DE19853130B4

DE19853130B4 - Verfahren und Einrichtung zum Tiefziehen von Blechteilen

Info

Publication number: DE19853130B4
Application number: DE1998153130
Authority: DE
Inventors: Dieter Lutz; Manfred Wolschke
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-11-18
Filing date: 1998-11-18
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2018-11-19
Also published as: DE19853130A1

Abstract

Verfahren zum Ausformen eines konkav-konvexen Bereiches auf einem Blechteil, in welchem konkav-konvexen Bereich das Blechteil konkave und konvexe Krümmungen in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander aufweist,
– mit Hilfe eines einstufigen Tiefziehverfahrens,
– mittels eines Ziehstempels (2), einer Matrize (3) und eines in der Matrize geführten, auf einer passiven Feder gelagerten beweglichen Schiebers (4), der einen konkav-konvexen Bereich auf der Matrize (3), welcher der Ausformung des konkav-konvexen Bereichs auf dem Blechteil (5) entspricht, zumindest abschnittsweise überdeckt,
– wobei das Blechteil (5) im Zuge der Absenkbewegung des Ziehstempels (2) in Zusammenwirkung mit dem der Matrize (3) voreilenden Schieber (4) zunächst entsprechend der zueinander formnegativen Konturen der Schieberstirnseite (9) und der zugewandten Stempelstirnseite (8) örtlich vorgeformt wird,
– und wobei das Blechteil (5) in der letzten Tiefziehphase formschlüssig zwischen Stempel- (8) und Schieberstirnseite (9) festgehalten wird, während die restlichen Bereiche auf dem Blechteil (5) zwischen Ziehstempel (2) und Matrize...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Tiefziehen von Blechteilen.

Eine gängige Methode zum Tiefziehen komplexer Blechteile mit tiefen konvexen und konkaven Bereichen ist das mehrfach wirkende Ziehen. Ein Beispiel hierfür ist in der JP 63-80928 A beschrieben – im dort dargestellten Fall die Herstellung eines rotationssymmetrischen Werkstücks mit tiefen konzentrischen konvexen und konkaven Ausprägungen mit Hilfe des dreifach wirkenden Ziehens, wodurch Risse und Einschneidungen vermieden werden sollen. Beim beschriebenen Werkzeug sind sowohl Oberals auch Untergesenk aus je einem Mittelstempel und einem diesen umgebenden Ringstempel aufgebaut. Die insgesamt vier Stempel werden separat über Druckeinrichtungen gesteuert und tauchen während des Tiefziehvorgangs in einer bestimmten Abfolge in das Teil ein. Die Herstellung und Steuerung des zugehörigen mehrzügigen Werkzeug sind jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv.

Die JP 5-76953 A beschreibt ein Verfahren zum Ausformen einer steilen Mulde mit Hilfe eines beweglichen, gesteuert versenkbaren Schiebers, der zu Beginn des Ziehvorgangs im Bereich der zu formenden Mulde aus der Matrize herausragt. Beim Absenken des Ziehstempels taucht der Schieber in die der Mulde entsprechende Ausbuchtung im Stempel ein und zieht dabei Material in diesen Bereich. Anschließend wird der Schieber in die Matrize zurückgezogen, und die Mulde wird durch Formschluß zwischen Ziehstempel und einer zur Mulde formnegativen Erhebung der Matrize ausgeformt. Durch den vorformenden versenkbaren Schieber soll hier sichergestellt werden, daß im Muldenbereich genügend Material vorhanden ist, um die Mulde ohne Risse und Einschnürungen formen zu können.

Die beiden oben beschriebenen Verfahren verfolgen die Zielsetzung, steile konvexe und konkave Bereiche auf Tiefziehteilen in einem einzigen Abpreßschritt auszuformen. Beide haben allerdings den Nachteil, daß neben (Haupt-) Stempel und Matrize weitere aktive Stempel bzw. Schieber benötigt werden, die relativ zueinander sehr genau separat eingestellt und gesteuert werden müssen. Das macht diese Verfahren aufwendig und teuer.

Ein zweistufiges Verfahren zum Tiefziehen von Teilen mit steilen Bereichen – insbesondere von Ölwannen – ist aus der DE 30 18 297 A1 bekannt. Hier wird im ersten Verfahrensschritt der tiefe Teil der Ölwanne ausgeformt. Dann wird ein bewegliches Druckpolster eingebracht, das während des zweiten Verfahrensschritts den in der Mitte des Werkstücks gelegenen Übergangsbereich zwischen tiefer und flacher Wanne gegenüber dem Oberstempel klemmend fixiert und daher keine weiteren Verformungen oder Materialflüsse in dieser kritischen Region gestattet. Durch Einsatz eines solchen Druckpolsters im zweiten Verfahrensschritt sollen tiefe Formen mit kleinen Radien gezogen werden, ohne daß dabei im Übergangsbereich Falten und Risse auftreten. Allerdings sind hierzu zwei Verfahrensschritte notwendig.

Aus der EP 433 203 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines konischen Behälters bekannt. Hierbei kommt ein Tiefziehstempel zum Einsatz, der aus mehreren konzentrischen konischen Ringen besteht, welche über Druckfedern miteinander verbunden sind. Dieses Verfahren eignet sich zur Ausformung von Ziehteilen, die eine gleichförmige Krümmung aufweisen. Zur Herstellung von Blechteilen, die nah benachbarte konkave und konvexe Krümmungen aufweisen, ist das in der EP 433 203 A1 beschriebene Verfahren nicht geeignet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches, prozeßsicheres und kostengünstiges Tiefziehverfahren sowie eine Vorrichtung zu deren Durchführung bereitzustellen, mit dessen Hilfe komplexe Blechteile, die eng benachbarte konvexe und konkave Bereiche enthalten, in hoher Oberflächenqualität hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und des Vorrichtungsanspruchs 4 gelöst.

Danach wird ein Teilstück der Matrize durch einen beweglichen Schieber ersetzt. Dieser Schieber ist auf einer Druckfeder so angeordnet, daß er im Ruhezustand eine definierte, durch die Geometrie des auszuformenden Bereichs bestimmte Höhe aus der Matrize herausragt. Beim Absenken des Ziehstempels wird das Blechteil zunächst vom Ziehstempel auf die Stirnseite des Schiebers gedrückt und dort entsprechend der aufeinander formgetreu abgestimmten Gegenkonturen von Schieber und Ziehstempel ausgeformt. Beim weiteren Senken des Stempels wird das Blech zwischen Schieber- und Ziehstempelstirnseite festgehalten, während der Schieber unter der Pressenkraft in die Matrize hineingedrückt wird. So wird schließlich das restliche Blechteilinsbesondere auch die Umgebung des Schiebers – ausgeformt. Der federgelagerte Schieber setzt dem Pressenstempel hierbei einen konstanten Druck entgegen und stellt somit sicher, daß in der Umgebung des Schieberbereiches ein kontrollierter Materialfluß stattfindet. Zur Ausführung des Verfahrens ist nur ein einziger Prozeßschritt notwendig, so daß die Herstellung des Blechteils verfahrensökonomisch optimal abläuft. Die Lagerung des beweglichen Schiebers auf einer Druckfeder ist werkzeugtechnisch einfach und störunanfällig; sie ist weiterhin kostengünstig, da der Schieber durch den Druck des Preßstempels abgesenkt wird und daher für den Schieber keine separate Steuerung benötigt wird. Um eine gleichmäßige Materialverteilung zu gewährleisten, sollte die Bewegung des Schiebers parallel zur Pressenrichtung erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das prozeßsichere Tiefziehen von Blechteilen, insbesondere Außenhautteilen, in hoher Oberflächenqualität, auch und insbesondere dann, wenn die zu formenden Blechteile in randfernen Gebieten steile konkave und/oder konvexe Bereiche enthalten. Durch die frühzeitige selektive Ausformung der kritischen Bereiche wird erreicht, daß das zum Ausformen dieser konvexen und konkaven Ausprägungen benötigte Material rechtzeitig in die betroffenen Bereiche gezogen wird, bevor die benachbarten Bereiche ausgeformt sind und der Materialzufluß abgeschnitten ist. Somit wird verhindert, daß auf dem Blechteil unkontrollierte Faltenbildung, Welligkeiten und sogar Risse und Einschnürungen auftreten, die die Stabilität und die Oberflächenqualität des Werkstücks stark beeinträchtigen, teure Nacharbeit erfordern und zu erhöhtem Ausschuß führen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand einiger in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:
1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung während der aufeinanderfolgenden Prozeßschritte:
1a Beginn des Ziehvorgangs;
1b Beginn des Eintauchens des Schiebers;
1c Ende des Ausformens des Schieberbereichs;
1d Ende des Ziehvorgangs;
2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß hergestellten Kotflügels;
3 einen seitlichen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Herstellung des Kotflügels aus 2 entlang der Linie III – III;
4 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäß hergestellten Seitenwand (Übergangsbereich der B-Säule in die seitliche Dachbeplankung);
5 einen seitlichen Schnitt durch die erfindungsgemäße Einrichtung mit eingelegter Seitenwand aus 4 entlang der Linie V – V;
6 einen seitlichen Schnitt durch die erfindungsgemäße Einrichtung mit eingelegter Seitenwand aus 4 entlang der Linie VI – VI;
1 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Tiefziehverfahrens. In einer Tiefziehpresse 1 ist ein zu bearbeitendes Blechteil 5 zwischen einem Ziehstempel 2 und einer Matrize 3 eingelegt und wird seitlich zwischen Niederhaltern 6 und der Matrize 3 festgehalten. Die einander gegenüberliegenden Stirnseiten 8, 10 von Ziehstempel 2 und Matrize 3 sind formnegativ zueinander gestaltet. In der Matrize 3 ist eine Aussparung ausgebildet, in der ein Schieber 4 auf einer Druckfeder 7 verschiebbar angeordnet ist; die Stirnseite 9 des Schiebers 4 ist so geformt, daß sie formnegativ zum gegenüberliegenden Bereich der Stirnseite 8 des Ziehstempels 2 ist.
Die in 1 dargestellte, durch Ziehstempel 2 und Matrize 3 auszuformende Geometrie des Blechteils 5 ist sehr komplex und enthält sowohl konvexe (Kuppen-) Bereiche 11 als auch konkave (Mulden-) Bereiche 12. Der bewegliche Schieber 4 wird in diesem Beispiel zur Ausformung eines konvexen (Kuppen-) Bereichs 11 auf dem Blechteil eingesetzt, die von einem konkaven (Mulden-) Bereich 12 und einem flachen Bereich 13 umgeben ist. Dazu ist der bewegliche Schieber 4 so auf der Druckfeder 7 gelagert, daß er zu Beginn des Tiefziehvorgangs um einen gewissen, durch die Geometrie der auszuformenden benachbarten konkaven bzw. flachen Bereiche 12 und 13 bestimmten Abstand 15 aus der Matrize 3 her ausragt (siehe 1a). Beim Absenken des Ziehstempels 2 wird das Blechteil 5 in Richtung Matrize 3 gedrückt und dabei zunächst am herausragenden Schieber 4 vorgeformt (siehe 1b). Die Federkraft der Druckfeder 7 ist hierbei so groß gewählt, daß der Schieber 4 während dieser Vorformung des Blechteils 5 nicht bzw. nur sehr wenig in Richtung Matrize 3 verschoben wird. Sobald der Formschluß zwischen Schieberstirnseite 9 und Stempelstirnseite 8 erreicht ist (1c) und die Kontur der Schieberstirnseite 9 auf dem Blechteil 5 ausgeformt ist, wird beim weiteren Absenken des Ziehstempels 2 der Schieber 4 gemeinsam mit dem Blechteil 5 in Richtung Matrize 3 gedrückt. Dies wird so lange fortgesetzt, bis die restlichen Bereiche 14 auf dem Blechteil 5 ausgeformt sind (1d). Dabei wird in dem durch den Schieber 4 vorgeformten konvexen (Kuppen-) Bereich 11 das Blechteil 5 durch den Formschluß zwischen Schieber 4 und Ziehstempel 2 festgehalten, so daß in diesem Bereich kein Materialfluß mehr stattfindet. So kann der umgebende flache Bereich 13 – ohne den störenden Einfluß des konvexen (Kuppen-) Bereichs 11, der eigentlich zu Materialüberschüssen und Spannungen im Blechteil 5 führen kann – wellenfrei und in hoher Oberflächenqualität ausgeformt werden. Die Verwendung des Schiebers 4 ermöglicht es also, mit geringem Aufwand die sehr komplexen Spannungen beim Tiefziehen der Bereiche 11, 12, 13 aufzuteilen und den Ablauf des Verformungsprozesses steuerbar zu machen.
Der Abstand 15, um den der Schiebers 4 zu Beginn des Tiefziehvorgangs aus der Matrize 3 herausragt, entspricht dem Verschiebeweg des Schiebers 4; er läßt sich oft nicht genau a priori berechnen, sondern muß für die jeweilige Werkstückgeometrie empirisch bestimmt und eingestellt werden. Daher empfiehlt sich zur Lagerung des Schiebers 4 die Ausbildung der Druckfeder 7 als Gasdruckfeder, mit Hilfe derer der Abstand 15 leicht und schnell durch Einstellung des Federdrucks variiert werden kann. Um eine gute, gleichmäßige Materialverteilung zu erreichen, sollte die Verschiebungsrichtung des Schiebers 4 parallel zur Bewegungsrichtung der Tiefziehpresse 1 liegen.
Die 2 und 3 zeigen ein Beispiel für die Anwendung eines beweglichen Schiebers 4 beim Tiefziehen eines Hinterkotflügels 16. Im Bereich des Radlaufs 17 enthält der Kotflügel 16 eine bogenförmige Rinne 18, entlang derer zwei konvexe (Kuppen-) Bereiche 11a und 11b unter spitzem Winkel aneinandergrenzen. Beim üblichen Tiefziehen dieser linienförmigen konkaven Rinne 18 zwischen den konvexen (Kuppen-) Bereiche 11a und 11b treten typischerweise Materialverwerfungen auf, die in die benachbarten flachen Umgebungsbereiche 14 ausstrahlen und dort Welligkeiten zur Folge haben. Diese Problematik wird verschärft durch die Tatsache, daß die kritischen Regionen, nämlich die konvexen (Kuppen-) Bereiche 11a, 11b und die linienförmige konkave Rinne 18 sich im Mittelteil eines langen, schmalen Werkstücks befinden, bei dem sich die Materialverteilung während des Tiehziehvorgangs im allgemeinen schwierig kontrollieren läßt.
Abhilfe schafft hier der Einsatz des in die Matrize 3 eingesetzten beweglichen Schiebers 4, der sich – wie in 2 gestrichelt angedeutet – über den Radlaufbereich 17 erstreckt. Das Blechteil 5, das dem Rohteil des Hinterkotflügels 16 entspricht, ist zwischen den Niederhaltern 6 und der Matrize 3 eingespannt. Beim Absenken des Ziehstempels 2 wird auf dem Blechteil 5 zunächst der aus den konvexen (Kuppen-) Bereichen 11a und 11b und der Rinne 18 bestehende Radlaufbereich 17 zwischen Schieber 4 und Ziehstempel 2 vorgeformt. Dabei wird das zur Ausbildung der Rinne 18 benötigte Material in den Radlaufbereich 17 gezogen und wird dann – bedingt durch den Formschluß zwischen Schieber 4 und Ziehstempel 2 – auch beim weiteren Absenken des Ziehstempels 2 an dieser Stelle festgehalten. Dadurch wird sichergestellt, daß in den flachen Umgebungsbereichen 14 kein überschüssiges Material anfällt, das zu Wellenbildungen führen könnte.
Ein weiteres Beispiel für die Verwendung eines beweglichen Schiebers 4 im Tiefziehwerkzeug stellt das Tiefziehen einer Kraftfahrzeug-Seitenwand 19 dar (siehe 4 bis 6). Der in
4 dargestellte Ausschnitt der Seitenwand 19 enthält eine sattelförmige Mulde 20, die sich im Übergangsbereich 21 zwischen einer trogförmigen B-Säule 22 und einer flachen seitlichen Dachbeplankung 23 befindet. Diese Mulde 20 wird einerseits begrenzt durch die relativ steil (> 45°) abfallenden, den Türausschnitten entsprechenden Flanken 24 der B-Säule 22, andererseits durch die relativ steil (> 45°) ansteigende Stufe 25 zur Dachbeplankung 23. Bei der Ausformung dieser sattelförmigen Mulde 20 kann es beim üblichen Verfahren leicht zu Überstreckungen des Blechteils 5 kommen, die in die Dachbeplankung 23 ausstrahlen und dort zu unerwünschten Welligkeiten führen. Zur Vermeidung dieser Überstreckungen wird erfindungsgemäß bei der Herstellung der Seitenwand 19 ein beweglicher Schieber 4 in die Matrize 3 der Tiefziehpresse 1 eingesetzt, der den in 4 strichpunktiert dargestellten Bereich 26 überdeckt.
Im Gegensatz zum vorhergehenden Beispiel des Hinterkotflügels sind hier in der Tiefziehpresse 1 die relativen Positionen von Matrize 3 und Ziehstempel 2 vertauscht, so daß sich in diesem Fall die Matrize 3 mitsamt dem in ihr beweglich angeordneten Schieber 4 auf den Ziehstempel 2 absenkt (siehe 5 und 6). Im Nichtgebrauchszustand ragt der Schieber 4 um einen Abstand 15 aus der Matrize 3 heraus, der so bemessen ist, daß die Schieberstirnseite 9 bündig mit den umgebenden Kuppenbereichen 29 der Matrize 3 abschließt. Der Herausrageabstand 15 des Schiebers 4 ist somit bestimmt durch den Abstand zwischen Sockel 27 und Kamm 28 der B-Säule 22. Dadurch wird das Blechteil 5 im Bereich der sattelförmigen Mulde 20 durch den Schieber 4 zunächst auf einer Höhe festgehalten, die der Höhe der benachbarten Kuppen 29 auf dem Matrize 3 entspricht. Bei dieser Stellung des Schiebers 4 wird auf dem Blechteil 5, wie aus 6 ersichtlich, die Stufe 25 zur Dachbeplankung 23 vorgeformt. Dadurch wird erreicht, daß genügend Material in den Muldenbereich 20 hineingezogen wird, um diesen Übergangsbereich 21 zwischen B-Säule 22 und Dachbeplankung 23 ohne Übersteckungen auszuformen und somit Welligkeiten im Bereich der Dachbeplankung 23 zu vermeiden. Beim weiteren Absenken der Matrize 3 wird der Schie ber 4 durch den Ziehstempel 2 in die Vertiefung 30 in der Matrize 3 hineingedrückt, wobei durch den Formschluß zwischen Schieberstirnseite 9 und Stempelstirnseite 8 das Blechteil 5 im Überdeckungsbereich 26 zwischen Schieber 4 und Ziehstempel 2 festgehalten wird. Das zum Ausformen der Flanken 24 der B-Säule 22 notwendige Material wird dann, wie aus 5 ersichtlich, von den Seiten her in den Flankenbereich 31 gezogen.

Claims

Verfahren zum Ausformen eines konkav-konvexen Bereiches auf einem Blechteil, in welchem konkav-konvexen Bereich das Blechteil konkave und konvexe Krümmungen in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander aufweist, – mit Hilfe eines einstufigen Tiefziehverfahrens, – mittels eines Ziehstempels (2), einer Matrize (3) und eines in der Matrize geführten, auf einer passiven Feder gelagerten beweglichen Schiebers (4), der einen konkav-konvexen Bereich auf der Matrize (3), welcher der Ausformung des konkav-konvexen Bereichs auf dem Blechteil (5) entspricht, zumindest abschnittsweise überdeckt, – wobei das Blechteil (5) im Zuge der Absenkbewegung des Ziehstempels (2) in Zusammenwirkung mit dem der Matrize (3) voreilenden Schieber (4) zunächst entsprechend der zueinander formnegativen Konturen der Schieberstirnseite (9) und der zugewandten Stempelstirnseite (8) örtlich vorgeformt wird, – und wobei das Blechteil (5) in der letzten Tiefziehphase formschlüssig zwischen Stempel- (8) und Schieberstirnseite (9) festgehalten wird, während die restlichen Bereiche auf dem Blechteil (5) zwischen Ziehstempel (2) und Matrize (3) ausgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausformung von in dem konkav-konvexen Bereich gelegenen konkaven oder konvexen Konturen auf dem Blechteil (5) der Schieber (4) zu Beginn des Tiefziehvorgangs über die um liegenden Matrizenbereiche herausragt, daß im Zuge der Absenkbewegung des Ziehstempels (2) zunächst zwischen Schieber (4) und Ziehstempel (2) ein gewünschter konvexer (Kuppen-) Bereich (11) vorgeformt wird und daß der Schieber (4) dann zusammen mit dem Blechteil (5) vom Ziehstempel (2) in Richtung der Matrize (3) gedrückt wird, wobei die den Schieber (4) umgebenden konkaven (Mulden-) Bereiche (12) und/oder flachen Bereiche (13) ausgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausformung einer in dem konkav-konvexen Bereich befindlichen sattelförmigen Mulde (20) der Schieber (4) das Blechteil (5) zu Beginn des Tiefziehvorgangs auf der gleichen Höhe wie die im Umfeld der Mulde (20) gelegenen Kuppenbereiche (29) auf der Matrize (3) hält und daß in der letzten Tiefziehphase der Schieber (4) vom Ziehstempel (2) in eine Vertiefung (30) in der Matrize (3) hineingedrückt wird, wobei durch den Formschluß zwischen Schieberstirnseite (9), Blechteil (5) und Stempelstirnseite (8) die sattelförmige Mulde (20) ausgeformt wird.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 zum Ausformen eines konkav-konvexen Bereiches auf einem Blechteil, das konkave und konvexe Krümmungen in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander aufweist, – bestehend aus einem Ziehstempel (2), einer Matrize (3), und einem in der Matrize geführten beweglichen Schieber (4), der einen konkav-konvexen Bereich auf der Matrize (3), welcher der Ausformung des konkav-konvexen Bereichs auf dem Blechteil (5) entspricht, zumindest abschnittsweise überdeckt, – wobei Schieberstirnseite (9) und Stempelstirnseite (8) zueinander formnegative Konturen aufweisen, – und wobei der Schieber (4) auf einer Druckfeder (7) so gelagert ist, daß der Schieber (4) zu Beginn des Tiefziehvorgangs einen definierten, durch die geometrische Form der umgebenden Bereiche bestimmten, Abstand (15) aus der Matrize (3) herausragt, – und wobei weiterhin der Schieber (4) unter dem Druck des Ziehstempels (2) so weit in die Matrize (3) hinein versenkbar ist, daß in der Umgebung des Schiebers (4) Formschluß zwischen Ziehstempel (2) und Matrize (3) erreicht wird.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (7) als Gasdruckfeder ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (4) in Nicht-Gebrauchs-Zustand bündig zu den umliegenden Bereichen der Matrize (3) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (4) parallel zur Druckrichtung der Tiefziehpresse (1) linear beweglich ist.