Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tiefziehverfahren aufzuzeigen,
bei welchem die oben genannten Nachteile vermieden werden und mit
welchem es möglich
ist, fertigungstechnisch ungünstige
Teile in einem Arbeitsgang herzustellen. Des Weiteren soll eine
Tiefziehmaschine aufgezeigt werden, mit welcher das oben genannte
Verfahren durchgeführt
werden kann.
Der
verfahrensmäßige Teil
der Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das
erfindungsgemäße Tiefziehverfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughälften zumindest während eines
Teilhubs des Tiefziehvorgangs in einer gesteuerten, ungeradlinigen
Relativbewegung bewegt werden. Dadurch wird erreicht, dass die aus
den Werkzeughälften
austretenden Flächennormalen
während
des Teilhubs im Winkel zueinander stehen. Während bei bekannten Bauformen von
Pressmaschinen eine unerwünschte
außermittige
Belastung zu einer Kippung zwischen Tisch und Stößel sowie einer Verlagerung
der Mitten von Tisch und Stößel senkrecht
zur Arbeitsrichtung führt
(Versatz), wird bei der Erfindung die gezielt herbeigeführte Kippung
der Werkzeughälften
ausgenutzt, um Blechbauteile zu bearbeiten, die sich aus geometrischen
Gründen
nicht geradlinig formen und/oder entformen lassen. Mit der Erfindung
ist es daher möglich,
dass der Stößel für unterschiedlich
tiefe Bereiche des Formwerkzeugs unterschiedliche Wege fährt.
Während der
Schließbewegung
stehen die Flächennormalen
der Werkzeughälften
zumindest zeitweise nicht parallel zueinander, sondern schließen einen
Winkel ein, der in bestimmten Anwendungsfällen die Fertigung von Hohlteilen
ermöglicht, die
mit geradliniger Schließbewegung
nicht realisierbar wären
oder nur mit komplexen Werkzeugen hergestellt werden können. Besonders
vorteilhaft lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren warmgeformte
Hohlteile in einem Hub herstellen. Schieber und andere Bauteile,
die quer zur Hubrichtung der Werkzeughälften wirken, sind insbesondere
bei Warmformverfahren relativ anfällig. Daher können mit
dem erfindungsgemäßen Tiefziehverfahren
insbesondere bei der Warmumformung Werkzeugkosten erheblich reduziert
werden. Im Rahmen der Erfindung ist selbstverständlich nicht ausgeschlossen, Schieber
und andere quer zur Hubrichtung der Werkzeughälften verlagerbare Einrichtungen
vorzusehen, sofern dies die Geometrie des Hohlbauteils erfordert. Einfachere
Hinterschneidungen lassen sich jedoch auch unmittelbar durch das
erfindungsgemäße Tiefziehverfahren
herstellen.
Der
Winkel zwischen den Flächennormalen der
Werkzeughälften
ist während
des Umformvorgangs vorzugsweise relativ klein, da bereits bei einem
Winkelbereich von ca. 5° bis
30° ein
gegenüber herkömmlichen
Tiefziehverfahren erheblich erweiterter Anwendungsbereich eröffnet wird.
Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Als
vorteilhaft wird es angesehen, wenn die ungeradlinige Relativbewegung
der Werkzeughälften eine
Kurve mit gleich bleibender Steigungsrichtung ist. Insbesondere
handelt es sich bei dieser Kurve um einen Kreisbogen. Ein Kreisbogen
ermöglicht
eine unproblematische Ausformung des Blechbauteils, so dass die
Werkzeuge bei Abschluss des Umformvorgangs leicht wieder getrennt
werden können.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, von einem Kreisbogen
abweichende Kurven vorzusehen, wobei die Steigung der Kurve mit
fortschreitender Schließbewegung
leicht zunehmen kann.
Die
ungeradlinige Relativbewegung zwischen den Werkzeughälften ist
hinsichtlich der daraus resultierenden Kräfte in den ersten Phasen der Blechumformung
unkritisch, da in diesen Phasen noch nicht die maximale Umformkraft
aufgebracht wird. Erst wenn die Werkzeughälften abschließend gegeneinander
gepresst werden, steigt die Umformkraft bis auf ihren Maximalwert
an. In dieser Schlussphase sind die Werkzeughälften naturgemäß gegeneinander
ausgerichtet, so dass sich ihre Flächennormalen im Optimalfall
decken und der Versatz gegen Null geht. Aufgrund dieses Zusammenhangs
eignen sich auch Gestelle bekannter Tiefziehmaschinen zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Tiefziehverfahrens,
da sie durchaus in der Lage sind, die zusätzlich seitlich an den Werkzeughälften wirkenden
Querkräfte
aufzufangen.
Die
ungeradlinige Relativbewegung kann bei dem erfindungsgemäßen Tiefziehverfahren
prinzipiell auf zwei unterschiedlichen Wegen erzeugt werden. Entweder
führen
die die Werkzeughälften
aufnehmenden Werkzeugträger
in bekannter Weise eine geradlinige Relativbewegung aus, wobei wenigstens
eine Werkzeughälfte
gegenüber
dem zugehörigen
Werkzeugträger
verschwenkt wird. Oder die Werkzeugträger mit den daran festgelegten
Werkzeughälften
führen
selbst eine ungeradlinige Relativbewegung aus. Zur Vereinfachung
der Steuerung und der Mechanik der Tiefziehmaschine ist vorzugsweise
nur eine Werkzeughälfte
bzw. ein Werkzeugträger
während
des maßgeblichen
ungeradlinigen Teilhubs gegenüber
der zweiten Werkzeughälfte
relativ verlagerbar, insbesondere hinsichtlich der Seitwärtsbewegung.
Eine
Kombination von Relativbewegung einer Werkzeughälfte gegenüber einem ersten Werkzeugträger mit
einer gleichzeitigen ungeradlinigen Relativbewegung des ersten Werkzeugträgers gegenüber dem
zweiten Werkzeugträger
ist theoretisch möglich.
Eine
ungeradlinige Relativbewegung erzeugt während des Tiefziehvorgangs
unweigerlich Querkräfte,
die über
entsprechende Widerlager aufgefangen werden müssen. In einer vorteilhaften
Ausführungsform
ist daher vorgesehen, dass ein feststehender erster Werkzeugträger mit
einem zweiten verlagerbaren Werkzeugträger schwenkbeweglich verbunden
ist, wobei der verlagerbare Werkzeugträger über einen sich zum ersten Werkzeugträger geradlinig
bewegenden Stößel in Richtung
auf den zweiten Werkzeugträger
verlagert wird. Durch die schwenkbewegliche Verbindung der Werkzeugträger miteinander
werden die Querkräfte
unmittelbar durch die Werkzeugträger
selbst aufgefangen, so dass das Gestell der Tiefziehmaschine nicht
zusätzlich
belastet wird. Der verlagerbare Werkzeugträger ist vorzugsweise so konfiguriert,
dass ein mittiger Kraftangriff des Stößels erfolgt. Der verlagerbare
Werkzeugträger
weist eine dem Stößel zugewandte
Kontaktfläche auf,
die gegenüber
dem Stößel abgleitet
oder bei entsprechender geometrischer Ausgestaltung abwälzt. Bei
der Kontaktfläche
kann es sich um eine Zylindermantelfläche oder auch um eine Kugelfläche handeln.
Der
gegenständliche
Teil der Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der nachfolgenden abhängigen Patentansprüche.
Wesentlich
bei der erfindungsgemäßen Tiefziehmaschine
ist, dass ihre Werkzeughälften
zumindest während
eines Teilhubs des Tiefziehvorgangs eine gesteuerte ungeradlinige
Relativbewegung ausführen,
wobei die ungeradlinige Relativbewegung vorzugsweise eine Kurve
gleich bleibender Steigungsrichtung, insbesondere ein Kreisbogen,
ist.
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Werkzeughälften einer geradlinigen Relativbewegung
folgen, wobei zur Ausführung
einer ungeradlinigen Relativbewegung der Werkzeughälften wenigstens
eine Werkzeughälfte
gegenüber
dem Werkzeugträger
schwenkbar gelagert ist. Üblicherweise
sind Werkzeughälfte,
Werkzeugträger
und Stößel fest
miteinander verbunden und werden geradlinig zu einem Tisch bewegt,
an welchem die zweite Werkzeughälfte
an einem Werkzeugträger
fixiert ist. Durch die Möglichkeit,
die Werkzeughälften
relativ zum Werkzeugträger
zu bewegen, kann eine herkömmliche
Pressmaschine mit geradliniger Relativbewegung zum Einsatz kommen,
wobei diese herkömmliche
Pressmaschine mit speziellen Werkzeugträgern ausgestattet ist, die
eine ungeradlinige Relativbewegung der Werkzeughälften ermöglichen. Die ungeradlinige
Relativbewegung wird insbesondere durch den seitlichen Versatz während des
maßgeblichen
Teilhubs erreicht. Grundsätzlich
ist es aber auch denkbar, dass die Tiefziehmaschine wenigstens einen
Werkzeugträger
aufweist, der eine ungeradlinige Relativbewegung ausführt.
Prinzipiell
kann auch die Stößelanordnung einer
Tiefziehmaschine selbst so konfiguriert sein, dass sie eine ungeradlinige
Relativbewegung einer oberen Werkzeughälfte ermöglicht. Die Stößelanordnung
ist hierzu schwenkbar gegenüber
einem Gestell oder Rahmen gelagert und umfasst Querverlagerungsmittel.
Die Stößelanordnung
selbst kann kraftgebunden oder weggebunden konfiguriert sein. Weggebundene
Tiefziehmaschinen, wie beispielsweise Kniehebelpressen, Kurbel-
und Exzenterpressen, sind unter Umständen konstruktiv aufwendiger
als die sogenannten kraftgebundenen, hydraulischen Tiefziehmaschinen.
Allerdings ist der steuerungstechnische Aufwand bei weggebundenen
Tiefziehmaschinen ggf. geringer als bei kraftgebundenen hydraulischen
Tiefziehmaschinen. Dies ist teils auf die systembedingten Ansprechzeiten
der Hydraulikkomponenten zurückzuführen, da
bei einer ungeradlinigen Relativbewegung eine exakte Abstimmung
insbesondere der Querverlagerungsmittel auf die vertikal wirkenden
Hubzylinder notwendig ist, die zudem asynchron angesteuert werden
müssen.
Grundsätzlich
sind aber sowohl kraftgebundene als auch weggebundene Tiefziehmaschinen
realisierbar, bei welchen eine ungeradlinige Relativbewegung der
Werkzeughälften
zumindest während
eines Teilhubs des Tiefziehvorgangs erfolgt.
In
Anpassung an die ungeradlinige Relativbewegung der Werkzeughälften ist
ein Niederhalter vorgesehen, der gegenüber einer Werkzeughälfte eine
ungeradlinige Relativbewegung ausführt.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. der erfindungsgemäßen Tiefziehmaschine
ist es sowohl möglich,
die ungeradlinige Relativbewegung als Kurve in zwei Ebenen abzubilden
als auch als räumliche
Kurve. Bei einer räumlichen Kurve
ist es erforderlich, dass sich eine Werkzeughälfte dreidimensional im Raum
führen
lässt.
Dies setzt eine Stößelanordnung,
insbesondere eine Gruppe von wenigstens drei Stößeln, voraus, die ein Verschwenken
einer Werkzeughälfte
im Raum ermöglichen.
Das kinematische System bei drei oder mehr Hydraulikzylindern wird
hinsichtlich der Führung
der Werkzeughälfte
je nach Anwendungsfall komplexer als bei einer Anordnung mit nur
zwei Hubzylindern und einer Schwenkachse. Komplexe räumliche
Bewegungen der Werkzeughälfte
lassen sich steuerungstechnisch am besten mit hydraulischen Tiefziehmaschinen
lösen.
Theoretisch
ist es möglich,
das Steuerungsprinzip einer Hexapod-Maschine aufzugreifen, so dass
der Stößel sechs
Freiheitsgrade hätte.
Allerdings stehen bei einer Hexapod-Maschine die notwendigen Spindel-
oder Hubkolbenantriebe zwingend im Winkel zueinander, so dass der
Anteil der an den Stößel angreifenden
Normalkräfte
erheblich reduziert ist. Das wiederum reduziert die Leistungsfähigkeit
der kraftgebundenen Tiefziehmaschine. Optimal ist es, wenn die Hubzylinder
weitestgehend parallele Hubbewegungen ausführen.
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
1 bis 4 eine
erste Ausführungsform einer
Tiefziehmaschine in unterschiedlichen Stadien eines Tiefziehvorgangs;
5 bis 8 eine
weitere Ausführungsform
einer Tiefziehmaschine in unterschiedlichen Stadien eines Tiefziehvorgangs
und
9 bis 12 eine
dritte Ausführungsform
einer Tiefziehmaschine in unterschiedlichen Stadien eines Tiefziehvorgangs.
Für die Umsetzung
der nicht geradliniten Relativbewegung umfasst die Stößelanordnung 5 in
diesem Ausführungsbeispiel
zwei Hubzylinder 11, 12 für die vertikale Verlagerung
des Werkzeugträgers 4 bzw.
der oberen Werkzeughälfte 2 sowie
ein Querverlagerungsmittel 13, das in diesem Ausführungsbeispiel
ebenfalls ein Hubzylinder ist. 2 zeigt nun,
wie nach dem nicht näher
dargestellten Einlegen eines Blechbauteils die Werkzeughälften 2, 3 durch
Ausfahren der Hubzylinder 11, 12 geschlossen sind
und entgegen der Kraft der Nie derhalterstempel 9 bewegt
werden. Die Stirnseite der oberen Werkzeughälfte 2 liegt unter
Eingliederung des Blechbauteils an dem Niederhalter 8 an,
wobei der Niederhalter 8 ebenso wie die obere Werkzeughälfte 4 entlang der
mit unterbrochener Linie eingezeichneten Kurve bewegt werden. Die
seitliche Führung
der oberen Werkzeughälfte 2 wird
durch das Querverlagerungsmittel 13 gewährleistet, das während des
Tiefziehvorgangs in Richtung des Pfeils P verschwenkt wird. Gleichzeitig
werden die sich asynchron bewegenden Hubzylinder 11, 12 in
Richtung der Pfeile P1 verschwenkt, wobei der Winkel W1 zwischen
der Vertikalen V und der Längsachse
LA der Hubzylinder 11, 12 immer kleiner wird (3).
Zugleich nimmt der Winkel W2 zwischen der Längsachse LA1 des Querverlagerungsmittels 13 und
der Horizontalen H ebenfalls ab. Wenn in der in 4 dargestellten
Schließstellung
letztendlich die maximale Umformkraft aufgebracht wird, stehen die
Hubzylinder 11, 12 senkrecht und das Querverlagerungsmittel 13 waagerecht.
In dieser Position sind die Niederhalterstempel 9 vollständig eingefahren
und der Niederhalter 8 liegt auf dem unteren Werkzeugträger 7 auf.
Die Werkzeughälften 2, 3 können nach
Abschluss des Tiefziehvorgangs wieder voneinander getrennt werden, wobei
das Öffnen
der Werkzeughälften 2, 3 wieder entlang
der mit unterbrochener Linie eingezeichneten Kurve erfolgt. Hierzu
werden die Hubzylinder 11, 12 und das Querverlagerungsmittel 13 entsprechend angesteuert.
Der Niederhalter 8 wird wieder angehoben, bis sich die
Tiefziehmaschine für
den nächsten Fertigungszyklus
in dem in 1 dargestellten Zustand befindet.
Aufgrund
der Tatsache, dass die Koppelstange 15 eine unveränderliche
Länge besitzt,
sind die kinematischen Verhältnisse
etwas anders als bei der Ausführungsform
der 1. Es lässt
sich dennoch eine gesteuerte ungeradlinige Relativbewegung zwischen
der oberen Werkzeughälfte 2 und
der unteren Werkzeughälfte 3 realisieren,
wie es durch die mit unterbrochener Linine eingezeichnete Kurve
verdeutlicht wird. Der grundlegende Unterschied besteht darin, dass
der für
den Tiefziehvorgang erforderliche Gesamthub nicht von der Koppelstange 15 und
dem zugehörigen
Hubzylinder 16 aufgebracht werden kann. Diese dienen lediglich
zur Führung
des oberen Wekzeugträgers 4 in
Kombination mit dem Querverlagerungsmittel 17. Der eigentliche
Hub wird entweder dadurch realisiert, dass der untere Werkzeugträger 7 zusammen
mit den Niederhalterstempeln 9 in Richtung der oberen Werkzeughälfte 2 verlagert
wird (Variante 1). Alternativ wird der Rahmen 18 an einem sich
linear bewegenden Stößel einer
herkömmlichen Pressmaschine
befestigt, wobei die erforderliche Hubbewegung durch einen nicht
näher dargestellten Stößel erreicht
wird (Variante 2). Eine Kombination der zuvor genannten Varianten
zu einer dritten Variante ist im Rahmen der Erfindung denkbar. Ein
Vorteil bei der Ausführungsform
der 5 bis 8 ist, dass zwischen den Werkzeughälften 2, 3 je
nach Hub der Pressmaschine ein größerer Freiraum vorhanden ist
als bei der Ausführungsform
der 1. Der eigentliche Umformvorgang verläuft, wie
anhand der 6 bis 8 zu erkennen
ist, bei gleicher Werkzeuggeometrie genauso wie bei der Variante 1,
allerdings mit dem Unterschied, dass die Werkzeughälften 2, 3 zunächst linear
aufeinander zu bewegt werden, bevor dann während des eigentlichen Umformvorgangs,
das heißt
während
eines Teilhubs eine ungeradlinige Relativbewegung der Werkzeughälften erfolgt.
Entscheidend ist die Überlagerung
der Hubbewegung HB mit der Querverlagerung QV der Werkzeughälften. Grundsätzlich ist
es möglich,
anstelle von Hydraulikzylindern geeignete Getriebeelemente vorzusehen,
wie beispielsweise Kniehebelanordnungen oder Kurventriebe. Eine
Kombination von Kolben-Zylinder-Systemen mit mechanischen Hebelsystemen
und Kurventrieben ist im Rahmen der Erfindung denkbar.
Die 9 bis 12 zeigen
eine weitere mögliche
Ausführungsform.
Bei dieser Variante einer Tiefziehmaschine 19 wird ein
nicht näher
dargestellter Stößel einer
Pressmaschine geradlinig bewegt, so dass eine Kraft F ausgeübt wird,
welche eine obere Werkzeughälfte 20 gegen
eine untere Werkzeughälfte 21 verlagert.
Die Werkzeughälften 20, 21 sind an
Werkzeugträgern 22, 23 fixiert,
wobei der obere Werkzeugträger 22 über einen
Schwenkarm 24 schwenkbeweglich mit dem unteren Werkzeugträger 23 verbunden
ist. Die Schwenkbewegung erfolgt um die Schwenkachse S, so dass
sich die obere Werkzeughälfte 20 entlang
dem mit unterbrochener Linie eingezeichneten Kreisbogen bewegt.
Wie bei einem Vergleich der 9 und 10 zu
erkennen ist, wandert hierbei der Kraftangriffspunkt, das heißt der Pfeil
F in der Bildebene nach rechts. Der halbkugelförmige Stützkörper 25 gleitet hierbei
an dem nicht näher
dargestellten Stößel ab.
Wie bei den Ausführungsformen
der 1 bis 9 ist auch bei dieser Variante
ein Niederhalter 26 vorgesehen, der ebenso wie der obere
Werkzeugträger 22 über einen
eigenen Schwenkarm 27 schwenkbeweglich an dem unteren Werkzeugträger 23 gelagert
ist. Die Schwenkachsen der Schwenkarme 24, 27 des
oberen Werkzeugträgers
und des Niederhalters 26 fallen zusammen. Der Niederhalter 26 wird über Niederhalterstempel 28 abgestützt, die
aufgrund der auszuführenden
Schwenkbewegung in 9 unterschiedlich weit ausgefahren sind.
Mit fortschreitender Umformung während
des Tiefziehvorgangs wird der Niederhalter 26 mit einem nicht
näher dargestellten
Blechbauteil von der oberen Werkzeughälfte 20 herunter gedrückt, bis schließlich die
Endstellung erreicht wird, wie sie in 12 dargestellt
ist. Wichtig ist, dass in dieser Endstellung der Kraftvektor F mittig über den
Werkzeughälften 20, 21 angreift,
so dass die erforderliche Umformkraft vollständig in den Umformprozess eingebracht
werden kann. Diese Ausführungsform
hat zudem den Vorteil, dass die Seitenkräfte in dem Umformwerkzeug bzw.
den Werkzeugträgern
selbst aufgefangen werden, so dass zusätzliche Querverlagerungsmittel,
wie sie bei den Ausführungsformen
der 1 bis 8 erforderlich sind, entfallen
können. Dadurch
wird die Steuerung einer solchen Tiefziehmaschine einfacher.