DE19513444C2 - Vorrichtung zum hydromechanischen Umformen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum hydromechanischen Umformen von Blechen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Beim hydromechanischen Umformen von metallischen Bauteilen wird in dem Werkzeug ein sehr hoher Druck erzeugt, der das Material des Werkstücks gegen den Formhohlraum des Werkzeugs anlegt. Nach diesem Prinzip arbeiten Pressen zum Außenhochdruckumformen und zum Innenhochdruckumformen. Es ist hierbei erforderlich, die Werkzeughälften oder Werkzeugteile entsprechend gegeneinander vorzuspannen, um zum einen ein Austreten von Wasser zu vermeiden und um zum anderen die Ränder des Werkstücks mit einer ausrei­ chenden Niederhalterkraft zu beaufschlagen.

Die DE 42 01 819 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum hydraulischen Aufweiten von rohrförmigen Hohlprofilen. Hierbei wird ein Rohr in einem vorgegebenen Bereich aufgeweitet. Hierzu ist dieser Bereich von Formteilen umgeben, die symme­ trisch zur Rohrmittenachse angeordnet sind und denen jeweils ei­ ne Kolben-Zylinder-Einheit zugeordnet ist. Zum Aufweiten wird der Innendruck aufgebracht und kontinuierlich gesteigert; ent­ sprechend werden die Kolben-Zylinder-Einheiten ausgefahren. Da­ mit wird eine unkontrollierte Aufweitung verhindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum hydromechanischen Umformen zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit zur Auf­ bringung hoher Umformkräfte geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptan­ spruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Bei konventionellen Pressen ist es nachteilig, daß entweder ein sehr großer apparatetechnischer Aufwand erforderlich ist, um die Werkzeughälften vorzuspannen oder daß die erforderliche Dichtig­ keit - bedingt durch elastische Verformungen des Werkzeugs - nicht erzielt werden kann. Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Unter Verwendung einer größeren Anzahl an Zuhaltezylindern ist es möglich, eine Werkzeughälfte gegen die andere in geeigne­ ter Weise vorzuspannen. Die Zuhaltezylinder können sehr platz­ sparend aufgebaut sein. Durch die Verwendung mehrerer Zylinder können einzelne Bereiche des Werkzeugs gezielt abgestützt wer­ den. Da die Zylinder nur einen extrem geringen Hub aufweisen müssen, ist nur ein sehr kleines Hydraulikvolumen zu ihrer Betä­ tigung erforderlich. Dies wiederum bringt den Vorteil, daß die Zylinder praktisch hysteresefrei arbeiten können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen biegesteifen Rahmen zur Aufnahme des Druckzylinders bzw. der Druckzylinder und des Werkzeuges, ein Pressenober- und -unterteil, die beide starr miteinander verbunden sind, ein aus Ober- und Unterteil beste­ hendes Werkzeug mit einer Vorrichtung zum Öffnen und Herausneh­ men des Werkstückes, und Zylinder zum axialen Abdichten, Stau­ chen, Beschneiden usw., und Einzelzylinder zum partiellen, ge­ zielten Aufbringen von Schließkräften für das Überwinden der Kraftresultierenden aus dem Innendruck multipliziert mit der An­ lagefläche und dem evtl. erwünschten Nachfließen des Materials des Werkstückes an den Einspannstellen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anstelle des bei ex­ trem hohen Preßdrücken erforderlichen großen Hubes einer Hochleistungspresse mit entsprechend hohen Kosten eine wesent­ lich billigere und besonders effektive Lösung dadurch erzielt, daß eine relativ kleine Vorrichtung (Presse) mit steifem Rahmen, minimalem Hub, innenliegendem Druckkissen und partieller mosaik­ förmig zusammengesetzter Kraftzuordnung geschaffen wird. Die partielle Kraftzuordnung erfolgt durch Verwendung von Zuhaltezy­ lindern, die auf das bewegliche Werkzeugteil einwirken, die dem im Werkstückträger aufgebrachten Innendruck entgegenwirken, und die durch unterschiedliche, der Druckaufbaukurve analog der ge­ wünschten Werkstückteilformen entsprechende Drücke beaufschlagt werden, sowie durch eine gezielte Geometrie der Druckkissen. Die Werkstückteilformen können beliebiger Art sein, z. B. quadra­ tisch, rechteckförmig, kreisrund, rautenförmig, vieleckförmig, unregelmäßig geformt usw. Es können komplizierte Werkstückfor­ men kalt geformt werden, die in Einzelabschnitten unterschiedli­ che Formen und unterschiedliche Volumina mit unterschiedlichen Aufweitungen und Materialstreckungen haben, denen demzufolge un­ terschiedliche Drücke bzw. Druckstärken an den unterschiedli­ chen Einzelabschnitten aufgegeben werden. Je nach der gewünsch­ ten Form und dem davon abhängigen Verformungsgrad des Werkstüc­ kes werden die Zuhaltezylinder mit sehr unterschiedlichen Drüc­ ken bzw. Zuhaltekräften beaufschlagt. Die werkstückbezogenen Zuhaltezylinder legen die Zuhaltung fest und sind in der Geome­ trie den jeweiligen Werkstückteilflächen angepaßt. Dabei ist es vorteilhaft, daß die Zuhaltezylinder umsetzbar oder verschiebbar gelagert sein können. Der Druckverlauf steht im Verhältnis zur Umformarbeit, damit ein gezieltes Nachfließen des Materials er­ reicht werden kann. Die partielle Unterteilung wird einerseits geometrisch, andererseits druck- bzw. kraftmäßig vorgenommen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgelegt, daß auf un­ terschiedliche Druckanforderungen rasch reagiert werden kann, insbesondere weil eine sehr steife Konstruktion, ein geringes Ölvolumen und ein extrem geringer Hub (einige mm) zur Anwendung kommen, und weil die Vorrichtung praktisch hysteresefrei betrie­ ben werden kann. Die steife Rahmenkonstruktion der Vorrichtung ist sehr billig zu bauen und hat den Vorteil, daß sie sehr hoch, beispielsweise mit mehreren tausend Tonnen, belastet werden kann.

Generell ist die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendbar für ho­ he Zuhaltekräfte bei minimalem Wege bzw. Hub. Die Vorrichtung ist sehr kompakt und erfordert in der Konstruktion keine beson­ ders hohe Genauigkeit. Die Zuhaltezylinder können Winkelabwei­ chungen und Maßungenauigkeiten kompensieren, so daß sie den Spalt ausfüllen. Das innen liegende Druckkissen ist z. B. in Form von Gummimembranen, verschweißten Blechplatinen oder Klop­ perböden ausgebildet. Im Falle der Verwendung von Gummimembra­ nen sind an den Öffnungsstellen zwischen oberem und unterem Werkzeug Stützbleche vorgesehen, die aufvulkanisiert sein kön­ nen.

Die Zuhaltezylinder sind Membranzylinder mit kleinem Volumen und geringer Kompressionsmenge, die nahezu hysteresefrei arbeiten; sie sind geometrisch so ausgelegt und mit differenziertem Druck beaufschlagt, daß sie in Abhängigkeit von dem jeweiligen Innen­ druck die dazugehörige ideale Schließkraft lokal aufbringen kön­ nen. Die Vorrichtung ist dadurch automatisierbar, daß das Druckkissen verfahrbar ausgebildet wird und das Werkzeug zum Wechseln des Werkstückes selbsttätig geöffnet werden kann. Die­ ses Öffnen und das Herausnehmen des Werkstückes aus dem Werkzeug erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Servozylindern.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Schemadarstellung eines Werkstückes in Drauf­ sicht, das die Aufteilung der Zuhaltezylinder am Werkzeug zeigt,

Fig. 3-12 verschiedene Ausführungsformen von partiellen Zu­ haltezylindern,

Fig. 13 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ausgefahrenem Druckkissen und ge­ schlossenem Werkzeug,

Fig. 14 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der er­ findungsgemäßen Vorrichtung mit ausgefahrenem Druckkissen und geöffnetem Werkzeug, und

Fig. 15 den Kurvenverlauf der Schließkraft und des Innen­ druckes in Abhängigkeit von der Zeit.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung (Presse) besteht aus ei­ nem Werkzeugoberteil 1 und einem Werkzeugunterteil 2, die das Werkstück 3 umschließen und seitlich bei 4 und 5 festklemmen, ferner aus partiellen Zuhaltezylindern 6, 7, 8, 9 sowie einem Pressenoberteil 10 und einem Pressenunterteil 11, die Bestand­ teil des gesamten Pressenrahmens 12 sind. Eine Ausführungsform eines Werkstückes 3 ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei sind den Teilflächen dieses Werkstückes in der Draufsicht partielle Zu­ haltezylinder, die durch Quadrate und Rechtecke 6, 7, 8 usw. dargestellt sind, zugeordnet. Die partiellen Zuhaltezylinder wirken auf das Werkzeugoberteil 1 ein und werden mit unter­ schiedlichen Zuhaltedrücken zum Aufbringen der partiellen Schließkräfte beaufschlagt.

In den Fig. 3-12 sind verschiedene Ausführungsformen derar­ tiger partieller Zuhaltezylinder dargestellt. Dabei ist mit 13 jeweils die Druckmittelzuleitung, mit 14 das Pressenoberteil, mit 15 das Werkzeugoberteil und ein Druckkissen 22, z. B. mit 16 eine Gummimembran (Fig. 3 und 4), mit 17 (Fig. 5 und 6) ein Stahlblech, in den Fig. 7 und 8 mit 18 eine Gummiblase, in Fig. 9 und 10 mit 19 eine Blechblase jeweils mit Stützblechen 20 an den beiden gegenüberliegenden Enden, und in den Fig. 11 und 12 mit 21 eine Membran 21 aus Gummi oder Blech dargestellt. Die jeweils zusammengehörigen Fig. 3 und 4, 5 und 6, usw. zeigen in der ersten Darstellung jeweils den geschlossenen und in der zweiten Darstellung den geöffneten Zustand.

Die Fig. 13 und 14 zeigen eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung, bei der ein Druckkissen 22 ausfahrbar und ausgefahren dargestellt ist. Das Druckkissen 22 dient zur Abstützung des Werkzeugoberteils 1 so­ wie zur Kraftübertragung während des Umformvorgangs und kann, wie in Fig. 13 und 14 gezeigt, die Zuhaltezylinder umfasssen. Dieses Ausfahren kann selbsttätig gesteuert werden und gibt den Raum über dem Werkzeugoberteil 1 frei, so daß das Werkzeugober­ teil 1 durch Hilfszylinder 23, 24 angehoben und das Werkstück 3 aus der Presse entfernt werden kann.

In der graphischen Darstellung nach Fig. 15 sind die Schließ­ drücke, die die erforderliche Schließkraft SK für das Werkzeug ergeben, in Verbindung mit dem im Werkstückinneren herrschenden Innendruck P_I dargestellt. Dabei sind die Kurven SK_I und SK_II, zusammen mit dem Gesamtschließdruck SK für die Teilzylinder I und II für die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung herrschenden Bedingungen aufgetragen, während die Schließkraft SK, als kon­ stante horizontale Linie angedeutet ist; diese Schließkraft ist erforderlich, wenn keine Regelung vorhanden ist. SK bezeichnet die Schließkraft des Werkzeuges bzw. eines der Zuhaltezylinder, die für das gezielte Nachfließen im Klemmbereich zwischen den beiden Werkzeughälften notwendig ist, an der Stelle A (Anliege­ punkt) berührt das Werkstück die Innenkontur des Werkzeuges, wenn im Werkstückinneren ein entsprechender Druck aufgebaut wird. Durch fortwährend abgestimmtes Klemmen des Werkstückes wird ein gezieltes Nachfließen des Werkstückmaterials bei einem Aufweiten erzielt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum hydromechanischen Umformen, mit einem Rah­ men zur Aufnahme eines zumindest ein Oberteil (1) und ein Unterteil (2) umfassenden Werkzeugs, sowie mit Druck­ erzeugungsmitteln zum Schließen des Werkzeugs und zum Auf­ bringen eines Umformdrucks im Bereich des Werkzeugs zur Umformung eines Werkstücks (3), dadurch gekennzeichnet, daß dem Werkzeug mehrere Zuhaltezylinder (6, 7, 8, 9) zugeordnet sind, welche jeweils zur Aufbringung einer gewünschten Schließkraft und zur Abstützung des Werkzeugs auf separate Bereiche des Werkzeugs separat geregelt in Einwirkung bringbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuhaltezylinder (6, 7, 8, 9) im Bereich des Werkzeug- Unterteils (2) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuhaltezylinder (6, 7, 8, 9) an einer gemeinsamen Druckeinheit (22) gelagert sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinheit (22) zum Öffnen des Werkzeugs seitlich ausfahrbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuhaltezylinder (6, 7, 8, 9) in Form von Membranzylindern ausgebildet sind.