DE102006046305B4

DE102006046305B4 - Vorrichtung zum mindestens partiellen Umformen von Blech über die bekannten Formgebungsgrenzen hinaus

Info

Publication number: DE102006046305B4
Application number: DE200610046305
Authority: DE
Inventors: Dr. Trubert Franz; Dr. Klaas Friedrich
Original assignee: STS Formtechnik GmbH
Current assignee: STS FORMTECHNIK GMBH, AT
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2026-09-30
Also published as: DE102006046305A1

Abstract

Vorrichtung zum partiellen Umformen von Blech (10) über die Formgebungsgrenzen hinaus, umfassend erwärmtes Wirkmedium führende Formwerkzeugteile (20, 22) mit Formoberflächen und einem Fluidzuführsystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkmedium führende Formwerkzeugteile (20, 22) derart ausgestaltet sind, dass das Wirkmedium lokal zu einer Teiloberfläche des Bleches (10) geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Unter Blechen wird im nachfolgenden Blech oder eine in sonstiger Weise dreidimensional geformte Schicht verstanden.
Ein typisches Verfahren zur Herstellung von geformten Teilen innerhalb der Formgrenzen, insbesondere von geformten Blechen ist das Warm- oder Kalt-Pressen oder Tiefziehen von Blech (ggf. erwärmten Blechs) in Formwerkzeugen. Typische dafür geeignete Pressen sind Hydraulische Pressen oder mechanische Pressen, wie Tiefziehpressen.
”Formgrenzen” bzw. die ”Grenzformänderung” sind Ausdrücke, die das Umformverhalten von Blechen bei Normalbedingungen beschreiben und sind bspw. im Kurt Lange ”Lehrbuch der Umformtechnik”, Springer-Verlag, Berlin definiert, auf welches zur Vermeidung von Wiederholungen in vollem Umfang bezug genommen wird. Eine richtige und schnelle Umformung von Blechen, insbesondere aus Stahl oder auch Aluminium- und Magnesiumlegierungen für Automobil-Karosserien, Blechverkleidungen u. dgl. ist speziell in der Fahrzeugindustrie ein lange gehegter Wunsch und von großer Bedeutung aus verschiedenen Gründen. Geformte Bleche sind aber auch wichtig für andere Anwendungen, wie Aluminium-Fassaden, Möbelverkleidungen; Flugzeugteile etc. Wichtig ist dabei eine schnelle und präzise Herstellung. Üblicherweise werden aus flachen, verhältnismäßig dünnen Blechen durch Umformen in Presswerkzeugen umgeformte Blechformteile hergestellt. Meist können diese kalt gepresst werden. Um hohe Umformgrade verwirklichen zu können, werden häufig warme Bleche eingesetzt, bspw. werden Stahlbleche auf Temperaturen über 900°C erhitzt in ein Formwerkzeug gelegt und dort umgeformt; Aluminiumbleche lassen sich bereits bei um 230°C besser umformen, denn erhöhte Temperaturen begünstigen die Umformeigenschaften des Blechs. Anstelle von mechanischem Pressen ist es auch möglich, Bleche hydrodynamisch umzuformen.
Dazu werden Formwerkzeuge mit Fluidkanälen und -öffnungen versehen, wobei zum dem Umformen des eingelegten Blechs Fluid zum Pressen und damit Umformen des Blechs aus den Flüssigkeitsöffnungen der Form eingepreßt wird. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Metallformen tritt beim warmen Umformen ein schnelles Abkühlen der Form selbst und damit des Blechs auf.
Es ist ferner erwünscht, das Umformen von Blechen mit aufwendigen Formen, wie Hinterschneidungen, zu ermöglichen oder schneller und ökonomischer zu gestalten, insbesondere auch über die Formänderungsgrenzen hinaus. Besonders interessant sind dabei Nebenformelemente und Hinterschneidungen, Sicken, enge Radien u. dgl. Um Bleche über die klassisch definierten Formänderungsgrenzen umzuformen, besteht bspw. das superplastische Umformen, bei dem langsam verformt wird, das Warmumformen, bei dem das Blech extern erwärmt oder innerhalb der Form erwärmt wird – dies kann induktiv, durch Einbringen von warmem Medium in die Form oder durch IR-Strahler in der Form erfolgen; sowie das Hochgeschwindigkeitsumformen.
Die DE 4417460 B4 lehrt ein Verfahren zur Herstellung von Blechformteilen durch Streck- oder Tiefziehen, wobei ein Druckmedium über eine Zwischenplatte an die Wirkstelle einer zwischen einem Ziehring und einem Niederhalter gehaltenen Blechplatine geleitet wird.
DE 19806761 A1 beschreibt eine Kraftfahrzeugsitzschale oder ein Karosserieteil, hergestellt durch superplastisches Umformen aus einer Leichtmetalllegierung, wobei Heißgasumformen eingesetzt wird.
DE 19827614 B4 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Tiefziehteilen, bei denen ein Tiefziehteil aus Blech mit Hilfe einer aus Stempel, Niederhalter und Matrize bestehenden sogenannten Fluidfom hergestellt wird, die in den Tunnel einer Hochdrucktunnelpresse eingebracht wird und in einer endverformenden Stufe die geschlossene Fluidform mit einer den Endverformungsdruck übersteigenden Kraft beaufschlagt und mittels des Druckmediums in der Matrize unter entsprechendem Hochdruck endgeformt wird.
Die Druckschriften geben normales Blechhochdruckumformen an, nicht jedoch die Herstellung von speziellen extremen Einzelformen, wie Hinterschneidungen.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Umformen von Blechen zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorteile der Erfindung sind unter anderem:

– geringere Kosten, da die aufwendige Umformungen nun in einer Form mit einer Kanalkonstruktion für Fluid durchgeführt werden, anstelle in mehreren Formen.
– geringere Investitionskosten (es können langsamere Pressen eingesetzt werden), denn durch Isolation der Oberflächen bleibt das Blech und das Fluid länger warm und führt nicht sogleich seine Wärme an das Pressenwerkzeug ab.
– geringe Taktzeiten, da die Abkühlzeiten durch direkte Erwärmung kurz sind
– Hinterschneidungen und Nebenformelemente, insbesondere solche, die Umformungen über die Grenzformänderung hinaus ermöglichen, in Blechen sind nun in einer Presse formbar

Man kann somit mit Pressen kompliziertere Formen in Pressformwerkzeugen erstellen, als bisher möglich, denn durch das Umformen mit Fluid kann ein Anlegen des Blechs auch an Bereiche der Gravur, die nicht zum Stempel spiegelbildlich sind, durchgeführt werden. Dadurch, dass auch warmes Fluid oder partielle Erwärmung des Blechs im Umformbereich eingesetzt werden kann, können die Vorteile einer – auch partiellen – Warmumformung erzielt werden, welche grössere Umformgrade ermöglicht.
Die Verfahrenskosten werden durch die erfindungsgemässe Vorrichtung so wesentlich reduziert, was das Verfahren auch für Kleinserien interessant macht.
Es wird also bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch eine Vorrichtung zum kombinierten mechanischen und Wirkmedien-Umformen von Blech, vorgeschlagen, mit Wirkmedium führenden Formwerkzeugteilen mit Formoberflächen und einem Fluidzuführsystem, das einen Zutritt von Fluid zum Wirkmedien-Umformen zu mindestens einer Teil-Oberfläche des mechanisch umgeformten Blechs ermöglicht.
Es ist für einige Anwendungsfälle zur Herstellung von Blechen mit Hinterschneidungen möglich, daß eine Formwerkzeuggravur mindestens eine Hinterschneidung aufweist, in die Blech durch das Wirkmedium einformbar ist.
Falls das Umformen mit warmer Fluid und/oder warmer Blech erfolgen soll, ist es günstig, dassi zumindest die mit dem Blech in Kontakt kommenden Flächen des Formwerkzeugs im wstl. aus thermisch schlecht leitendem oder wärmeisolierendem Material bestehen.
Es kann für besser warm umformbare Materialien, wie bei Aluminium- und Magnesiumlegierungen, günstig sein, wenn das Wirkmedium warm ist.
Dabei reicht es häufig aus, dass zumindest die mit dem Blech in Kontakt kommenden Flächen des Formwerkzeugs mit thermisch schlecht leitenden oder wärmeisolierendem Material beschichtet sind.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es sinnvoll, dass das Formwerkzeug mindestens ein Unterwerkzeug und ein Oberwerkzeug aufweist.
Es ist günstig, dass das Fluidzuführsystem, das Zutritt von Fluid zum Umformen zu mindestens einer Oberfläche des umgeformten Blechs ermöglicht, Fluid nach Zusammenfahren der beweglichen Formwerkzeugteile unter mechanischer Umformung des Blechs in direkten Kontakt auf einen Teil der umgeformten Blechoberfläche Umformdruck ausüben lässt.
Allgemein besteht eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Blech-Umformen aus einer mindestens zweiteiligen Form, wobei die mit heißem Blech oder Fluid in Kontakt kommenden Oberflächenbereiche bevorzugt thermisch isoliert sind, wodurch ein zu großer Wärmeabfluss heisser Flüssigkeit oder während des Umformen des Blechs vermieden werden kann. Durch die Isolierung kann aber auch ein schnelleres Abkühlen des umgeformten Blechs, insbesondere von der anderen Seite her, erfolgen, da die Wärme des Werkzeugs nicht durch Kühlung abgeführt werden muss. Es kann aber auch eine Wärmequelle, wie ein IR-Strahler, direkt im Werkzeug vorgesehen sein, um partiell das Blech aufzuheizen und dadurch einen hohen Umformgrad im aufgeheizten Bereich zu ermöglichen.
Dabei können zumindest die mit dem warmen Blech in Kontakt kommenden Flächen des Unterwerkzeugs und des Oberwerkzeugs der Form im wstl. aus thermisch schlecht leitenden oder wärmeisolierendem Material bestehen, wie auch die Fluidleiteinrichtungen. Dies kann erreicht werden, indem das Unterwerkzeug und das Oberwerkzeug der Form zumindest im Bereich der mit dem warmen Blech in Kontakt kommenden Flächen mit thermisch schlecht leitendem oder wärmeisolierendem Material beschichtet sind.
Es ist aber auch möglich, dass das Unterwerkzeug und das Oberwerkzeug der Form aus thermisch schlecht leitendem Material bestehen.
Das Fluidzuführsystem, das einen Zutritt von Fluid zum Umformen zu mindestens einer Oberfläche des umgeformten Blechs ermöglicht, ist erfindungsgemäß für einen hohen Druck von Fluid ausgelegt, um eine schnelle Umformung des Blechs zu bewirken. Es kann bspw. ein mehrteiliges Werkzeug umfassen, bei dem bewegliche Werkzeugteile zum Abkühlen des Blechs zurückgefahren werden, wobei Fluidzuführung zum Eindrückenlassen von kaltem oder warmer Fluid in die durch die beweglichen Werkzeugteile freigegebenen Formwerkzeugbereiche in Kontakt mit der Blechoberfläche vorgesehen ist, das bei oder nach dem Zurückfahren der beweglichen Werkzeugteile das Eindrücken von Fluid in die freigegebenen Werkzeugbereiche ermöglicht.
Erfindungsgemäss wird die Vorrichtung eingesetzt, durch
Einbringen des Blechs in ein Formwerkzeug;
Einströmenlassen von Fluid aus dem Formwerkzeug in Kontakt mit mindestens einer Teiloberfläche des Blechs unter Umformen desselben gegen eine Formgravur über die Formgebungsgrenzen hinaus.
Es kann günstig sein, wenn im Formwerkzeug auch die an sich bekannte mechanische Umformung des Blechs durch Tiefziehen od. dgl. innerhalb der Formgebungsgrenzen erfolgt ist und Nebenformelemente oder aber Hinterschneidungen im gleichen Werkzeug, die eine Umformung über die Umformgrenzen hinaus erfordern, nach partiellem Erwärmen des Blechs oder unter den Bedingungen des superplastischen Umformens oder Hochgeschwindigkeitsumformens durchgeführt werden.
Durch den Fluiddruck zum Umformen über die Umformgrenzen hinweg ist es möglich, eine Umformung auch komplizierter Formen, wie Hinterschneidungen, in der ersten, mechanischen oder aber wirkmediums-umgeformten Blechform zu erzielen, was beim Warmumformen auch durch die isolierende Werkzeugoberflächen unterstützt wird. Das Wärmemanagement der Anlage wird so erheblich verbessert.
Es ist auch möglich, in der Form selbst das Blech partiell aufzuheizen, bspw. durch Induktion oder aber mittels Infrarotstahlern.
Als Fluide bieten sich solche an, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, wässrigen Lösungen, eine hochtemperaturbeständige Flüssigkeit, wie hochtemperaturbeständiges Öl oder ein Gas.
Typische umzuformende Bleche, auf welche die Erfindung allerdings keinesfalls eingeschränkt ist, sind ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisenlegierungen, eingeschlossen Stähle, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen.
Bei der Vorrichtung kann es günstig sein, wenn mindestens ein Werkzeughälfte im wstl. aus thermisch isolierendem Material besteht.
Es kann auch vorgesehen werden, dass mindestens eine Werkzeughälfte des Formwerkzeugs zumindest im Bereich der Fläche, die mit dem Blech in Kontakt kommt, mit thermisch isolierendem Material beschichtet ist.
Bevorzugt ist das Fluid eine Flüssigkeit, wie Wasser oder eine temperaturbeständige Flüssigkeit, wie hochtemperaturfeste Öle. Wasser hat den Vorteil einer hohen Wärmkapazität und niedrigen Preises. In einigen Fällen kann auch gasförmiges Fluid vorgesehen werden.
Es kann auch ein Warm-Innenhochdruck-Umformen bei der erfindungsgemässen Vorrichtung als Verformungsschritt eingesetzt werden. Dies ist insbesondere dann möglich, falls Fluide zur ausreichenden Erwärmung des Blechs auf Umformtemperatur eingesetzt werden – bspw. bei Aluminiumblechen kann mit heissem Öl eine solche Umformung erfolgen.
Dadurch, dass erfindungsgemäß nun mehrere Umformstufen in einfacher Weise – bspw. in einer einzigen Form oder Anlage, durchgeführt werden können, ist es über raschenderweise möglich, eine erhebliche Vereinfachung und Aufwandsreduktion bei der Herstellung von geformten Blechen zu erzielen.
Dies gilt um so mehr, wenn diese Formbereiche aufweisen, in denen das Blech über die Formgebungsgrenzen hinaus zu formen ist.
Eine für viele Anwendungsfälle geeignete Vorrichtung gemäß der Erfindung ist eine klassische Presse zum Umformen innerhalb der Formgebungsgrenze – wie eine Hydaulikpresse oder eine mechanische Presse, an die ein Aggregat mit einer Steuerung zum partiellen wirkmediumsgestützten Umformen über die Formgebungsgrenze hinaus angeschlossen ist. Dadurch können herkömmliche Umformpressen zu bisher nicht möglichen Umformschritten in überraschender Weise befähigt werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend detailliert anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine Formwerkzeuganordnung mit eingelegtem Blech nach dem mechanischen Umformen;
2a eine geöffnete Formwerkzeuganordnung mit eingelegtem Blech
2b die Formwerkzeuganordnung der 2a in geschlossener Form am Beginn des Druckaufbaus des Wirkmediums
2c ein Detail aus dem der Wirkmediumsumformung unterworfenen Blechbereichs in der Form;
2d das Detail der 2c nach der Wirkmediumsumformung des Blechbereichs
3a ein offenes Formwerkzeug mit Hinterschneidung; und
3b das Formwerkzeug der 3a in geschlossener Form während des Fluideinbringens.
Erfindungsgemäß wird eine mindestens zweiteilige Formwerkzeuganordnung vorgesehen. Bevorzugt sind Formwerkzeugteile 20, 22 für Umformen bei erhöhten Temperaturen aus thermisch isolierendem Material hergestellt oder mit einem solchen beschichtet, um Wärme-Zu- oder Abfluss zu vermeiden.
Des Umformen in einer Vorrichtung gemäss der Erfindung wird bei einer ersten Ausführungsform wie folgt durchgeführt:
Das Blech 10, bspw. aus 22MnB5, wird in eine klassische hydraulische Umformpresse verbracht.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform besteht das Formwerkzeug aus einem Unterwerkzeug 20 und einem oberen Werkzeug 22. Das Blech 10 wird zwischen die Formwerkzeughälften 20, 22 verbracht und die Formwerkzeughälften 20, 22 werden nun unter Tiefziehen des Blechs 10 zusammengefahren. Danach wird die Fluidzufuhr im oberen Formwerkzeug 22 zum partiellen weiteren Umformen über die Umformgrenzen hinaus geöffnet. Das – bspw. – erwärmte – Fluid 24 drückt die partiell für es zugängliche Blechoberfläche gegen die Formgravur des Oberwerkzeugs über die Umformgrenzen hinaus unter Anlegen des Bereichs an die Formgravur. Das umgeformte Blechformteil kann nun entnommen und das Fluid abgelassen werden.
Ein weiteres Blech 10 wird zwischen die auseinandergefahrenen Formwerkzeughälften 22, 20 verbracht, mechanisch umgeformt, hydrodynamisch umgeformt etc. Selbstverständlich können die Umformwerkzeuge andere und mehr Werkzeugteile aufweisen, als dargestellt, die entsprechend anorden- und steuerbar sind. Derartige Ausgestaltungen sind dem Fachmann geläufig.
Es ist auch möglich, die Anlage für heisse Bleche auszulegen, dabei werden dann bevorzugt isolierende Formwerkzeugoberflächen oder vollständig isolierende Formwerkzeuge eingesetzt und warmes Fluid direkt mit dem umgeformten warmen Blech 10 im Formwerkzeug zur weiteren Umformung eingedrückt. Dadurch können schnelle Umformzeiten, kurze Abkühlzeiten, geringere Energie- und Werkzeugkosten erzielt werden.
Anstelle von Warmumformen für die über die Formgrenzen hinaus umzuformenden Werkstückbereiche kann aber auch entsprechend angepaßtes superplastisches Umformen dieser Bereiche oder aber partielles Hochgeschwindigkeitumformen mittels Fluid eingesetzt werden. Der Fachmann kann aufgrund seines Fachwissens das geeignete Vorgehen mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung für starke Umformung auswählen.
Demzufolge ist durch die erfindungsgemässe Vorrichtung das erfindungsgemäße Blech-Umformen einfacher, schneller, mit einfacheren und langsameren und damit preiswerteren Pressen durchzuführen als das bekannte konventionelle Umformen. Mit Pressen kann somit eine kürzere Taktzeit erreicht werden, als bisher üblich, da der wichtigere Taktzeitgeber bisher das Verbringen der ersten Blechform in ein weiteres Formwerkzeug ist.
Die ökonomischen Vorteile der Vorrichtung liegen daher sowohl in den Prozesskosten, als auch bei den Werkzeugkosten, was sie auch für Kleinserien attraktiver macht.
In 2a–d ist dargestellt, wie ein mechanisch umgeformtes Blech 10 in ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug 20, 22 verbracht und dort warm durch warmes Fluid 24 umgeformt wird. Dazu sind die Fluidkanäle mit Isolation versehen, um das Fluid warm zu halten.
In 2b und 2c sieht man das Blech in Anlage an die Fluidzuführung, während in 2d gezeigt ist, wie warmes Fluid das Blech formtreu gegen die Formgravur drückt.
In 3a bis 3b ist eine spezielle Ausführungsform eines Umformwerkzeugs zur Herstellung von Hinterschneidungen im geformten Blech. Deutlich ist zu sehen, dass die Hinterschneidung, die mit einem üblichen Presswerkzeug nicht herstellbar wäre, nun durch Einführen eines Innenhochdruckteils ausgeformt werden kann. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung sind somit Blechformen in Pressverfahren erzielbar, die bisher nicht hergestellt werden konnten.
Bezugszeichenliste

10: Blech
20: Unterwerkzeug
22: Oberwerkzeug
23: Wärmeisolierung
24: Fluid
25: Luft
30: Dichtwulst

Claims

Vorrichtung zum partiellen Umformen von Blech (10) über die Formgebungsgrenzen hinaus, umfassend erwärmtes Wirkmedium führende Formwerkzeugteile (20, 22) mit Formoberflächen und einem Fluidzuführsystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkmedium führende Formwerkzeugteile (20, 22) derart ausgestaltet sind, dass das Wirkmedium lokal zu einer Teiloberfläche des Bleches (10) geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Formwerkzeuggravur des Formwerkzeugs (20, 22) mindestens eine Hinterschneidung aufweist, in die Blech (10) durch das Wirkmedium einformbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest die mit dem Blech (10) in Kontakt kommenden Flächen des Formwerkzeugs (20, 22) im wstl. aus thermisch schlecht leitendem oder wärmeisolierendem Material bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, wobei zumindest die mit dem Blech (10) in Kontakt kommenden Flächen des Formwerkzeugs (20, 22) mit thermisch schlecht leitenden oder wärmeisolierendem Material beschichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Formwerkzeug (20, 22) mindestens ein Unterwerkzeug (20) und ein Oberwerkzeug (22) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidzuführsystem, das Zutritt von Fluid (24) zum Umformen zu mindestens einer Oberfläche des umgeformten Blechs (10) ermöglicht, Fluid (24) nach Zusammenfahren der beweglichen Formwerkzeugteile (20, 22) unter mechanischer Umformung des Blechs in direkten Kontakt auf einen Teil der umgeformten Blechoberfläche Umformdruck ausüben lässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug Einrichtungen zum mindestens partiellen Aufheizen des Blechs im Umformbereich aufweist.