DE102011104520A1

DE102011104520A1 - Warm-Tiefziehverfahren und Schmiermittel dafür

Info

Publication number: DE102011104520A1
Application number: DE102011104520A
Authority: DE
Inventors: Markus Belte
Original assignee: BELTE AG
Current assignee: Newalu GmbH
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-12-20

Abstract

In einem Warm-Tiefziehverfahren werden die beanspruchten Bereiche (2) eines Blechmaterials (1) zuvor mit einer Losung oder Dispersion eines Schmierstoffs versehen, das Lösungsmittel bzw. Dispergens wird durch Erwärmen entfernt, die mit Schmierstoff belegten Bereiche (2) werden lokal erwärmt und nach dem Tiefziehen wird der Schmierstoff wieder entfernt. Die verwendete Schmiermittelzusammensetzung enthält einen in einem Xylol enthaltenden Dispergens suspendierten festen Schmierstoff wie beispielsweise Graphit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Warm-Tiefziehverfahren und auf eine dafür geeignete Schmiermittelzusammensetzung.
Soweit in diesem Dokument von Tiefziehen gesprochen wird, ist das Zugdruckumformverfahren der DIN 8584-3 Ausgabe 2003-09 gemeint, nämlich das Zugdruckumformen eines Blechzuschnitts oder eines vorgezogenen Hohlkörpers in einen einseitig offenen Hohlkörper ohne gewollte Veränderung der Blechdicke.
Es ist bekannt (z. B. aus DE-PS 677 952 und DE-PS 677 953 ), Leichtmetallbleche dadurch tiefzuziehen, dass das beheizte Werkzeug mit einer kolloidalen wässrigen Graphitsuspension bespritzt wird, welche beim anschließenden Tiefziehprozess eine Schmierwirkung entfaltet. Bei dem bekannten Verfahren verbleibt der Graphit teilweise auf dem Werkstück, wobei seine Entfernung vom umgeformten Blech besondere Beizen erfordert. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, beim Warm-Strangpressen von Metallen eine Suspension von Zucker und Graphit in Öl als Schmiermittel zu verwenden ( DE-PS 1 065 122 ), wobei die Suspension vor dem Pressvorgang durch Infrarotbestrahlung getrocknet wird.
Ferner ist es bekannt (z. B. aus WO 99/22551 A1 ), Infrarot-Strahler zur lokalen Erwärmung bei Tiefziehprozessen einzusetzen. Allerdings ist die auf diese Weise erreichbare Erwärmung bislang unzureichend, nämlich insbesondere nicht genau genug einstellbar und/oder nicht effizient genug.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein weitergebildetes Warm-Tiefziehverfahren anzugeben, welches einfacher in der Handhabung, effizienter und/oder genauer ist. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine auf dieses Verfahren abgestimmte Schmiermittelzusammensetzung anzugeben.
Dazu schlägt die Erfindung das Verfahren gemäß Anspruch 1, die Schmiermittelzusammensetzung gemäß Anspruch 6 und deren Verwendung gemäß Anspruch 10 vor. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Dabei geht die Erfindung unter anderem von der Überlegung aus, dass es für ein effizientes Warm-Tiefziehen auf die Zielgenauigkeit der vorangehenden Erwärmung ankommt, zudem auf eine Abstimmung zwischen der Erwärmungsmethode und dem Schmierstoff.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, den Schmierstoff bereichsweise auf das Blech aufzubringen, und letzteres dann in diesen Bereichen lokal zu erwärmen. Nach dem Tiefziehen wird der feste Schmierstoff von dem umgeformten Blech entfernt.
Unter einem ”bereichsweisen Aufbringen von Schmierstoff” wird dabei verstanden, dass auf der selben Seite des Blechs Bereiche, in denen ein Schmierstoff aufgebracht ist, an Bereiche angrenzen, die im wesentlichen frei von demselben Schmierstoff sind. Dabei bedeutet ”im wesentlichen frei” gemäß einer Ausführungsform, dass in diesen Bereichen pro Flächeneinheit weniger als 20% und bevorzugt weniger als 10% und weiter bevorzugt weniger als 5% der Schmierstoffmenge aufgebracht ist, wie in den Bereichen, in denen der Schmierstoff aufgebracht ist. Somit sind Verunreinigungen der nominell von Schmierstoff freien Bereiche mit Schmierstoff zulässig.
Gemäß einer Ausführungsform machen die Bereiche, die im wesentlichen frei von dem Schmierstoff sind, mehr als 10% und bevorzugt mehr als 20% und weiter bevorzugt mehr als 40% der Fläche des Bleches auf der Seite auf, auf welcher der Schmierstoff aufgebracht ist.
Das Aufbringen des Schmierstoffes kann durch eine räumlich gezielte Applikation des Schmierstoffes auf eine Seite des Bleches erfolgen. Gemäß Ausführungsformen erfolgt das Aufbringen des Schmierstoffes durch Bedrucken des Blechs nach dem Hochdruck-, Flachdruck-, Tiefdruck- oder Durchdruck-Verfahren. Beispielhaft hervorgehoben werden für den Hochdruck das Drucken mittels eines Stempels oder das Flexodruckverfahren, und für den Durchdruck das Siebdruckverfahren. Es können jedoch auch Techniken ohne feste Druckform verwendet werden. Gemäß alternativer Ausführungsformen erfolgt das Aufbringen des Schmierstoffes mittels eines X-Y-Schreiber wie beispielsweise eines Plotters oder eines Tintenstrahldruckers.
Ein in Ausführungsformen verwendetes flüssiges Trägermedium als Dispergens wird in einer dazwischengeschalteten globalen Trocknungsphase entfernt. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt in der Trocknungsphase eine Erwärmung des Bleches.
In weiteren Ausführungsformen wird Infrarot-Wärmestrahlung für die lokale Erwärmung eingesetzt und als fester Schmierstoff wird ein solcher mit hoher Absorption für die Wärmestrahlung verwendet. Damit wird eine besonders zielgenaue Erwärmung des Blechs ermöglicht. Dabei wird unter einem Schmierstoff mit hoher Absorption für Wärmestrahlung ein Schmierstoff verstanden, der Nahbereichsinfrarotstrahlung im Spektralbereich von 780 nm bis 3000 nm in der aufgebrachten Schichtdicke zu wenigstens 50% und bevorzugt zu wenigstens 70% und weiter bevorzugt zu wenigstens 80% absorbiert.
In weiteren Ausführungsformen handelt es sich bei der Schmierstoffzusammensetzung um eine Dispersion von Graphit in einer Xylol-basierten Trägerflüssigkeit, der eine höhersiedende Komponente zugefügt ist. Diese höhersiedende Komponente vermittelt die Haftung des Graphits an dem Blech, und siedet über 150°C, über 175°C oder über 200°C. Vorteilhafterweise wird diese Komponente beim Warm-Tiefziehen unter Lufteinfluss wasserlöslicher, so dass die Graphitbeschichtung anders als bei dem eingangs genannten bekannten Verfahren mit einer wasserbasierten Waschlösung von dem umgeformten Blech entfernt werden kann. Anstelle von Graphit kann übrigens auch MoS₂ verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das zu erwärmende Blech aus einem Metall gebildet, welches eine Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 75 W/(m·K) und insbesondere weniger als 60 W/(m·K) und weiter insbesondere weniger als 50 W/(m·K) aufweist.
Die vorstehende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Dabei zeigen
1A–1G beispielhaft schematisch in perspektivischer Ansicht verschiedene Bearbeitungsschritte des Warm-Tiefziehverfahrens (Gegenuhrzeigersinn)
Wie in 1A gezeigt, wird zunächst ein Blechzuschnitt 1 bereitgestellt. In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich um Feinblech der Stärke 2 mm.
Auf diesen Blechzuschnitt 1 wird in einem Bereich 2 Graphit als Schmierstoff aufgebracht. Dies erfolgt in der in 1B gezeigten Ausführungsform mittels eines X-Y-Schreibers 3, der eine Dispersion von Graphit in einer Xylol-basierten Trägerflüssigkeit, der eine höhersiedende Komponente zugefügt ist, auf das Blech aufbringt.
Anschließend wird der Blechzuschnitt 1 unter leichtem Unterdruck global auf 100°C erwärmt, um das Xylol abzuziehen, wie in 1C gezeigt.
Wie in 1D gezeigt, wird der Blechzuschnitt 1 anschließend durch einen Strahler 4 mit Infrarotstrahlung bestrahlt. Da die Infrarotstrahlung von dem Bereich 2, in dem das Graphit aufgebracht ist, weitgehend absorbiert und von den übrigen Bereichen 5, die im wesentlichen frei von Graphit sind, weitgehend reflektiert wird, kommt es zu einer lokalen Erwärmung des Blechs im beschichteten Bereich auf etwa 350°C.
In dem erwärmten Bereich 2 wird der zwischen einem Niederhalter 6 und einem Ziehring 7 eingespannte Blechzuschnitt 1 anschließend durch Verwendung eines Stempels 8 tiefgezogen. Der Stempel ist beheizt, um eine übermäßige Abkühlung des erwärmten Bereiches des Blechzuschnitts 1 zu vermeiden. Dies ist in 1E gezeigt.
In 1F ist dargestellt, wie der tiefgezogene Blechzuschnitt 1* mittels einer Sprüheinrichtung 9 mit Wasser oder einer wasserbasierten Reinigungsflüssigkeit besprüht wird, um den Graphit zu entfernen, und damit den in 1G gezeigten zumindest weitgehend von Schmierstoff befreiten tiefgezogenen Blechzuschnitt 1* zu erhalten.
Erfindungsgemäß ergibt sich der lokale Erwärmungseffekt aus einem Zusammenwirken einer bloß bereichsweisen Bestrahlung des umzuformenden Blechmaterials, mit einer bloß bereichsweisen Beschichtung des umzuformenden Blechmaterials mit einem Schmiermittel, welches eine hohe Absorption für die eingesetzte Strahlung aufweist. Die beiden Bereiche weisen einen Überlappungsbereich auf, müssen aber nicht deckungsgleich sein. Im Überlappungsbereich tritt die relativ stärkste Erwärmung unter der Bestrahlung auf, wobei dieser Lokalisierungs-Effekt umso stärker ausgeprägt ist, je schlechter die Wärmeleitung des Blechs, je größer die Absorption des aufgebrachten Schmiermittels und je größer die effektive Bestrahlungsstärke ist. Idealerweise ist das Blech durch die vorangegangene Beschichtung in dem Bereich, in dem das Schmiermittel aufgebracht ist, praktisch ”schwarz”, d. h. reflektiert weniger als z. B. 20% der eingestrahlten Leistung. Bei hinreichend dünner Materialstärke und hinreichend kleinem Leitfähigkeitskoeffizienten, wie z. B. bei Stahl oder Weißmetallblech, ist die durch Wärmeleitung bedingte Verlustrate innerhalb des Materials so klein, dass große laterale Temperaturgradienten in dem Blech erhalten werden. Es ist danach möglich, ein solches vorgeheiztes Blech in einer Tiefzieh-Vorrichtung umzuformen, ohne dass das ganze Blech auf die gewünschte Tiefziehtemperatur gebracht werden müsste. Daraus ergibt sich eine Energie-Einsparung. Zudem ist die Bestrahlung mittels Wärmestrahlern genau dosierbar und schwankt vergleichsweise wenig, so dass keine Kontrolle der Blechtemperatur vonnöten (aber natürlich möglich) ist.
Zum Zweck eines möglichst gleichmäßigen Aufbringens des Schmiermittels wird es gemäß einer Ausführungsform in einem relativ leicht flüchtigen Dispergens auf Xylolbasis dispergiert, dem eine schwererflüchtige Komponente als Haftvermittler beigefügt ist. Die leichterflüchtige Hauptkomponente wird vor dem Erwärmen mittels der Wärmestrahler bei geringerer Temperatur verdunstet, indem das Blech als Ganzes leicht erwärmt wird. Es ist dabei nicht unbedingt erforderlich, den Siedepunkt der leichterflüchtigen Komponente (bei Xylol ca. 140 ± 5°C je nach Isomerenmischung) zu erreichen, wenn die entstehenden Dämpfe kontinuierlich abgezogen werden, was aus Arbeitsschutzgründen ohnehin zweckdienlich ist. Die schwererflüchtige (hydrophobe) Komponente und das feste Schmiermittel (z. B. Graphit oder MoS₂) bleiben am Blech haften.
Vermöge seiner Wirkung als Wärmestrahlungsabsorber unterstützt das feste Schmiermittel dann die lokale Erwärmung wie oben beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass besonders gewählte Haftvermittler bei dieser Erwärmung an der Luft einer Veränderung unterliegen, nämlich von eher hydrophob zu eher hydrophil. Ein quantitatives Maß für die relevante Eigenschaft ist der Kontaktwinkel der mit dem Schmierstoff/Haftvermittler-Gemisch beschichteten Oberfläche: Die Veränderung hin zur Hydrophilie geht einher mit einer Verringerung des Kontaktwinkels eines Wassertropfens zur damit beschichteten Oberfläche um 10° bis 90°. Idealerweise wird der Kontaktwinkel auf Werte unterhalb 10° reduziert. Dadurch wird die Beschichtung mit wasserbasierten Medien abwaschbar, ohne auf besondere Beizen oder Lösungsmittel zurückgreifen zu müssen.
Unabhängig vom Eintreten oder Ausmaß der Hydrophilisierung ist die Verringerung der Reibung durch das feste Schmiermittel; ein etwaiger zusätzlicher reibungsvermindernder Effekt durch den flüssigen Haftvermittler ist auf Grund der hohen Druckkräfte von untergeordneter Bedeutung, ebenso ein möglicher Stabilisierungseffekt auf die Suspension, wenngleich beide Effekte an sich willkommen sind.
Der Fachmann wird erkennen, dass gewisse Abweichungen oder Modifikationen von der oben beispielhaft dargestellten Vorgehensweise möglich sind, ohne den Schutzumfang der angefügten Ansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 677952 [0003]
DE 677953 [0003]
DE 1065122 [0003]
WO 99/22551 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 8584-3 Ausgabe 2003-09 [0002]

Claims

Verfahren zum Warm-Tiefziehen eines Blechmaterials, umfassend – bereichsweises Aufbringen einer Schmierstofflösung oder -dispersion auf das Blech, – Entfernen des Lösungsmittels bzw. Dispergens unter Zurücklassen des Schmierstoffs in dem Bereich, – lokales Erwärmen des mit dem Schmierstoff belegten Bereichs, – Tiefziehen des Blechs und – Entfernen des Schmierstoffs von dem umgeformten Blech.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen des Lösungsmittels bzw. Dispergens unter Zurücklassen des Schmierstoffs in dem Bereich durch globales Erwärmen des Blechs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das lokale Erwärmen mittels Infrarotstrahlen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Schmiermittel feinverteilter Graphit und die Dispersion eine Suspension ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Dispergens Xylol enthält.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Entfernen des Graphits durch Abwaschen mit einem wässrigen einphasigen Medium erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das bereichsweise Aufbringen der Schmierstofflösung oder -dispersion auf das Blech in der Weise erfolgt, dass auf der selben Seite des Blechs erste Bereiche, in denen der Schmierstoff aufgebracht ist, an zweite Bereiche angrenzen, die im wesentlichen frei von demselben Schmierstoff sind, wobei die Bereiche, die im wesentlichen frei von dem Schmierstoff sind, mehr als 10%, mehr als 20% oder mehr als 40% der Gesamtfläche der Blechseite ausmachen.
Schmiermittelzusammensetzung zur Verwendung beim Tiefziehen, enthaltend ein festes Schmiermittel und ein flüssiges Dispergens, welches überwiegend Xylol enthält oder im Wesentlichen aus diesem besteht.
Schmiermittelzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei das feste Schmiermittel überwiegend Graphit enthält oder im Wesentlichen aus diesem besteht.
Schmiermittelzusammensetzung nach Anspruch 8 oder 9, wobei dem flüssigen Dispergens eine weitere Komponente zugefügt ist, die höher siedet als Xylol.
Schmiermittelzusammensetzung nach Anspruch 10, wobei die höhersiedende Komponente über 150°C, über 175°C oder über 200°C siedet.
Verwendung der Schmiermittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7 zur Förderung der lokalen Erwärmung.