Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstückes zu schaffen, mittels deren
das Werkstück
auf relativ einfache und kostengünstige
Weise mit Schnitten, Löchern
und Durchbrüchen
versehen werden kann.
Diese
Aufgabe wird für
ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstückes mit den Schritten gelöst: Anordnen
des Werkstückes
benachbart zu einer Schneidkante einer Matrize und Druckbeaufschlagen des
Werkstückes
im Bereich der Schneidkante mittels eines Fluides entgegen der Schneidkante
zum Durchtrennen des Werkstückes.
Vorzugsweise
findet ein kompressibles Fluid Verwendung. Beispielsweise wird das
Verfahren mittels einer beschleunigten Gaswolke aus einem Gasgenerator
durchgeführt.
Weiterhin
wird die Aufgabe für
eine Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstückes, das gegen eine Schneidkante
einer Matrize angeordnet ist, dadurch gelöst, dass ein der Schneidkante
gegenüberliegender
Druckraum vorgesehen ist, zwischen denen das Werkstück zur Durchführung des
Schneidvorganges positionierbar ist.
Indem
das Schneiden bzw. Lochen oder Durchbrechen des Werkstückes nicht
wie bislang mittels aus Festkörpern
bestehende Scheren oder Schneiden durch ein als Stanzen bekanntes
Verfahren durchgeführt
wird, sondern durch Druckbeaufschlagen des Werkstückes mittels
eines Fluides, insbesondere eines Gases, das vorzugsweise aus einem
Gasgenerator stammt, ist es möglich,
ein Werkstück
an jeder beliebigen Stelle mit Durchbrüchen oder Schnitten zu versehen,
unabhängig
von der Bewegungsrichtung einer Tiefziehpresse, durch die das Werkstück in Form
gebracht wurde.
Indem
das Werkstück
erfindungsgemäß mittels
eines druckbeaufschlagten Mediums durchtrennt wird, sind sehr genaue,
gratarme und schnelle Schnitte möglich,
insbesondere dann, wenn als Medium erfindungsgemäß ein von einem Gasgenerator produziertes
Gas in Form einer Gaswolke hoher Beschleunigung Verwendung findet.
Vorzugsweise
erfolgt das Schneiden eines Werkstückes, indem das Werkstück beiderseits
seiner Schnittkante auf einer Matrize angeordnet wird, die eine
Schneidkante aufweist und beiderseits der Schnittkante auf seiner
der Matrize abgewandten Seite druckbeaufschlagt wird.
Hierbei
wird das Werkstück
während
des Schneidens vorzugsweise zwischen der Matrize und einem Gegenhalter
eingespannt. In dem Gegenhalter ist hierbei ein Druckraum ausgebildet,
der insbesondere in sehr kurzer Zeit (wenige Millisekunden) mit
einem unter hohem Druck stehenden gasförmigen Medium gefüllt werden
kann und das Werkstück in
Richtung zur Matrize hin druckbeaufschlagt. Hierdurch wird der Bereich
des Werkstückes,
der nicht durch die Schneidkante der Matrize abgestützt ist, entlang
der Schneidkante abgeschert und somit vom eigentlichen Bauteil abgetrennt.
Vorzugsweise
wird das Bauteil entlang einer im Wesentlichen ringförmigen Schnittkante
von einem Reststück
des Werkstückes
abgetrennt, an dem das Werkstück
beispielsweise während
eines dem Schneiden vorangehenden Tiefziehpressvorgangs in einem
Werkzeug eingespannt war.
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann das Werkstück
auch mit zumindest einem Loch, einem Durchbruch und/oder einem beliebig
geformten Anschnitt versehen werden.
Das
erfindungsgemäße Schneiden
kann hierbei in Bewegungsrichtung des Tiefziehvorganges oder in
einer von dieser verschiedenen Richtung erfolgen.
Vorzugsweise
erfolgt das Schneiden während
des Tiefziehvorganges im Bereich eines unteren Totpunktes der Tiefziehbewegung.
Die Durchführung des
Verfahrens ist auch anhand eines Einzelwerkzeuges und unabhängig von
einem solchen Tiefziehvorgang möglich.
Das
erfindungsgemäß zum Schneiden
verwandte Fluid ist vorzugsweise ein unter hohem Druck stehendes,
insbesondere im Gasmedium, das explosionsartig von einem Gasgenerator
erzeugt wird, der in dem Gegenhalter vorgesehen ist und der das
in einer Brennkammer erzeugte Gas durch Einströmkanäle oder direkt in den der Schneidkante
gegenüberliegenden
Druckraum leitet.
Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung näher
beschrieben, worin
1 einen
Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Beschneiden eines Werkstückes
zeigt,
2 einen
Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorichtung
zeigt, und
3 einen
Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Lochen oder
Ausschneiden eines Teilstückes
(Butzen) aus dem Werkstück zeigt.
In 1 und 2 ist
ein Beschneidwerkzeug in zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Schneiden eines Werkstückes
jeweils in einer Querschnittsansicht dargestellt.
Das
Beschneidwerkzeug ist hierbei in eine Tiefziehpresse integriert,
die der Herstellung eines topf- bzw. napfförmigen Bauteiles 11 dient.
Hierbei wird ein dünnwandiges
flaches Rohmaterial, beispielsweise eine Metallplatte, in die Tiefziehpresse eingelegt
und dann mittels einer vertikalen Hubbewegung entlang der Tiefziehrichtung
T zwischen einem Oberwerkzeug 5 und einem Unterwerkzeug 1 in
eine in ihrem Querschnitt U-förmige
Form tiefgezogen.
Hierbei
sind die Seitenkanten des Werkstückes 10,
wie in 1 dargestellt, noch erheblich länger als
die Topfseitenwände
des fertigen Bauteiles 11. Die überschüssigen Rest teile 12,
die zum Einspannen und als Fließreserve
für den
Tiefziehvorgang dienen, werden im Anschluss an den Tiefziehvorgang
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Schneiden des Werkstückes
abgetrennt. Hierbei erfolgt das Abtrennen in einer Schneidrichtung,
die im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung des Oberwerkzeuges 5 der
Tiefziehpresse erfolgt.
Das
Oberwerkzeug 5 weist hierbei ein Matrizenoberteil 9 und
ein Matrizenunterteil 7 auf, die vorzugsweise mittels Befestigungselementen 6a,
wie beispielsweise Verschraubungen, aneinander fixiert sind.
In
den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen
ist an einem unteren Endbereich des Matrizenoberteiles 9 eine
Schneidkante SM ausgebildet. In diesem Bereich
weist das Matrizenunterteil 7 eine Aussparung auf, in dem
ein elastischer Schneidanschlag 8 aufgenommen ist. Der
elastische Schneidanschlag 8 stützt das Werkstück 10,
ebenso wie die Schneidkante SM an der Werkstücksseite
A, die der Matrize 7, 8, 9 zugewandt
ist, ab.
Während einer
Druckbeaufschlagung des Werkstückes 10 auf
seiner der Matrize abgewandten Seite B weicht der elastische Schneidanschlag 8 jedoch
unter Druckeinwirkung zur Seite der Matrize hin zurück, so dass
der nicht von der Schneidkante SM abgestützte Bereich
des Werkstückes 10 der
Druckeinwirkung nachgeben und entlang der Schneidkante abgeschert
werden kann.
In 1 ist
auf der linken Seite das bereits fertig tiefgezogene Werkstück 10 in
einem Zustand vor der Druckbeaufschlagung dargestellt, während es
auf der rechten Seite der 1 in einem
Zustand nach der Druckbeaufschlagung und dem Abscheren gezeigt ist.
Die
Druckbeaufschlagung erfolgt über
einen Druckraum 4, der in dem Unterwerkzeug 1 ausgebildet
ist. Der Druckraum 4 ist hierbei auf seiner dem Werkstück 10 zugewandten
Seite offen und während des
Schneidvorganges relativ zum Oberwerkzeug 5 so angeordnet,
dass ein Bereich des Werkstückes 10 beiderseits
der Schneidkante SM des Matrizenoberteiles 9 auf
seiner Seite B druckbeaufschlagbar ist.
Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
zur Herstellung eines topfförmigen
Bauteiles 11, das der in 1 dargestellten
Querschnittsansicht einen U-förmigen
Querschnitt aufweist, und symmetrisch zu einer Symmetrielinie T
des Tiefziehvorganges ausgebildet ist, ist der Druckraum 4 als
ringförmiger
Kanal entlang einer Außenkontur
des Unterwerkzeuges 1 ausgebildet. Der Druckraum 4 steht über mehrere Einströmkanäle 3 mit
einer Brennkammer 15 in Fluidverbindung, die ebenfalls
in dem Unterwerkzeug 1 ausgebildet ist.
Vorzugsweise
ist die Brennkammer nach unten durch eine Brennkammerbodenplatte 1b verschlossen,
die über
weitere Befestigungselemente 6b mit dem Unterwerkzeug 1 verbunden
ist. In der Brennkammer 15 ist ein Gasgenerator 14 vorgesehen,
der über
ein an der Brennkammer 15 angeordnetes Zündgerät 16 entflammbar
ist. Der Gasgenerator entspricht hierbei im Wesentlichen den im
Bereich der Sicherheitstechnik verstärkt angewandten Gasgeneratoren,
wie sie beispielsweise bei Airbags in Automobilen zum Einsatz kommen.
Dabei
wird die grundlegende Eigenheit eines energetischen Systemes genutzt,
in Reaktion zur Feststoffmasse eine große Menge Gas in sehr kurzer Zeit
(wenige Millisekunden) bei der Reaktion freizusetzen und dabei nur
geringe Mengen an Rückständen (Schlacke
und Ruß)
zu hinterlassen. Die hierbei bestimmenden Einflussgrößen sind
die chemische Formulierung, die geometrische Form des Gasgeneratormaterials,
die eingesetzte Menge und die Gestaltung bzw. Größe der Brennkammer, ihre Auslässe bzw.
Einströmkanäle sowie
die Art der Zündung.
Die
Zündung
durch das Zündgerät 16 erfolgt über eine
Zündleitung 17 mittels
eines Zündkontaktes 13 der
zwischen Oberwerkzeug 5 und Unterwerkzeug 1 vorgesehen
ist und den Zündvorgang
vorzugsweise kurz vor Erreichen des unteren Totpunktes der Umformpresse
auslöst.
Die
sich beim Zünden
der Brennkammer entwickelten Gasmenge strömt im Millisekundenbereich direkt
oder über
die Einströmkanäle 3 in
den Druckraum 4 und baut den dort erforderlichen Druck
auf, der benötigt
wird, um den Schneidprozess einzuleiten. Der gesamte Prozess ist
vorzugsweise bei Erreichen des unteren Totpunktes der Presse abgeschlossen,
da danach eine Abdichtung zwischen dem Oberwerkzeug 5 und
dem Werkstück 10 nicht
mehr gewährleistet
ist. Beim Zurückfahren
des Oberwerkzeuges zum oberen Totpunkt hin kann das fertige Bauteil 11 sowie
das abgeschnittene Restteil 12 entnommen werden.
Durch
das Abscheren des Restteiles 12 entlang der Schneidkante
SM des Matrizenoberteiles 9 entsteht
beim abgeschnittenen Bauteil 11 eine scharte Schnittkante
SW des Werkstückes. Beim Schneiden eines
tiefgezogenen Werkstückes 10 ist
es notwendig, das spätere
Reststück 12 gegen
den elastischen Schneidanschlag 8 abzustützen, um
die Entnahme des Reststückes 12 zu
ermöglichen.
Der elastische Schneidanschlag 8 dient auch der Gasabdichtung
während
des Schneidprozesses zur Außenseite der
Presse hin.
Vorzugsweise
erfolgt eine Absaugung der Restgase unmittelbar nach dem Schneidprozess,
um eine Gefährdung
der Umwelt oder des Bedienpersonales durch die ansonsten mit hohem
Druck ausströmenden
Gase auszuschließen.
Eine
Abwandlung der in 1 gezeigten Vorrichtung zum
Beschneiden eines Werkstückes
ist in 2 gezeigt. Wie bei der in 1 gezeigten
Vorrichtung wird auch hier ein Werkstück 10 entlang einer
Schneidkante SM des Matrizenoberteiles 9 beschnitten
bzw. abgeschert, so daß beim
abgeschnittenen Bauteil 11 eine scharfe Schnittkante SW des Werkstückes entsteht.
Das
von dem Bauteil 11 abgeschnittene Reststück 12 wird
im Bereich seines freien Endes 12a mittels einer Andrückvorrichtung 18,
beispielsweise eines Niederhalters, gegen das Matrizenunterteil 7 gedrückt und
dadurch in Position gehalten. In der dargestellten Ausführungsform
zur Herstellung eines becherförmigen
Bauteiles 11 mit im wesentlichen kreisrundem Querschnitt
ist die Andrückvorrichtung 18 als
ringförmiges
Bauteil ausgeführt,
das in Richtung zur Matrize hin, also entgegengesetzt der Tiefziehrichtung
T, vorzugsweise elastisch bzw. federnd, vorgespannt ist.
Beim
Auseinanderfahren des Oberwerkzeuges 5 von dem Unterwerkzeug 1 löst sich
somit automatisch die Andrückvorrichtung 18 von
der Unterseite des Matrizenunterteiles 7, wodurch das Reststück 12 freigegeben
wird und dann in dieser oder einer weiteren Position, beispielsweise
mittels eines Abstreifers, von Matrizenunterteil 7 abgezogen
werden kann. Die elastische Vorspannung auf die Andrückvorrichtung 18 kann
durch Federelemente oder andere geeignete Einrichtungen, insbesondere
mechanisch oder pneumatisch, selbsttätig oder auch bewusst durch
Steuerung oder Regelung vorgenommen werden.
Ähnlich der
beschriebenen Vorgehensweise beim Beschneiden eines Werkstückes erfolgt
der Arbeitsablauf beim Lochen und/oder Ausschneiden eines Werkstückes. In
diesem Fall enthält
die Matrize anstelle der oder zusätzlich zur umlaufenden Schneidkante
SM einzelne Löcher und/oder Durchbrüche an den
gewünschten
Stellen. Die Löcher und/oder
die Durchbrüche
bilden hierbei die Geometrie der später im Bauteil erforderlichen
Löcher und/oder
Durchbrüche
ab, wie dies in 3 dargestellt ist.
Hierbei
wird auf eine der zuvor beschriebenen Art und Weise entsprechend
das Bauteil auf einer Druckseite B im Bereich einer Lochschneidkante SL mit einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt.
Die Lochschneidkante SL kann hierbei eine beliebige,
im Normalfall geschlossen ringförmige Kontur
aufweisen. Das durch den Druck herausgeschnittene Teilstück 20 kann
somit eine runde, eckige oder beliebige andere gewünschte Formen
aufweisen. Zur Ausbildung unterschiedlicher Aussparungen im Werkstück 10 ist
es denkbar, das Oberwerkzeug 5 mehrteilig bzw. mit Einsätzen 21 auszubilden,
in denen unterschiedliche Lochschneidkanten SL zur
Ausformung unterschiedlicher Ausschnitte, Butzen oder Teilstücke 20 vorgesehen
sind. Entsprechend können
in dem Formabschnitt 2 des Unterwerkzeuges 1 Einsätze für verschiedene
Durchbrüche,
die auch an unterschiedlichen Stellen vorgesehen sein können, auswechselbar
angeordnet sein.
Die
durch die Lochschneidkante SL vorgesehene,
dem Werkstück 10 zugewandte, Öffnung in dem
Einsatz 21 verbreitert sich vorzugsweise nach außen hin
zu einem Abfuhrkanal 22, durch den das Teilstück 20,
wie in 3 gezeigt, ausgeblasen wird.
Die
Entfernung des Lochstückes 20 kann
jedoch auch mechanisch oder auf andere geeignete Weise erfolgen.
Auch ist es denkbar, die Lochungen gegen elastische Schneidanschläge ähnlich des
zuvor geschilderten Beschneidens eines Werkstückes durchzuführen, so
daß kein
Auswurf erfolgt. Hierbei ist es auch denkbar, daß anstelle der Lochung lediglich
eine Perforierung eines später
zu entfernenden Teilstücks
entsprechend vorbestimmter Konturen erfolgt.
Als
besonderer Vorzug des Verfahrens ist zu werten, dass die Löcher bzw.
Durchbrüche
oder Einschnitte an jeder Stelle des Werkstückes 10 ausgeformt
werden können,
insbesondere auch in anderen Richtungen als der Richtung T des Tiefziehvorganges.
Die
Zuführung
des Gases nach der Zündung der
oder des Gasgenerators erfolgt zu den einzelnen Druckräumen über Einströmkanäle oder über Rohre, falls
das die Druckräume
aufweisende (Unter-) Werkzeug in nichtmonolithischer Werkzeugbauweise
ausgebildet ist. Hierbei können
die einzelnen Druckräume
und/oder Einströmkanäle in Gruppen
zusammengefasst sein. Nach dem Schneidvorgang werden die einzelnen
Restteile (Stanzbutzen) durch Druck über die Matrize oder die Matrizen
nach außen
abgeführt.
Das
Verfahren kann hierbei auf konventionellen Umformmaschinen (hydraulische
Pressen), Kniehebelpressen (Exzenterpressen) eingesetzt werden.
Hierbei kann auf die Anschaffung teuerer Innenhochdruckumformanlagen
verzichtet werden.
Im
Gegensatz zum herkömmlichen
Schneiden mittels Stempel und Matrize (Stanzen) ist das erfindungsgemäße Verfahren
deutlich preisgünstiger, da
das Gas als Stempel wirkt, keine mechanische Abnutzung eines Stempelbauteiles
auftritt und vor allem auch keine exakte Ausrichtung zwischen Stempel
und Matrize entlang der Schneidkante erfolgen muss.
Es
existiert kein Schneidspalt, weshalb auch die Verschleißneigung
entlang der Schneidkante SM der Matrize
reduziert wird. Insbesondere ist es nicht erforderlich, mechanische
oder hydraulische Stempelantriebe (Keilschiebereinheiten, Zylinder)
in den jeweils gewünschten
Schneidrichtungen vorzusehen, da die Lage der zu beschneidenden
Konturen oder auszuschneidende Löcher
und Durchbrüche
unabhängig
von der Bewegungsrichtung der Presse erfolgt und das Unter- bzw.
Oberwerkzeug mit seiner darin ausgeformten Kontur bereits als Matrize
dienen kann, indem beispielsweise in ihre Oberfläche Löcher eingebohrt werden und
diese dann mit einem elastischen Schneidanschlag aufgefüllt werden.
Das
Verfahren ist sowohl für
metallische Bauteile wie auch für
nichtmetallische (Kunststoff-) Bauteile, Fasermatten oder Bauteile
einsetzbar. Auch für
gewachsene Werkstoffe und Platten, wie beispielsweise unter Hochdampf
verformte Furnier- oder Sperrholzbauteile kann das Verfahren eingesetzt
werden.
Das
Verfahren ist auch ohne vorangehendes Umformen des Bauteiles einsetzbar
und kann jede bekannte Art des Schneidens bzw. Stanzens oder Abscherens
oder dergleichen ersetzen. Der Gasgenerator kann mit Feststoffrohmaterial
zur Gaserzeugung ebenso arbeiten wie mit fluidartigen Ausgangsmaterialien
zur Gasdruckerzeugung. Hierbei ist insbesondere an Fluide oder Aerosole
zu denken, die in die Brennkammer 15 eingeleitet oder eingesprüht werden,
bevor sie durch das Zündgerät 16 zur
explosionsartigen Ausdehnung und somit Druckerhöhung gebracht werden. Aufgrund
der Druckerzeugung in wenigen Millisekunden durch explosionsartige
Gasdruckerzeugung eignet sich das Verfahren zum Einsatz in Hochgeschwindigkeitsvorpressen,
insbesondere zur Karosserieteilherstellung in der Automobilindustrie
und dergleichen.
Es
ist auch denkbar, mehrere für
aufeinanderfolgende Tiefzieh- oder Umformverfahren unabhängig voneinander
vorgesehene Gasdruckschneidverfahren mit einzelnen Baukomponenten
zur Fertigung eines Endbauteiles 11 vorzusehen.
Auch
ist es denkbar, die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren bei
Werkstücken
aller Art einzusetzen. Hierbei ist insbesondere ein Einsatz bei
Rohren und Profilkörpern denkbar.
Das
Lochen, Perforieren und/oder Beschneiden kann hierbei in einem Arbeitsgang,
wie beispielsweise dem zuvor beschriebenen Tiefziehvorgang, mit einbezogen
werden, kann jedoch auch als separater Arbeitsgang unabhängig davon
und in einem eigenen Werkzeug vorgenommen werden.
Die
geometrische Anordnung der Werkstücke bzw. Werkzeuge ist hierbei
variierbar und in jeder Raumrichtung oder -Orientierung denkbar.
Kombinationen
von Lochen und Beschneiden von Werkstücken sind gleichzeitig oder
nacheinander denkbar.
Die
Zuführung
des Schneidfluids, also insbesondere des unter Hochdruck stehenden
Gases, das von einem Gasgenerator vorzugsweise erzeugt worden ist,
kann auch ohne Einströmkanal
direkt im Bereich des Druckraumes 4 und/oder der Schneidkante SL, SM erzeugt werden.
Einströmkanäle werden
vorzugsweise dann verwendet, wenn mehrere Schnitte oder größere Schnittlängen erforderlich
sind. Jedoch kann auch in diesem Fall der Druck von außerhalb oder
an mehreren Stellen unabhängig
von den anderen Stellen erzeugt oder aufgebracht werden.