngend und höhenvergrössernd abgestreckt oder tiefgezogen. Insbesondere erweist es sich als gegebenenfalls wichtig, dass vor dem Schritt b) der Radius im Übergangsbereich zwischen Bodenbereich und Zarge bereits genügend gering ist, um für diesen Schritt b) ein genügend kontrolliertes Schieben von Material in der Ebene der Bodenfläche zur Symmetrieachse hin sicherzustellen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass anschliessend an Schritt b) das Bauteil wenigstens einem Umform-Schritt unterzogen wird, bei welchem die Zarge aus einer konisch zum Bodenbereich zulaufenden in eine wenigstens über einen Teil der Höhe, vorzugsweise über die gesamte Höhe der Zarge zylindrische, vorzugsweise kreiszylindrische Ausrichtung überführt wird. Vorzugsweise gleichzeitig oder im Rahmen eines oder mehrerer zusätzlicher Bearbeitungsschritte kann die Zarge unter Vergrösserung der Höhe abgestreckt werden.
Resultat des Schrittes b) ist normalerweise ein Bauteil, welches eine sich nach oben aufweitende Zarge aufweist. Für gewisse Anwendungen ist eine solche Bauform geeignet, bei anderen Bauformen soll die Zarge parallel verlaufen, dann ist ein solcher nachgeschalteten Schritt erforderlich.
Normalerweise ist das topfförmige Bauteil rotationssymmetrisch.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Materialstärke D9 im wesentlichen über den gesamten Bodenbereich gleich. Die Materialstärke kann aber auch gezielt durch die Klemmung gesteuert werden, das heisst sie kann infolge der Klemmung zwischen Niederhalter und Auswerfer gestuft ausgebildet werden. Durch entsprechende Strukturierung z. B. Stufung der Klemmfläche von Niederhalter und/oder Auswerfer ist es auch möglich, eine ganz gezielte Oberflächenstruktur in diesem Klemmbereich zu erzwingen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Materialstärke D9 wenigstens 1.25 mal grösser ist als die erste Materialstärke D, vorzugsweise wenigstens 1.5 mal grösser ist als die erste Materialstärke D, insbesondere vorzugsweise wenigstens 1.75 mal grösser ist als die erste Materialstärke D.
So ist es möglich, gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, dass dann beim resultierenden Bauteil nach dem Schritt b) oder nach gegebenenfalls weiteren nachgeschalteten Schritten, wie diese oben bereits erwähnt wurden und unten im Detail erläutert werden, die zweite Materialstärke D9 wenigstens 1.5 mal grösser ist als die Materialstärke D9' der Zarge, vorzugsweise wenigstens 1.75 mal grösser, insbesondere bevorzugt wenigstens 2 mal grösser.
Typischerweise besteht der Rohling aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, oder insbesondere Materialien ausgewählt aus der folgenden Gruppe:
Stahl, insbesondere DC01, DC02, DC03, DC04, DC05, DC06, 1.4016, 1.4000, 1.4510, 1.4301, 1.4303, 1.4306, 1.4401, 1.4404
Nickel und dessen (temperiert) tiefziehbare Legierungen insbesondere 2.4851 - Kupfer und dessen (temperiert) tiefziehbare Legierungen insbesondere Messing Tantal, Molybdän und Niob und deren (temperiert) tiefziehbare Legierungen Wolfram und dessen (temperiert) tiefziehbare Legierungen insbesondere unter Zulegierung von Rhenium
Aluminium und dessen (temperiert) tiefziehbare Legierungen insbesondere unter Zulegierung von Magnesium
Magnesium und dessen (temperiert) tiefziehbare Legierungen insbesondere unter Zulegierung von Lithium oder Aluminium, insbesondere die Legierung AZ31. Die konisch zulaufende Matrize verfügt bevorzugtermassen über einen Konuswinkel im Bereich von 3-20°, vorzugsweise im Bereich von 5-15°. Werden niedrigere Werte gewählt, so ist die Verschiebung von Material in den Bodenbereich ungenügend und die Schritte müssen zu häufig wiederholt werden. Werden grössere Werte gewählt, so ist, insbesondere bei relativ hohen Zargen, mit Schwierigkeiten zu rechnen, da sich die Zarge auswölbt oder ähnliches. Die genaue Einstellung hängt von unterschiedlichen Parametern ab wie insbesondere Prozessgeschwindigkeit, Werkzeugtemperatur, Bauteiltemperatur, Reibung am Werkzeug, Wandstärken, Material, et cetera. Eine optimale Einstellung der Parameter wie insbesondere Konuswinkel, Klemmkräfte von Niederhalter und Auswerfer et cetera kann ohne unzumutbaren Aufwand durch den Fachmann vorgenommen werden, auf Basis einer visuellen oder taktilen Überprüfung der resultierenden Bauteile, vgl. dazu auch weiter unten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei der die Dicke des Bodens weiter erhöht wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) wenigstens zweimal ausgeführt wird, entweder unmittelbar nacheinander oder mit wenigstens einem zwischengeschalteten Tiefzieh-Schritt, bei welchem bevorzugtermassen die Zarge aus einer konisch zum Bodenbereich zulaufenden in eine wenigstens über einen Teil der Höhe, vorzugsweise über die gesamte Höhe der Zarge zylindrische, vorzugsweise kreiszylindrische Ausrichtung überführt wird.
Ein solches Verfahren kann in einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Prozess, vorzugsweise ab Rolle, geführt werden indem Ausgangsmaterial zugeführt wird und in wenigstens einem, dem Schritt a) vorgelagerten Bearbeitungsschritt aus dem Ausgangsmaterial der Rohling ausgeschnitten, insbesondere bevorzugt ausgestanzt wird. Zu guter letzt betrifft die vorliegende Erfindung auch ein topfförmiges Bauteil insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, mit einem im wesentlichen planen Bodenbereich und einer an diesen anschliessende umlaufende, vom Bodenbereich aufkragenden Zarge, hergestellt nach einem Verfahren wie es oben beschrieben wurde, wobei bevorzugt die Materialstärke D9 des Bodenbereichs wenigstens 1.5 mal grösser ist als die Materialstärke D9' der Zarge, vorzugsweise wenigstens 1.75 mal grösser, insbesondere bevorzugt wenigstens 2 mal grösser. Hierbei werden ausserdem durch die umformbedingte Verfestigung des Materials im Bodenbereich Bauteileigenschaften realisiert, welche -bei gegebenem Grundwerkstoff- nicht durch andere Herstellverfahren zu erreichen sind. Bei einem hergestellten Musterteil aus dem Werkstoff DC04LC (Fliessgrenze ca. 210 MPa, HV1 ca. 107 bis 111) erhöhte sich die Fliessgrenze des Bodenbereichs in zwei Tiefziehschritten auf ca. 240 MPa. In dem sich anschliessenden ersten Aufdickungsschritt (1,1mm auf 1,3mm) erhöhte sich die Fliessgrenze im Bodenbereich auf ca. 400 MPa (HV10 ca. 151 bis 166) und in einem zweiten Aufdickungsschritt (1,3mm auf 1,7mm) auf ca. 450 MPa (HV10 ca. 176 bis 181), wobei die entsprechenden Werte für die Fliessgrenzen (ausser beim Grundwerkstoff) mit Hilfe von FEM-Umformsimulationen bestimmt wurden, wie dies im folgenden noch erläutert wird, und die Härtewerte an den realen Bauteilen gemessen wurden. Im Allgemeinen ist die konkrete Zunahme der Festigkeit gegenüber dem Grundwerkstoff von der konkreten Geometrie des Bauteils, dem verwendeten Werkstoff und der Umformtemperatur abhängig. Die resultierende Festigkeit kann jedoch zumindest näherungsweise bereits im Vorfeld aus den Vergleichsumformgraden im Bodenbereich und der entsprechenden Fliesskurve des Grundwerkstoffs bestimmt werden. Im Falle des Kaltumformens kann die Ermittlung der Fliesskurve z.B. näherungsweise mit Hilfe der Formel erfolgen, welche in der Norm ENI 0139: 1997 Anhang B unter B1.2 angegeben ist: σ=Κ*εη, wobei σ für die Fliessspannung und ε für die Vergleichsdehnung stehen. K und n stellen Materialparameter dar, wobei K für eine werkstoffabhängige Konstante in MPa steht, und n der einheitenlose Verfestigungsexponent ist. Hierüber hinaus gibt es eine Vielzahl anderer Verfestigungsgesetze zur Bestimmung der Fliessspannung, welche auch den Temperatureinfluss entsprechend berücksichtigen können. Als Beispiele seien das Johnson-Cook-Modell (G. R. Johnson, W. H. Cook, A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures, 7 International Symposium on Ballistics, 541-547 (1983)) und das Kocks-Mecking-Modell (H. Mecking and U.F. Kocks, Kinetics of flow and strain hardening, Acta Metall. 29 (1981) 1865-1875) genannt. Ausserdem besteht die Möglichkeit, die entsprechende Fliesskurve experimentell z.B. in einem Zug- oder Druckversuch zu ermitteln. Die Vergleichsumformgrade können entweder in einfachen Fällen mit Hilfe analytischer Näherungsformeln oder mit Hilfe von FEM-Umformsimulationen bestimmt werden. Die so ermittelte Fliessspannung entspricht der neuen Fliessgrenze im Bodenbereich. Ausserdem ist das Bauteil frei von Fügestellen. Dabei ist in einem solchen erfindungsgemässen Bauteil die Fliessgrenze des Materials im Bodenbereich - Fliessgrenze als Mass für dessen Festigkeit - derart gegenüber dem entsprechenden Wert des Ausgangsmaterials erhöht, dass sie einer Zunahme der plastischen Vergleichsdehnung von wenigstens 5%, vorzugsweise wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 25% in der entsprechenden Fliesskurve des Ausgangsmaterials entspricht. Als Fliesskurve kann dabei die technische oder die wahre Spannungs- Dehnungs-Kurve als Referenz genommen werden, bevorzugt aber die die wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve.
Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen: radiale Halbebenenschnitte durch die einzelnen Phasen a) - d) des ersten Schritts zum Tiefziehen eines Topfes aus einem planen Rohling;
radiale Halbebenenschnitte durch die einzelnen Phasen a) - d) des zweiten Schritts zum weiteren Umformen respektive Tiefziehen eines Topfes mit grösserer Zargenhöhe aus einem tiefgezogenen Topf aus dem ersten Schritt gemäss Figur 1;
radiale Halbebenenschnitte durch die einzelnen Phasen a) - d) des dritten Schritts zum weiteren Umformen eines Topfes aus einem Topf mit grösserer Zargenhöhe aus dem zweiten Schritt gemäss Figur 2;
radiale Halbebenenschnitte durch die einzelnen Phasen a) - h) des vierten Schritts zum Aufdicken des Bodens eines Topfes aus dem dritten Schritt gemäss Figur 3;
radiale Halbebenenschnitte durch kritische Phasen a) und b) wenn die Auswerferkraft zu gross eingestellt ist;
radiale Halbebenenschnitte durch kritische Phasen a) und b) wenn die Auswerferkraft zu klein eingestellt ist;
eine Stufenfolge in 9 Stufen von einem Rohling zu einem fertigen Bauteil, wobei jeweils unten eine Aufsicht und oben eine Schnittdarstellung entlang den Pfeilen in der unteren Darstellung angegeben ist, und wobei in a) der Rohling dargestellt ist, in b) das Resultat einer ersten Stufe mit einem ersten Zug, in c) das Resultat einer zweiten Stufe mit einem zweiten Zug, in d) das Resultat einer dritten Stufe zum Stauchen der Ecke im Bodenbereich, in e) das Resultat einer vierten Stufe mit einem ersten Aufdicken des Bodens, in f) das Resultat einer fünften Stufe zum Aufrichten der Zarge, in g) das Resultat einer sechsten Stufe mit einem zweiten Aufdicken des Bodens, in h) das Resultat einer siebten Stufe mit einem erneuten Aufrichten der Zarge, und in i) respektive j) die Resultate von zwei aufeinanderfolgenden Abstreckschritten zur Erhöhung der Zargenhöhe, dargestellt sind; und eine fotografische Darstellung eines Schnittes eines hergestellten Bauteils.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFUHRUNGSFORMEN ren 1-4 werden vier verschiedene Arbeitsgänge im Rahmen einer Stufenfolge illustriert, wobei von jedem Arbeitsgang jeweils einzelne Momentaufnahmen der Abfolge zur Illustration des Ablaufs dargestellt sind. Es handelt sich jeweils um Halbebenenschnitte, mit anderen Worten sind die dargestellten Werkzeuge und die dargestellten Produkte und Ausgansmaterialien zylindersymmetrisch und es ist jeweils ein axialer Schnitt dargestellt durch die Symmetrieachse des Werkzeugs und wegen der Symmetrie ist jeweils nur die eine Halbebene dargestellt.
Vorgelegt wird in diesem Vorgang ein Rohling in Form eines kreisförmigen planen Stanzlings 1 aus Metall (Ronde). Ein solcher Stanzling kann beispielsweise in einem kontinuierlichen Zuführungsverfahren aus Rohmaterial ab Rolle zugeführt und gestanzt werden. Der Rohling 1 wird, in einem ersten Arbeitsschritt wie in Fig.l dargestellt, zunächst umgeformt in einem Tiefziehverfahren, indem der Randbereich umlaufend in eine Richtung zu einer Zarge umgelegt wird, deren Verlaufsrichtung im Wesentlichen umlaufend senkrecht zur Ebene eines Bodenabschnitts liegt. Dies erfolgt so, dass der Rohling (vergleiche Fig. la) im zentralen Bereich zwischen einem Auswerfer 3 und einem Stempel 4 geklemmt wird, konkret indem er in seinem zentralen Bereich zwischen dem Klemmbereich 12 des Auswerfers 3 und dem Klemmbereich 9 des Stempels 4 flächig eingeklemmt wird. Der geklemmte Bereich 8 wird entsprechend in diesem Schritt nicht bearbeitet, sehr wohl aber der radial nach aussen folgende umlaufende Abschnitt 13. Radial aussenseitig des Auswerfers ist eine Matrize 2 angeordnet. Zwischen Matrize 2 und Aus werfer 3 verbleibt ein axialer Spalt 6. Der dem Stempel 4 zugewandte obere Bereich der Matrize ist abgerundet ausgebildet, wie dies durch das Bezugszeichen 7 dargestellt ist. Ebenfalls abgerundet und zur Anlage für den umgelegten Bereich 13 vorgesehen ist der umlaufende untere Kantenbereich 5 des Stempels 4. Der gekrümmte Bereich 5 geht über in einen axial verlaufenden, durch eine Zylinderumfangsfläche gebildeten Flächenbereich 10 des Stempels 4. Auswerfer 3 und Stempel 4, zusammen mit dem zwischen diesen beiden Werkzeugelementen geklemmten Rohling 1 bewegen sich nun, wie dies in der Abfolge der Figuren la-b dargestellt ist, sukzessive nach unten, dadurch kommt der Abschnitt 13 mit der abgerundeten Fläche 7 der Matrize in Kontakt und wird zunehmend umlaufend nach oben gelegt, so dass sich zunächst eine Wanne bildet. Durch die radiale relative Anordnung der zylindrischen Aussenfläche des Stempels 4 und der zylindrischen Innenfläche 11 der Matrize 2 wird ein enger Spalt 14 gebildet, welcher im Wesentlichen der Materialstärke des Rohlings 1 entspricht oder aber auch etwas grösser sein kann. Wie insbesondere aus den Figuren lc und ld ersichtlich, wird nun der umgeformte umlaufende Abschnitt 13 in diesem Spalt 14 so geklemmt, dass ein sauberes Umformen zu einem topfförmigen Bauteil 17 nach dem ersten Schritt erfolgt. Es gibt bei diesem Zwischenresultat einen Bodenbereich 15, welcher im Wesentlichen dem zwischen Auswerfer 3 und Stempel 4 geklemmten Bereich entspricht, dann gibt es einen mit einem vergleichsweise grossen Radius gekrümmten Übergangsbereich 18, dessen Form im Wesentlichen dem abgerundeten Bereich 5 des Stempels entspricht, sowie einen umlaufend aufkragenden Bereich 16.
In diesem in Fig. 1 dargestellten Verfahren ist dies zwar nicht der Fall, aber es ist durchaus auch möglich, bereits im Rahmen dieses Schrittes die Spaltweite 14 geringer einzustellen als die Materialdicke des Ausgangsmaterials des Rohlings, und dadurch ein erstes Abstrecken/ Abglätten des umlaufend aufkragenden Bereichs 16 und damit eine Vergrösserung der Höhe des Topfes umzusetzen.
Das topfförmige Bauteil 17, das das Resultat ist des in Fig. 1 dargestellten Umformschrittes, ist nun das Ausgangsmaterial für den zweiten Umformschritt, der in Fig. 2 dargestellt ist. Wiederum handelt es sich auch hier um ein Werkzeug mit einem Stempel 20 und einem Auswerfer 22, und der Bodenbereich 15 des Ausgangsmaterials wird zwischen diesen beiden Werkzeugteilen in einem Bereich 23 geklemmt. Der Stempel 20 verfügt nun aber über einen wesentlich geringeren Radius und auch der Übergangsbereich zwischen dem horizontalen Klemmabschnitt des Stempels 20 und der spaltbegrenzenden Fläche 26 in Form einer Zylinderumfangfläche verfügt über einen Krümmungsradius 25, der wesentlich geringer ist als beim ersten Werkzeug gemäss Fig. 1. Wiederum gibt es auch hier eine Aussenkulisse in Form einer Matrize 21, die auch hier einen umlaufenden abgerundeten Bereich 24 aufweist. Der zwischen Stempel 20 und Auswerfer 22 geklemmte Bereich 23 bewegt sich zusammen mit den Elementen 20 und 22 relativ zur Aussenkulisse 21 nach unten, und der radial nach aussen folgende Bereich wird nun sukzessive umgeformt, wie sich dies in der Abfolge der Schritte 2a-b zeigt. Zwischen der Umfangsfläche 26 des Stempels 20 und der zylindrischen Innenfläche 27 der Matrize bildet sich auch hier wiederum ein Spalt 33, zwischen welchem der aufkragende Bereich umgeformt und gezogen wird.
Es resultiert ein topfförmiges Bauteil 30 nach diesem zweiten Schritt, welches wiederum über einen umlaufenden aufkragenden Bereich 31 verfugt, da hier nun aber die Spaltweite des Spaltes 33 weiter eingestellt ist als die Dicke des Ausgangsmaterials, wird nicht nur umgeformt, sondern gleichzeitig auch abgestreckt, d.h. durch diesen Vorgang wird gewissermassen der umlaufende Bereich 31 in die Länge gezogen. Der Abschnitt 34 wurde also im Rahmen dieses Schrittes unter Verwendung eines begrenzten Ziehspalts verjüngt, zudem ist aber auch der Übergangsbereich vom Bodenbereich 32 zum umlaufenden aufkragenden Bereich 31 des topfförmigen Bauteils 30 im Radius reduziert worden. Der Bodenbereich 32 verfügt aber immer noch im Wesentlichen über die Materialstärke des Ausgangsmaterials.
In einem nächsten Bearbeitungsschritt, der in Fig. 3 dargestellt ist, wird nun der Radius im Übergangsbereich vom Bodenabschnitt 32 zum umlaufenden aufkragenden Abschnitt 31 des topfförmigen Bauteils 30 noch weiter reduziert. Dies geschieht in einem Werkzeug, bei welchem das Ausgangsbauteil 30 im Bodenbereich zwischen einem Auswerfer 42 und einem Niederhalter 55 nur noch im ganz zentralen Bereich geklemmt wird. Radial aussenseitig wird das Bauteil während des im Wesentlichen gesamten Bearbeitungsschrittes gemäss Fig. 3 durch die Matrize 41 geführt, wobei der aufkragende Bereich im Spalt 53 zwischen der spaltbegrenzenden Fläche 47 der Matrize 41 und der spaltbegrenzenden Fläche 46 eines Stempels 40 geführt und verschieblich geklemmt ist. Zudem ist nun dieser Stempel 40 mit einem umlaufenden abgerundeten Bereich 45 mit sehr geringem Radius vorgesehen. Dieser greift von oben wie der Niederhalter an das Bauteil an. Es bewegt sich nun der Stempel 40, wie dies in der Abfolge der Fig. 3a-d dargestellt ist, relativ zu Niederhalter 55, Auswerfer 42 und Aussenkulisse 41 nach unten auf den geklemmten Bereich 43, respektive dem Bodenbereich des Ausgangsbauteils zu, so dass der gekrümmte Übergangsbereich zwischen Boden und auftragendem Abschnitt in eine Form übergeführt wird, welche über einen sehr kleinen Krümmungsradius verfügt. Der Stempel 40 wird im Wesentlichen mit seiner unteren Fläche so weit auf das Bauteil hinabgeführt, bis es im Wesentlichen flächenbündig mit der Klemmfläche des Niederhalters 55 ist, d.h. bis zu einem Endzustand wie er in Fig. 3d dargestellt ist.
Jeweils auf der linken Seite der dargestellten Fig. 1-4 ist eine Schattierungsskala dargestellt, welche die Dicken des Bauteils im entsprechenden Bereich angibt. Das Ausgangsmaterial verfügt, wie dies insbesondere der Fig. la entnommen werden kann, über eine Dicke von 1.1 mm. Bereits beim Prozess gemäss Fig. 1 ist erkennbar, wie durch den Umformprozess eine leichte Verdickung durch Verschiebung von Material in den oberen Randbereich des aufkragenden Abschnitts 13 erfolgt und insbesondere in Fig. 2 ist aber auch erkennbar, wie im Übergangsbereich zwischen Bodenabschnitt 32 und aufkragendem Abschnitt 31 beim Krümmungsradius eine Verdünnung des Materials stattfindet. Dies ist auch im Rahmen von Fig. 3 so, und es muss aufgepasst werden, dass im Werkzeug, dies gilt insbesondere für die Schritte 1-3, nicht zu hohe Zugkräfte auf diesen Kantenbereich wirken, was dazu führen könnte, dass der Boden gewissermassen ausgestanzt wird und der aufkragende Bereich abgetrennt wird.
Fig. 4 zeigt jenen Bearbeitungsschritt in einem vierten Werkzeug, bei welchem nun ganz gezielt unter Verkleinerung des Radius des Bodenbereichs 52 des topfförmigen Bauteils 50 nach dem dritten Schritt eine Verdickung dieses Abschnittes herbeigeführt wird. Dabei wird das Ausgangsbauteil 50 aus dem dritten Bearbeitungsschritt gemäss Fig. 3 zwischen einem Auswerfer 72 und einem Niederhalter 70 im zentralen Bodenbereich 73 geklemmt. Umlaufend um den Auswerfer 72 angeordnet ist eine konische Aussenkulisse 71 mit einer sich nach oben erweiternden Konusfläche 77, die in einem umlaufenden abgerundeten Bereich 74 zu einem im Wesentlichen in dieser Darstellung horizontal verlaufenden Bereich übergeht. Die Konusfläche 77 liegt unter einem Winkel, dem Konuswinkel 83, zur Symmetrieachse des Werkzeugs. Dieser Konuswinkel liegt typischerweise im Bereich von 5-15°. Tiefere Konuswinkel machen das Durchfahren von zu viel Schritten wie in Fig. 4 erforderlich mit entsprechenden wirtschaftlichen aber auch materialtechnischen Nachteilen, grössere Winkel führen zu Problemen, wie sie weiter unten im Detail dargestellt werden sollen und die sehr ähnlich sind, wie wenn die Niederhaltekraft des Niederhalters 70 respektive die Auswerferkraft nicht genügend präzise eingestellt ist.
Nun wird zusätzlich ein Schubelement 75 vorgesehen, welches mit einer radialen Schubfläche 76 auf der umlaufenden Oberfläche oder Oberkante 84 der Seitenwand aufliegt. Dieses Schubelement 75 ist weggesteuert, während die anderen Werkzeugteile 70, 71, 72 durch entsprechende Federkräfte eingestellt werden (das Werkzeugteil 71 muss nicht gefedert gelagert sein). Nun bewegt sich die Einheit aus Niederhalter 70, Auswerfer 72 und Schubelement 75 zusammen mit dem geklemmten Bauteil 50 nach unten, während die konische Aussenkulisse 71 im Wesentlichen stationär bleibt. Bei dieser Bewegung kommt nun der mit einem geringen Radius ausgebildete Übergangsbereich 56 zwischen dem Bodenabschnitt 52 und dem aufkragenden Abschnitt 54 in Anlage mit der Konusfläche 77.
Durch das sukzessive weitere Hinunterbewegen unter dem Druck auf die Oberkante 84 durch das Schubelement 75 wird dadurch, wie sich dies insbesondere aus den Fig. 4c-h ergibt, unter Verkürzung des Radius des Bodenabschnittes 52 dieser gewissermassen sich verdickend zusammengeschoben, d.h. es wird Material in die Mitte verschoben und die Materialstärke im Bodenbereich erhöht.
Gleichzeitig verformt sich aber auch der aufkragende Bereich aufgrund der konischen Kulisse der Matrize 71 zu einem sich konisch nach oben aufweitenden aufkragenden Bereich, wie er dann beim fertigen Bauteil durch das Bezugszeichen 81 dargestellt ist. Da auch an diesem Seitenwandbereich stauchend durch das Schubelement 75 geschoben wird, verdickt sich das Bauteil auch in diesem Bereich gegebenenfalls zusätzlich.
Wichtig ist dabei die Positionierung und die Form des Niederhalters 70, sowie insbesondere dessen Radius. Durch die radial nach innen gerichtete Schubkraft, die durch die Konizität der Matrize 71 angelegt wird, kann der Boden unter Umständen auch, sich nach oben ausbeulend, diesem Druck ausweichen, so dass dann nicht eine Materialverdickung, sondern eine Ausbeulung resultiert. Typischerweise sollte bevorzugt der Niederhalter wenigstens einen Drittel des Radius des Bodenbereiches zum Ausgangszeitpunkt des Schnittes abdecken, kann aber auch einen geringeren Radius aufweisen. Dies ist selbstverständlich i.d.R. nicht gewünscht, entsprechend ist es bei diesem Schritt wichtig, dass die Dimensionierung und die Klemmkraft des Niederhalters 70, insbesondere die Klemmkraft zwischen Niederhalter 70 und Auswerfer 72 gerade so eingestellt wird, dass zwar dieses Ausbeulen verhindert wird aber trotzdem auch die Verdickung des Materials nicht nur in jenem Bereich, wo der Niederhalter 70 nicht aufliegt, sondern auch im Klemmbereich ermöglicht ist. Nur wenn sich im Laufe des Verfahrensschrittes gemäss Figur 4 der Abstand zwischen Niederhalter 70 und Auswerfer 72 auch vergrössernd verändern kann, kann über den gesamten Bodenbereich die gewünschte Verdickung realisiert werden.
Resultat dieses wichtigen Bearbeitungsschrittes gemäss Figur 4 ist dann ein topfförmiges Bauteil 80 mit einem konisch sich nach oben erweiternden umlaufenden aufkragenden Bereich 81, der eigentlichen Zarge, und einen im wesentlichen planen Bodenbereich 82, und der Übergangsbereich verfügt über einen relativ kleinen Radius. Der Bodenbereich 82 verfügt nun über eine Dicke, die in diesem Fall 30-40% grösser ist als die Materialstärke des Ausgangsmaterials. Möchte man nun ein Bauteil mit paralleler Zarge haben und insbesondere diese Zarge auch noch wesentlich länger ausbilden, d.h. ein Bauteil herstellen, welches eine grössere Höhe aufweist, so kann nun in anfolgenden Umformschritten, bei welchen dann im Wesentlichen nur noch der Bodenbereich geklemmt und die Zarge abgestreckt wird, die gewünschte Geometrie realisiert werden. Die Einstellung der Parameter im Werkzeug, so dass am Ende der Prozess sicher und genau unter den erwünschten Materialumformungen im vierten Schritt erfolgen kann, ist wichtig und kann durch einfache Versuchsreihen ermittelt werden. Die wichtigsten Fehlzustände sind in den Figuren 5 und 6 dargestellt.
Wird durch das Schubelement 75 eine zu hohe Kraft ausgeübt (vgl. Figur 5), so wird die Zarge zu intensiv und zu schnell, d.h. in einem zu frühen Verfahrensstadium, nach unten geschoben und es kann sich ein umlaufender, das ganze Werkzeug gegebenenfalls blockierender nach unten ausgebeulter Sack (Hinterstrich) im Randbereich bilden, wie dies in Figur 5 dargestellt ist. In diesem Fall ist also die Klemmkraft des Schubelements zu hoch resp. die Federkraft des Auswerfers 72, wenn das Schubelement 75 weggesteuert ist, zu hoch eingestellt.
Figur 6 auf der anderen Seite zeigt die Situation, wenn die Gegenkraft des Auswerfers 72 zu niedrig eingestellt wird. In diesem Fall schiebt das Schubelement 75 zu wenig und unter der Reibung an der konischen Kulisse der Matrize stülpt sich der Randbereich, d.h. dort wo der Bodenabschnitt nicht durch den Niederhalter 70 geklemmt ist, nach oben und es resultiert ebenfalls ein unbrauchbares Bauteil und insbesondere, genau wie in Figur 5, ergibt sich keine Verdickung des Bodens.
In Figur 7 ist anhand der unterschiedlichen Zustände eines Bauteils im Rahmen einer Folge von Schritten eine gesamte Stufenfolge von einer scheibchenförmigen Rohling 1 ausgehend (vgl. Figur 7a) bis zu einem topfförmigen fertigen Bauteil 100 mit einem äussert dicken Bodenbereich 102 und einem vergleichsweise sehr dünnen umlaufenden Zargenbereich 101 dargestellt. Dargestellt ist jeweils oben ein axialer Schnitt durch das bearbeitende Teil und unter eine Aufsicht.
Ausgegangen wird bei dieser Stufenfolge von einem Rohling 1 mit einer Dicke D. In einem ersten Schritt wird dieses Bauteil tiefgezogen wobei in diesem Verfahrensschritt gegebenenfalls der Boden ganz leicht ausgedünnt wird (D während die Zarge die Dicke des Ursprungsmaterials behält und auf eine Höhe i aufgestellt wird. Dieses Bauteil wie in Figur 7b dargestellt wird anschliessend in einer zweiten Stufe, einem zweiten Zug weiter umgeformt, wobei der Radius im Übergangsbereich vom Boden zur Zarge reduziert wird und der Durchmesser des Bodens um nochmals ca. 20% reduziert wird, so dass sich die Höhe h2 um ca. 50% erhöht. Gleichzeitig werden die Zargen auch noch etwas abgestreckt, so dass im Zargenbereich eine Dicke D2 resultiert welche etwas geringer ist als die Dicke D des Ausgangsmaterials. Das resultierende Bauteil ist in Figur 7c dargestellt.
In einem nächsten Schritt, welcher im Wesentlichen dem Schritt 3 wie oben beschrieben entspricht, wird umgeformt in dem die Ecken gestaucht werden, mit anderen Worten der Übergangsradius zwischen Bodenbereich und Zarge stark reduziert wird. Dies ist eine Vorbereitung für den oben im Rahmen von Figur 4 dargestellten Schritt für die Verdickung des Bodens. Auch bei diesem Schritt des Stauchens des Bodens kann gegebenenfalls der Boden leicht wieder verdickt werden, d.h. die Dicke D3 kann grösser sein als die Dicke Όι). Die Gesamthöhe h3 wird durch diesen Schritt selbstverständlich ebenfalls wieder etwas reduziert, der Öffnungsdurchmesser Dm3 bleibt aber ungefähr gleich wie Dm2. Resultat ist ein Topf wie in Figur 7d dargestellt mit einem scharfen Übergangsbereich mit geringem Radius zwischen Boden und Zarge.
In einem vierten Schritt, dessen Resultat in Figur 7e dargestellt ist, wird nun als erstes der Boden aufgedickt, im Wesentlichen in einem Schritt wie er in Figur 4 oben beschrieben wurde. Resultat ist ein Boden mit einer Dicke D4 die nun bereits grösser ist als die Dicke D des Ausgangsmaterials. Ebenfalls gestaucht werden die Zargenbereiche, d.h. D'4 ist ebenfalls grösser als D. Der innere Bodenradius Dni4 reduziert sich dabei im Vergleich zu Dm3 um ca. 20%, während die Höhe h4 gleich bleibt oder sogar noch etwas vergrössert werden kann.
Nun folgt ein weiterer Schritt, dessen Resultat in Figur 7f dargestellt ist, die Zargen werden wieder aufgerichtet und gleichzeitig sichergestellt, dass die Radien im Übergangsbereich zwischen Boden und Zarge möglichst klein bleiben. Der Boden wird in einer Dicke D5 gegebenenfalls wieder etwas ausgedünnt, im nun anfolgenden Schritt, dessen Resultat in Figur 7g dargestellt ist, wird in einem zweiten Aufdickungsschritt für den Boden dieser nochmals in seiner Dicke weiter aufgebaut zur einer endgültigen Dicke D6, die in diesem speziellen Fall fast doppelt so gross ist wie die Dicke D des Ausgangsmaterials. Auch verdickt werden die Zargen auf eine Dicke D'6, diese werden aber in nun folgenden drei Schritten, einem ersten Schritt mit Ziehen (Resultat in Figur 7h dargestellt) sukzessive und unter massiver Erhöhung der Gesamthöhe des Bauteil auf eine endgültige Höhe hg verdünnt. Der erste Schritt, dessen Resultat als Figur 7h dargestellt ist, ist ein Ziehen, während die Schritte, die zu den Resultaten gemäss Figuren 7i und j führen, effektive Abstreckschritte sind, so dass die Wandstärke am Ende (D'9) nur noch ungefähr zwei Drittel der Materialstärke D des Ausgangsmaterials beträgt.
So resultiert am Ende ein Bauteil, bei welchem das Verhältnis zwischen Wandstärke im Bodenbereich und Wandstärke im Zargenbereich im Bereich von 3 zu 1 liegt, ausgehend von einer Ausgangsmaterialstärke die wesentlich geringer ist als die Dicke im Bodenbereich und grösser oder sogar wesentlich grösser als die endgültige Stärke im Zargenbereich.
Ein aus diesem Prozess resultierendes Bauteil ist, insbesondere zur Illustration des Eckbereichs 103 mit sehr geringen Kantenradien in Figur 8 in einem axialen Schnitt dargestellt. Was sich an diesem Bauteil vor allem bei Messungen auch herausstellt, ist die Tatsache, dass aufgrund der Prozesse mit dem Bodenmaterial dieses eine wesentlich höhere Festigkeit aufweist, als wenn ein solches Bauteil ausschliesslich Umform-Schritten konventioneller Art unterzogen wird. Typischerweise verfügt das Ausgangsmaterial über eine Vickers Härte im Bereich von HV1 = 107-111. Wird ein Bauteil in einem normalen Verfahren ausgehend von einem Material der Stärke 1.1 mm tiefgezogen, so ist bei einer Bodenstärke von etwas kleiner als 1.1 mm die Vickers Härte in diesem Bereich dann im Bereich von HV10 = 114-119. Wird unter Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens der Boden auf eine Dicke von 1.3 mm erhöht, so resultiert dann eine Härte von HV10 = 151-166, wird auf eine Dicke von 1.7 mm erhöht, sogar im Bereich von HV10 = 176-181. Im wesentlichen unmittelbar über dem Boden gemessen verfügt die Zarge unter diesen Bedingungen über eine Härte im Bereich von HV10 = 154-155 am tiefgezogenen Teil vor dem ersten Aufdickungs schritt, HV10 = 185 nach dem Aufdicken auf eine Bodenstärke von 1,3 mm und HV 10=206-219 nach dem zweiten Aufdicken auf 1,7mm und anschliessender Tiefzieh- und Abstreckoperation zum fertigen Bauteil. Ausserdem erhöht sich entsprechend die Fliessgrenze des Materials im Bodenbereich ausgehend vom Grundwerkstoff mit ca. 210 MPa, in den beiden Tiefziehschritten auf ca. 240 MPa und anschliessend im ersten Aufdickungsschritt (1,1mm auf 1,3mm) auf ca. 400 MPa. Im zweiten Aufdickungsschritt (1,3mm auf 1,7mm) wird eine weitere Erhöhung der Fliessgrenze auf ca. 450 MPa erreicht.
BEZUGSZEICHENLISTE Rohling 20 Stempel für den zweiten Aussenkulisse für den ersten Schritt
Schritt, Matrize 21 Aussenkulisse für den Auswerfer für den ersten zweiten Schritt, Matrize Schritt 22 Auswerfer für den zweiten Stempel für den ersten Schritt Schritt
umlaufender abgerundeter 23 geklemmter Bereich von 17 Bereich von 4 24 umlaufender abgerundeter breiter Spalt zwischen 2 und Bereich von 21
3 25 umlaufende abgerundeter umlaufender abgerundeter Bereich von 20
Bereich von 2 26 spaltbegrenzende Fläche von geklemmter Bereich von 1 20
Klemmbereich von 4 27 spaltbegrenzende Fläche von spaltbegrenzende Fläche von 21
4 28 umlaufende Fläche von 23 spaltbegrenzende Fläche von 29 Klemmbereich von 22 2 30 topfförmiges Bauteil nach Klemmbereich von 3 dem zweiten Schritt umgeformter Abschnitt von 1 31 umlaufender aufkragender Spalt für 13 Bereich nach zweitem Schritt Bodenbereich nach erstem 32 Bodenbereich nach zweiten Schritt Schritt
umlaufend auftragender 33 Spalt für 34
Bereich nach erstem Schritt 34 abgestreckter Abschnitt von topfförmiges Bauteil nach 17
erstem Schritt
gekrümmter 40 Stempel für den dritten Übergangsbereich zwischen Schritt
15 und 16 41 Aussenkulisse für den dritten
Schritt, Matrize Auswerfer für den dritten 73 geklemmter Bereich von 50
Schritt 74 umlaufende abgerundeter geklemmter Bereich von 30 Bereich von 71
umlaufender abgerundeter 75 Schubelement
Bereich von 41 76 Schubfläche von 75 umlaufende abgerundeter 77 Konusfläche von 71
Bereich von 40 78 umlaufende zylindrische spaltbegrenzende Fläche von Fläche von 72
40 79 Klemmbereich von 72 spaltbegrenzende Fläche von 80 topfförmiges Bauteil nach
41 dem vierten Schritt umlaufende Fläche von 43 81 umlaufender aufkragender,
Klemmbereich von 42 sich aufweitender Bereich topfförmiges Bauteil nach nach dem vierten Schritt, dem dritten Schritt Zarge
umlaufender aufkragender 82 Bodenbereich nach dem
Bereich nach drittem Schritt vierten Schritt
Bodenbereich nach drittem 83 Konuswinkel von 77
Schritt 84 umlaufende Oberfläche von
Spalt für 54 Seitenwand
aufkragender Abschnitt von
50 100 fertiges Bauteil
Niederhalter für den dritten 101 Zarge von 100
Schritt 102 Boden von 100
Übergangsbereich von 52 zu 103 Eckbereich von 100
51, Kantenbereich
D Dicke
Niederhalter für den vierten Dm Durchmesser
Schritt H Höhe
konische Aussenkulisse für
den vierten Schritt, Matrize
Auswerfer für den vierten
Schritt

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Verfahren zur Herstellung eines topfförmigen und/oder gestuften Bauteils (80, 100) aus einem planen Rohling (1),
wobei das topfförmige und/oder gestufte Bauteil (80, 100) einen wesentlichen planen Bodenbereich (82, 102) und/oder Stufenabschnitt aufweist, und eine an diesen anschliessende umlaufende, vom Bodenbereich (82,102) respektive Stufenabschnitt aufkragende Zarge (81, 101),
wobei der Rohling (1) im wesentlichen über seine gesamte Fläche eine erste Materialstärke (D) aufweist, und
wobei der Bodenbereich (82,102) respektive Stufenabschnitt eine zweite Materialstärke (D9) aufweist, welche grösser ist als die erste Materialstärke (D), gekennzeichnet durch wenigstens folgende Schritte
a) umformen des planen Rohlings (1) in wenigstens einem Tiefzieh-Schritt zu einem topfförmigen Rohbauteil (17, 30, 50) mit einem im wesentlichen planen Bodenbereich (15, 32, 52) respektive Stufenabschnitt und einer an diesen anschliessende umlaufende, vom Bodenbereich (15, 32, 52) respektive Stufenabschnitt aufkragende Zarge (16, 31, 51),
b) umformen dieses topfförmigen Rohbauteils (17, 30, 50) in einem Werkzeug mit einer konisch zulaufenden Matrize (71) und einem auf die umlaufende Oberfläche der Zarge (16, 31, 51) des Rohbauteils (17, 30, 50) in axialer Richtung gegen die konisch verjüngende Matrize (71) Schub ausübenden Schubelement (75),
wobei der Bodenbereich (15, 32, 52) respektive Stufenabschnitt des Rohbauteils (17, 30, 50) wenigstens Bereichsweise zwischen einem Auswerfer (72) und einem Niederhalter (70) geklemmt ist,
und wobei die konisch zulaufende Matrize (71) den Bodenbereich (15, 32, 52) respektive Stufenabschnitt des Rohbauteils (17, 30, 50) radial aussenseitig umfasst und im Werkzeughub durchmesserverjüngend führt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schubelement weggesteuert ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Schrittes b) während des umformenden Werkzeughubs die Niederhaltekraft des Niederhalters (70) geringer ist als die Gegenkraft des Aus werfers (72).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) wenigstens einen ersten Tiefzieh-Schritt zur Ausbildung einer aufkragenden Zarge (16, 31, 51) aufweist, sowie wenigstens einen zweiten Umform-Schritt, bei welchem der Radius des Übergangsbereichs zwischen Bodenbereich und Zarge verkleinert wird, wobei vorzugsweise im Rahmen dieser Schritte oder im Rahmen wenigstens eines weiteren Schrittes die Zarge wandstärkenverjüngend und höhenvergrössernd abgestreckt und/oder tiefgezogen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anschliessend an Schritt b) das Bauteil wenigstens einem Umform-Schritt unterzogen wird, bei welchem die Zarge aus einer konisch zum Bodenbereich zulaufenden in eine wenigstens über einen Teil der Höhe, vorzugsweise über die gesamte Höhe der Zarge zylindrische, vorzugsweise kreiszylindrische Ausrichtung überführt wird, wobei vorzugsweise gleichzeitig oder im Rahmen eines oder mehrerer zusätzlicher Bearbeitungsschritte die Zarge unter Vergrösserung derer Höhe abgestreckt und/oder tiefgezogen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das topfförmige Bauteil rotationssymmetrisch ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Materialstärke (D9) im wesentlichen über den gesamten Bodenbereich (82,102) gleich ist oder infolge der Klemmung zwischen Niederhalter (70) und Auswerfer (72) gestuft ausgebildet ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Materialstärke (D9) wenigstens 1.25 mal grösser ist als die erste Materialstärke (D), vorzugsweise wenigstens 1.5 mal grösser ist als die erste Materialstärke (D), insbesondere vorzugsweise wenigstens 1.75 mal oder sogar wenigstens 2 mal grösser ist als die erste Materialstärke (D).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Materialstärke (D9) wenigstens 1.5 mal grösser ist als die Materialstärke (D9) der Zarge, vorzugsweise wenigstens 1.75 mal grösser, insbesondere bevorzugt wenigstens 2 mal oder sogar wenigstens 3 mal grösser.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, oder insbesondere Metalle vorzugsweise ausgewählt aus der folgenden Gruppe:
Stahl, insbesondere DC01, DC02, DC03, DC04, DC05, DC06, 1.4016, 1.4000, 1.4510, 1.4301, 1.4303, 1.4306, 1.4401, 1.4404;
Nickel und dessen (temperiert) tiefziehbare Legierungen insbesondere 2.4851; Kupfer und dessen (temperiert) tiefziehbare Legierungen insbesondere Messing; Tantal, Molybdän und ob und deren (temperiert) tiefziehbare Legierungen; Wolfram und dessen (temperiert) tiefziehbare Legierungen insbesondere unter Zulegierung von Rhenium;
Aluminium und dessen (temperiert) tiefziehbare Legierungen insbesondere unter Zulegierung von Magnesium;
Magnesium und dessen (temperiert) tiefziehbare Legierungen insbesondere unter Zulegierung von Lithium oder Aluminium, insbesondere die Legierung AZ31 ; sowie Kombinationen und Legierungen dieser Materialien..
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konisch zulaufende Matrize (71) einen Konuswinkel (83) im Bereich von 3-20°, vorzugsweise im Bereich von 5-15° aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) wenigstens zweimal ausgeführt wird, entweder unmittelbar nacheinander oder mit wenigstens einem zwischengeschalteten Tiefzieh-Schritt, bei welchem bevorzugtermassen die Zarge aus einer konisch zum Bodenbereich zulaufenden in eine wenigstens über einen Teil der Höhe, vorzugsweise über die gesamte Höhe der Zarge zylindrische, vorzugsweise kreiszylindrische Ausrichtung überführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Prozess, vorzugsweise ab Rolle, Ausgangsmaterial zugeführt wird und in wenigstens einem, dem Schritt a) vorgelagerten Bearbeitungsschritt aus dem Ausgangsmaterial der Rohling ausgeschnitten, insbesondere bevorzugt ausgestanzt wird.
14. Topfförmiges Bauteil (80, 100) insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, mit im einem wesentlichen planen Bodenbereich (82, 102) und einer an diesen anschliessende umlaufende, vom Bodenbereich (82, 102) aufkragende Zarge (81, 101), ohne Fügestelle zwischen Bodenbereich und aufkragender Zarge, hergestellt nach einem Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bevorzugt die Materialstärke (D9) des Bodenbereichs (82, 102) wenigstens 1.5 mal grösser ist als die Materialstärke (D9 ) der Zarge (81, 101), vorzugsweise wenigstens 1.75 mal grösser, insbesondere bevorzugt wenigstens 2 mal grösser.
Topfförmiges Bauteil (80, 100) nach Anspruch 14, wobei die Fliessgrenze des Materials im Bodenbereich als Mass für dessen Festigkeit derart gegenüber dem entsprechenden Wert des Ausgangsmaterials erhöht ist, dass sie einer Zunahme der plastischen Vergleichsdehnung von wenigstens 5%, vorzugsweise wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 25% in der entsprechenden Fliesskurve entspricht.
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