DE102007026592B4

DE102007026592B4 - Formverfahren sowie insbesondere magnetorheologisches Schmiermittel und Vorrichtung hierfür

Info

Publication number: DE102007026592B4
Application number: DE102007026592A
Authority: DE
Inventors: Holger Böse; Christoph Janssen; Johannes Ehrlich; Piet WÖLCKEN
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2027-06-09
Also published as: WO2008148826A1; US20110113845A1; EP2170538A1; DE102007026592A1; US20150183016A1; US8959968B2; EP2170538B1

Abstract

Formverfahren, bei dem ein Material (10) eines Werkstückes (12, 30) mittels wenigstens eines Formwerkzeuges (14, 44, 48, 50, 142) umgeformt wird, wobei zwischen dem Material und dem wenigstens einen Formwerkzeug ein Schmiermittel (18) verwendet wird, dessen Viskosität durch ein Anlegen oder Verändern eines Feldes (56) veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Formverfahren, bei dem ein Material eines Werkstückes mittels wenigstens eines Formwerkzeuges umgeformt wird, wobei zwischen dem Material und dem wenigstens einen Formwerkzeug ein Schmiermittel verwendet wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Ein solches Verfahren, und eine zum Durchführen desselben verwendbare Formvorrichtung sind aus dem Buch „Die Schmierung in der Metallbearbeitung", Theo Mang, ISBN 3-8023-0682 bekannt. Demnach ist es bekannt, bei Metallumformverfahren, wie beispielsweise einem Tiefziehen von Metallblechen, Schmiermittel einzusetzen. Dadurch wird der Reibkoeffizient zwischen dem wenigstens einen Formwerkzeug und dem Material verändert, um das Formverfahren sowie dessen Ergebnis zu beeinflussen.
Die DE 10 2004 055 415 A1 beschreibt eine Maschine auf einem anderen technischen Gebiet, nämlich ein Druckwerk einer Druckmaschine. Es ist dabei vorgeschlagen, zur Realisierung einer Kupplungseinrichtung ein in einer Bohrung geführtes Führungselement zu verwenden, wobei als Schmiermittel eine elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit eingesetzt werden kann, deren Viskosität durch Anlegen eines entsprechendes Feldes veränderbar ist. Durch Ein- oder Abschalten des entsprechendes Feldes kann dann das Kupplungselement geöffnet oder geschlossen werden.
Die DE 693 11 241 T2 betrifft verbesserte elektrorheologische Flüssigkeitszubereitungen, welche Organosiloxane enthalten. Es ist in diesem Dokument insbesondere die Anwendung solcher Flüssigkeiten in der Fahrzeug- und Robotertechnik sowie deren Schmierwirkung beschrieben.
Die DE 102 483 29 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umformen eines Bauteilrohlings mittels einen unter Druck stehenden Wirkmediums, wobei das Wirkmedium ein magnetorheologisches oder elektrorheologisches Medium ist. Dieses Wirkmedium wird in das Innere eines Bauteilrohlings eingeführt und anschließend unter Druck gesetzt, um so das Material aufzublasen und gegen Formwerkzeuge zu drücken.
Die DE 101 35 488 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer formschlüssigen Kaltfügeverbindung zwischen Lagen an Werkstücken mit einer Matrize und einem Niederhalter, zwischen denen die Lagen angeordnet sind. In dem Niederhalter ist axial ein Stempel geführt. Zur Ausbildung einer Klemmkraft ist der Niederhalter mittels einer Flüssigkeit ansteuerbar. Es wird vorgeschlagen als Arbeitsflüssigkeit eine elektrorheologische oder eine magnetorheologische Flüssigkeit zu verwenden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Formverfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine größere Formenvielfalt mit verbesserten Qualitäten erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Formverfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Eine Vorrichtung zur Durchführen eines solchen Formverfahrens ist Gegenstand des Nebenanspruches.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Formverfahren wird demnach ein Material eines Werkstückes mittels wenigstens eines Formwerkzeuges umgeformt. Dabei wird zwischen dem Material und dem wenigstens einen Formwerkzeug ein Schmiermittel eingefügt, dessen Viskosität durch ein Anlegen oder Verändern eines Feldes veränderbar ist.
Das Schmiermittel hat beispielsweise elektrorheologische und/oder magnetorheologische Eigenschaften, d. h. seine Viskosität wird z. B. durch das Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes verändert.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Formverfahren ein Metallumformverfahren, wobei das Material ein Metall ist. Insbesondere ist die Erfindung für Kaltformverfahren geeignet, bei denen das Metall ohne Zufuhr von zusätzlicher Wärme umgeformt wird.
Als Schmiermittel wird besonders bevorzugt eine magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) verwendet.
Magnetorheologische Flüssigkeiten sind beispielsweise aus „Magnetorheological fluids for adaptive engine mounts", Fraunhofer ISO Annual Report 2004, p. 24 für die Anwendung in anpassbaren Motorlagern zur Schwingungsdämpfung von Motorschwingungen an Fahrzeugen bekannt. Bei der Erfindung geht es aber um ein ganz anderes technisches Gebiet, nämlich um Formverfahren.
Das erfindungsgemäße Formverfahren ist in einer bevorzugten Ausgestaltung beispielsweise ein Blechumformverfahren. Zum Beispiel wird das Schmiermittel mit durch ein Feld beeinflussbarer Viskosität bei einem Umformverfahren verwendet. Besonders bevorzugt ist ein Verfahren mit lokal stark variierenden Reibzahlanforderungen, wie zum Beispiel eine Inkrementelle Blechumformung (IBU; auch Incremental Sheet Forming, ISF)) Inkrementelle Blechumformungen, die erfindungsgemäß weitergebildet werden können, werden beispielsweise in der Veröffentlichung „3D-Bearbeiten: Flexibles Umformen von Feinblech ohne Gegenform"; Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung – Robotersysteme; R+R 05.04/10.05, Oktober 2005 sowie in der Veröffentlichung „Hämmern ins Bodenlose" in „Interaktiv – Fraunhofer IPA", Nr. 1.2004, S. 14 und 15 sowie in der DE 102 31 430 A1 , der DE 103 17 880 B3 und der DE 10 2005 024 378 A1 beschrieben. Dabei wird ein Formwerkzeug entlang einer vorgegebenen Bahn über das zu bearbeitende Werkstück gefahren, um so schrittweise Bereiche des Werkstückes bis zur endgültigen Form desselben umzuformen.
Die Eigenschaften der veränderbaren Viskosität können zum Beispiel auch bereits zum besseren Entfernen des Schmiermittels nach dem Formprozess verwendet werden, wobei nach dem Umformprozess die Viskosität durch Anlegen oder Verändern eines Feldes verändert wird, um das Schmiermittel besser entfernen zu können.
Ganz besondere Vorteile bietet die Anwendung eines Schmiermittels mit einem durch ein Feld beeinflussbaren Viskosität aber insbesondere während des Umformprozesses. Bei der Metallformung und insbesondere bei inkrementellen Umformprozessen ist es vielfach wünschenswert, lokal den Reibkoeffizienten zu beeinflussen, um den Prozess zu optimieren. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann nun durch Veränderung der Viskosität des Schmiermittels der Reibkoeffizient zwischen Werkstück und Formwerkzeug gezielt und insbesondere auch lokal verändert werden. Demnach ist eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung gekennzeichnet durch Anlegen und/oder Verändern eines die Viskosität des Schmiermittels beeinflussenden elektrischen oder magnetischen Feldes auf das Schmiermittel zum Beeinflussen der Umformung.
Durch Anlegen eines Feldes, wie beispielsweise eines magnetischen Feldes bei Verwendung einer magnetorheologischen Flüssigkeit, kann nun die Viskosität der verwendeten Flüssigkeit mit durch das Feld beeinflussbarer Steifheit verändert werden. Das Feld kann ein einzelnes Feld, beispielsweise ein lokal unterschiedlich ausgeprägtes Feld, sein oder es können mehrere lokal definierte und/oder sich überlagernde Felder eingesetzt werden. Das Feld oder eines von mehreren Feldern können zum Beispiel extern außerhalb des wenigstens einen Formwerkzeuges erzeugt werden. Dadurch ist man nicht durch die Geometrie des Formwerkzeuges beschränkt. Beispielsweise können so auch supraleitende Magnete für besonders starke Magnetfelder eingesetzt werden.
Andererseits kann es bei extern erzeugten Feldern schwierig werden, die Feldstärke und Feldorientierung passend auf das Formwerkzeug zu übertragen. Beispielsweise werden sowohl elektrische als auch magnetische Felder durch metallene Formwerkzeuge oder andere Metallteile einer Umformvorrichtung beeinflusst. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das oder wenigstens eines von mehreren Feldern in oder an den Formwerkzeugen erzeugt wird. Es kann auch ein externes Feld mit einem an den Formwerkzeugen erzeugten Feld überlagert werden. Selbstverständlich sind weitere Verfahrensweisen und Kombinationen denkbar. Auch zeitlich und/oder örtlich variable Felder sind denkbar.
Das wenigstens eine Feld wird bei einer vorteilhaften Ausgestaltung durch das wenigstens eine Formwerkzeug und/oder das Material zu dem Schmiermittel geleitet. Dies ist besonders bei metallenen Formwerkzeugen oder bei umzuformenden Metallen vorteilhaft, da die elektrischen oder magnetischen Eigenschaften der Metallmaterialien für die Leitung verwendbar sind.
Zur gezielten Prozesssteuerung ist bevorzugt, dass an unterschiedlichen Orten und/oder zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Felder und/oder unterschiedliche Feldstärken und/oder Feldorientierungen angelegt werden.
Die räumliche Verteilung und/oder die Flussdichte des Feldes kann durch die Formgebung des wenigstens einen Formwerkzeuges gesteuert werden.
Ein Schmiermittel zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Formverfahren zum Umformen eines Werkstückes mittels wenigstens eines Formwerkzeuges zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Flüssigkeit mit einer durch Anlegen eines Feldes veränderbaren Viskosität ist. Dadurch kann während, vor oder nach dem Formprozess die Viskosität gezielt und steuerbar, durch Anlegen oder Verändern eines Feldes, eingestellt werden, beispielsweise um lokal den Reibwert im Formprozess zu verändern und/oder einzustellen und/oder um ein Anbringen, eine Verteilung oder eine Entfernung des Schmiermittels auf bzw. von Material oder Formwerkzeug zu erleichtern.
Das Schmiermittel ist vorzugsweise eine elektrorheologische und/oder magnetorheologische Flüssigkeit, welche in einer Trägerflüssigkeit dispergierte polarisierbare Partikel enthält. Über die Auswahl der Trägerflüssigkeit und der Partikel können die Eigenschaften des Schmiermittels eingestellt werden. Beispielsweise lässt sich durch Auswahl von Trägerflüssigkeiten mehr oder weniger hoher Viskosität und durch Auswahl der Partikelgröße oder Partikelform der einstellbare Viskositätsbereich auswählen. Die Trägerflüssigkeit ist beispielsweise ein zur Verwendung in einem Metallumformprozess geeignetes Umformöl. Darin werden dann durch das entsprechende Feld polarisierbare Partikel dispergiert. Insbesondere werden hierzu Öle oder sonstige Schmierflüssigkeiten mit im Vergleich zu bisher in herkömmlichen Metallformverfahren verwendeten Umformölen geringerer Viskosität als Basis verwendet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Umformen eines Materials eines Werkstückes mit wenigstens einem Formwerkzeug unter Verwendung eines Schmiermittels zeichnet sich durch eine Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines die Viskosität eines elektrorheologischen und/oder magnetorheologischen Schmiermittels beeinflussenden Feldes aus. Bei der bevorzugten Verwendung einer magnetorheologischen Flüssigkeit – im folgenden kurz MRF genannt – zum Umformen von Metallen hat die Vorrichtung vorzugsweise eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, mit dem die Viskosität der MRF eingestellt werden kann.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise als Metallblechumformvorrichtung zum Kaltformen von Metallblechen ausgebildet, wobei Formwerkzeuge ähnlich zu bekannten entsprechenden Metallblechumformvorrichtungen ausgebildet sind. Beispielsweise handelt es sich dabei um eine Tiefziehvorrichtung oder IBU-Vorrichtung, die zum Umformen eines Metallbleches ausgebildet ist. Aber auch alle anderen Kaltumformprozesse und zumindest einige Warmumformprozesse können von der Anwendung der Erfindung profitieren. So ist die Erfindung gemäß anderen Ausgestaltungen zum Beispiel auch auf Strangpressverfahren und Strangpressvorrichtungen, Drahtziehverfahren und Drahtziehvorrichtungen, Walz- oder Drückverfahren und -vorrichtungen und/oder auf Schmiedeverfahren und Vorrichtungen, wie zum Beispiel zum Taumelschmieden anwendbar.
Anders als bekannte entsprechende Metallbearbeitungsvorrichtungen weist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das wenigstens eine Formwerkzeug wenigstens einen Permanentmagnet oder Elektromagnet auf.
Durch Inkorporieren von elektronischen Magneten in Formwerkzeuge kann ein Feld entworfen, ausgebildet und/oder erzeugt werden, das zu einem optimalen Kontaktzustand zwischen Werkzeug und Werkstück an irgendeinem vorgegebenen Punkt in der Kontaktzone führt.
Vorteile der Erfindung und/oder von deren vorteilhaften Ausgestaltungen sind insbesondere:

• bisher bestehende Grenzen und Limits für das Umformen können signifikant überschritten werden; dies gilt insbesondere für Prozesskräfte (Anpressdruck), Grenzformänderung und Oberflächenqualität;
• bisher nicht formbare Bauteile können nun geformt werden;
• gegebenenfalls erleichtertes Entfernen von Schmiermittel;
• verbesserte Prozesssteuerung oder Prozesskontrolle sowie
• eine bessere Qualitätssicherung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
1 ein zu Erläuterungszwecken wiedergegebenes schematisches Diagramm zur Darstellung des Einflusses eines Schmiermittels und insbesondere dessen Viskosität auf Metallblechumformverfahren;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Formvorrichtung zur Metallbearbeitung am Beispiel einer Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen eines Bleches;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Formvorrichtung zur Metallbearbeitung am Beispiel einer Vorrichtung zum inkrementellen Blechumformen;
4 ein Detail der Vorrichtung von 3; und
5 eine vergrößerte Darstellung eines mit der Vorrichtung von 3 gerade zu bearbeitenden Bereichs eines Werkstückes.
In 1 sind mögliche Reibzustände bei einem Metallumformverfahren, bei dem ein Metallmaterial 10 eines Werkstückes 12 mittels eines Formwerkzeuges 14 umgeformt wird, in einem sogenannten Stribeck-Diagramm dargestellt. Das Diagramm ist in der linken Hälfte der Figur wiedergegeben. In der rechten Hälfte der 1 ist eine Kontaktzone 16 zwischen Formwerkzeug 14 und Werkstück 12 in verschiedenen Bereichen des Diagramms dargestellt.
In dem Stribbeck-Diagramm sind verschiedene Filmdicken d eines Schmiermittels 18 sowie die Reibzahl μ in Abhängigkeit von dem Faktor η v/p wiedergegeben, wobei η die Viskosität des Schmiermittels 18, v die Relativgeschwindigkeit der Reibpartner 12, 14 und p der Normaldruck in der Kontaktzone 16 ist.
Ein erster Bereich A kennzeichnet ein Formverfahren ohne Schmiermittel 18. Es liegt reine Festkörperreibung vor. Die Reibzahl μ ist maximal, μ = μ_max. In einem zweiten Bereich B sind Grenzschichten 20 der beiden Reibpartner 12, 14 mit Schmiermittel 18 benetzt. Das Schmiermittel 18 setzt sich bei geringer Zugabe zunächst an den Reiboberflächen an und haftet dort an. Es findet eine Grenzreibung statt, wobei Reiboberflächen unter Adhäsion von Schmiermittel aneinander reiben. Die Reibzahl μ ist etwas geringer, μ₁ ≤ μ < μ_max, wobei μ₁ einen Reibwert an der Grenze zwischen Grenzreibung und Mischreibung darstellt. In einem dritten Bereich C befindet sich Schmiermittel 18 in Räumen 21 zwischen den Reibpartnern 12, 14, wobei es aber noch mehr oder weniger Kontaktbereiche 22 gibt, an denen sich die Grenzschichten 20 noch berühren. Die Reibzahl μ ist wiederum geringer, μ₂ ≤ μ < μ₁, wobei μ₂ den Reibwert an der Grenze von der Mischreibung zur rein hydrodynamischen Reibung darstellt. In einem vierten Bereich D ist die Filmdicke d so groß, dass es keine Kontaktbereiche 22 mehr gibt. Überall zwischen den Grenzschichten 20 befindet sich Schmiermittel 18. Es liegt reine hydrodynamische Reibung vor.
Die Reibzahl μ lässt sich im Bereich C der Mischreibung und insbesondere im Bereich D der rein hydrodynamischen Reibung durch eine Viskositätskontrolle optimieren. Über die Viskosität lässt sich auch die Schubspannung τ in der Kontaktzone 16 einstellen, dabei gilt τ = ηdv/dt, wobei dv/dt die Ableitung von v nach der Zeit ist.
Bei der Metallumformung und insbesondere bei inkrementellen Umform-Prozessen ist es für eine Optimierung des Prozesses erwünscht, die Reibzahl lokal zu beeinflussen, um gezielt das Formgebungsverfahren an einer Stelle zu beeinflussen. Dies kann, wie voranstehend verdeutlicht, durch eine Beeinflussung der Viskosität eines bei der Metallformung eingesetzten Schmiermittels 18 geschehen. Hierzu wird bei den im folgenden näher erläuterten Formverfahren eine Flüssigkeit verwendet, deren Viskosität sich bei Anlegen oder Verändern eines Feldes verändert. In den Ausführungsbeispielen handelt es sich dabei um eine magnetorheologische Flüssigkeit, im folgenden kurz MRF genannt.
Eine MRF ist ein intelligentes flüssiges Material, dessen rheologische Eigenschaften merkbar, meist drastisch, und in den meisten Fällen reversibel durch ein Magnetfeld gesteuert werden können. Eine MRF wird zum Beispiel in einem Magnetfeld gelartig und kehrt nach Ausschalten des Magnetfeldes in den flüssigen Zustand zurück. MRF sind analog zu elektrorheologischen Flüssigkeiten – ERF –, die in einer alternativen Ausgestaltung, wo es aufgrund der Materialien möglich ist, wirksam ein elektrisches Feld anzulegen, verwendbar sind. Eine MRF wird durch eine Dispersion von magnetisch polarisierbaren Partikeln in einer Trägerflüssigkeit gebildet.
Im folgenden wird anhand der Darstellung in 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Verbesserung einer Blechumformung durch den Einsatz von magnetorheologischen Flüssigkeiten am Beispiel eines Tiefziehverfahrens näher erläutert.
In den 2 bis 5 ist verdeutlicht, wie ein Metallblech 30 mit Hilfe von einem oder mehreren Formwerkzeugen 14 durch einen Umformprozess – in 2 z. B. ein Ziehprozess – in die gewünschte dreidimensionale Form gebracht wird.
In der 2 ist hierzu eine Formvorrichtung 40 zur Durchführung eines Tiefziehverfahrens dargestellt. Die Formvorrichtung 40 weist in dem Beispiel einen Stempel 42 auf, dessen Kantenbereiche 44 als Formwerkzeuge 14 dienen. Hierzu ist der Stempel 42 zwischen zwei Einspannungen 46 relativ zu diesen beweglich. Die Einspannungen 46 weisen feststehende Backen 48 und bewegliche Backen 50 auf, die zum Einspannen des Metallbleches 30 mit definierter Kraft F auf die feststehenden Backen 48 zu pressbar sind. Die Backen 48, 50 dienen als weitere Formwerkzeuge 14. Hierzu sind Kanten 52 der feststehenden Backen 48 entsprechend der gewünschten Formgebung geformt.
Zwischen den Formwerkzeugen 14, 44, 48, 50 und dem Metallblech 30 befindet sich ein Umformöl 54, welches eine bestimmte Viskosität η aufweisen soll.
Durch den Einsatz einer magnetorheologischen Flüssigkeit – MRF – 60 wird die Viskosität η des Umformöls 54 über ein Magnetfeld 56 auf den Bedarfsfall eingestellt, um den Umformprozess zu verbessern.
In dem hier vorgestellten Formverfahren wird das Magnetfeld 56 extern über eine nicht näher dargestellte Magnetfelderzeugungseinrichtung, die zum Beispiel supraleitende Magnete aufweist, und/oder in den Formwerkzeugen 14, 44, 48, 50 erzeugt und durch die Bearbeitungsflächen der Formwerkzeuge 14, 44, 48, 50 und durch das Metallblech 30 geleitet.
Hierzu weisen die Formwerkzeuge 14, 44, 48, 50 elektronische Magnete 58, beispielsweise elektronisch steuerbare Elektromagnete, auf. Das Magnetfeld 56 kann die Steifheit der MRF 60 verändern. Durch die Form des entsprechenden Formwerkzeuges 14, 44, 48, 50 kann die räumliche Verteilung und die magnetische Flussdichte des Magnetfeldes 56 vorgegeben werden.
Das Magnetfeld 56 wird durch eine nicht näher dargestellte Steuerung so eingestellt, dass an Spannflächen 62 der Backen 48, 50 eine über die Zeit variable Viskosität und somit eine über die Zeit variable Reibzahl μ₆₂ eingestellt wird, um je nach Formfortschritt den Rand des Metallbleches 30 festzuhalten oder einen Nachfluss von Material zu ermöglichen. An einer Kontaktfläche 64 wird durch die Steuerung das Magnetfeld und damit die Viskosität der MRF 60 so eingestellt, dass an der Kontaktfläche 64 eine relativ niedrige Reibzahl μ₆₄ herrscht. An den Kantenbereichen 44 des Stempels 42 wird das Magnetfeld 56 so eingestellt, dass sich eine Viskosität der MRF 60 einstellt, die für eine hohe Reibzahl μ₄₄ sorgt.
Die MRF 60 wird durch ihre Zusammensetzung auf einen gewünschten einstellbaren Viskositätsbereich abgestimmt. Hierfür werden die Größenverteilung der magnetisierbaren Partikel in der MRF 60 sowie die Trägerflüssigkeit optimiert. Als Trägerflüssigkeit wird das Umformöl 54 verwendet, wobei für diese Aufgabe insbesondere ein besonders niederviskoses Umformöl 54 ausgewählt wird.
Wenngleich das Umformverfahren anhand eines Beispiels eines Blechziehverfahrens dargestellt worden ist, so ist die Anwendung einer Flüssigkeit mit einer durch ein Feld steuerbaren Viskosität nicht auf solche Blechziehverfahren beschränkt, sondern auch auf andere Metallbearbeitungsverfahren anwendbar. Es kann auch auf entsprechende Umformverfahren zum Umformen anderer Werkstoffe mittels Formwerkzeugen übertragen werden, die durch verschiedene Viskositäten von eingesetzten Schmier- oder Trennmitteln beeinflussbar sind.
Besondere Vorteile bietet die Anwendung einer Flüssigkeit mit einer durch ein Feld steuerbaren Viskosität bei einem inkrementellen Umformverfahren, insbesondere bei einem inkrementellen Blechumformverfahren (IBU), wie es beispielsweise in der Veröffentlichung „3D-Bearbeiten: Flexibles Umformen von Feinblech ohne Gegenform"; Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung – Robotersysteme; R+R 05.04/10.05, Oktober 2005 sowie in der Veröffentlichung „Hämmern ins Bodenlose" in „Interaktiv – Fraunhofer IPA", Nr. 1.2004, S. 14 und 15 oder in der DE 102 31 430 A1 , der DE 103 17 880 B3 oder der DE 10 2005 024 378 A1 beschrieben oder beansprucht wird.
3 zeigt eine Formvorrichtung 140, die zum Durchführen eines solchen inkrementellen Blechumformverfahren geeignet ist und vom Grundaufbau wie in einer der zuvor erwähnten Druckschriften beschrieben aufgebaut ist. Für den näheren Aufbau sowie die Funktion solcher Formvorrichtungen 140 wird daher ausdrücklich auf die zuvor erwähnten Druckschriften verwiesen. Anders als bei den bekannten Formvorrichtungen weist jedoch ein Formwerkzeug 142 der Formvorrichtung 140 den elektronischen Magneten 58 ähnlich wie bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel auf.
Wie näher in 4 dargestellt ist, ist zwischen dem Metallblech 30 und dem Formwerkzeug 142 wie bei dem in 2 erläuterten Beispiel die magnetorheologische Flüssigkeit 60 eingesetzt, deren Viskosität η durch das mittels des Magneten 58 erzeugte Magnetfeld 56 veränderbar ist.
Dadurch lassen sich zum Beispiel an verschiedenen Bereichen der Kontaktfläche 64 zwischen Formwerkzeug 142 und Metallblech 30 unterschiedliche Anpressdrücke p₁, p₂, p₃ erzeugen, wie dies in 5 dargestellt ist. Auf diese Weise erhält man weitere Einflussmöglichkeiten auf die Gestaltung des Metallblechs während den einzelnen Formschritten des sich entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn zum schrittweisen Umformen bewegenden Formwerkzeugs 142.
Wenngleich in den zuvor erwähnten Ausführungsbeispielen der Einsatz einer magnetorheologischen Flüssigkeit beschrieben worden ist, so ist die Erfindung nicht auf den Einsatz magnetorheologischer Flüssigkeiten begrenzt. Es könnte beispielsweise auch eine elektrorheologische Flüssigkeit verwendet werden, deren Viskosität durch das Anlegen eines elektrischen Feldes veränderbar ist. Beispielsweise könnte hierzu ein Formwerkzeug 14, 44, 48, 50, 142 der beschriebenen Ausführungsbeispiele als Elektrode zum Anlegen des elektrischen Feldes ausgebildet sein.

10: Metallmaterial
12: Werkstück
14: Formwerkzeug
16: Kontaktzone
18: Schmiermittel
20: Grenzschichten
21: Räume zwischen Reibpartnern
22: Kontaktbereich
30: Metallblech (Werkstück)
40: Formvorrichtung
42: Stempel
44: Kantenbereiche (Formwerkzeug)
46: Einspannung
48: feststehende Backe (Formwerkzeug)
50: bewegliche Backe (Formwerkzeug)
52: Kante
54: Umformöl
56: Magnetfeld
58: elektronische Magnete
60: magnetorheologische Flüssigkeit
62: Spannfläche
64: Kontaktfläche
140: Formvorrichtung
142: Formwerkzeug Reibzahl
μ: Reibzahl
μ₆₂: variable Reibzahl an den Spannflächen 62
μ₆₄: niedrige Reibzahl an der Kontaktfläche 64
μ₄₄: hohe Reibzahl an den Kantenbereichen 44
η: Viskosität des Schmiermittels
v: Relativgeschwindigkeit der Reibpartner
p: Normaldruck in der Kontaktzone
d: Filmdicke des Schmiermittels
A: erster Bereich – Festkörperreibung
B: zweiter Bereich – Grenzreibung
C: dritter Bereich – Mischreibung
D: vierter Bereich – hydrodynamische Reibung

Claims

Formverfahren, bei dem ein Material (10) eines Werkstückes (12, 30) mittels wenigstens eines Formwerkzeuges (14, 44, 48, 50, 142) umgeformt wird, wobei zwischen dem Material und dem wenigstens einen Formwerkzeug ein Schmiermittel (18) verwendet wird, dessen Viskosität durch ein Anlegen oder Verändern eines Feldes (56) veränderbar ist.
Formverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (10) ein Metall ist, das, vorzugsweise ohne Zufuhr von zusätzlicher Wärme, umgeformt wird.
Formverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Tiefzieh-, Strangpress-, Drahtzieh-, Walz-, Drück-, Schmiede- oder Taumelschmiedeverfahren ist.
Formverfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallblech (30) umgeformt wird.
Formverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (30) gezogen, insbesondere tiefgezogen, wird.
Formverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Incremental-Sheet-Forming-Verfahren oder Inkrementelles Umformverfahren ist.
Formverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anlegen und/oder Verändern wenigstens eines die Viskosität des Schmiermittels (18) beeinflussenden Feldes (56) auf wenigstens einen Teil des Schmiermittels (18) zum Beeinflussen des Umformens oder zum leichteren Entfernen des Schmiermittels nach dem Umformen.
Formverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anlegen und/oder Verändern des Feldes (56) der Reibkoeffizient des Materials (10) an dem wenigstens einen Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) lokal und/oder insgesamt beeinflusst wird.
Formverfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld (56) oder eines von mehreren Feldern extern außerhalb des wenigstens einen Formwerkzeuges (14, 44, 48, 50, 142) erzeugt wird.
Formverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das oder wenigstens eines von mehreren Feldern (56) in oder an den Formwerkzeugen (14, 44, 48, 50, 142) erzeugt wird.
Formverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Feld (56) durch das wenigstens eine Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) und/oder das Material (10) zu dem Schmiermittel (18) geleitet wird.
Formverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an unterschiedlichen Orten und/oder zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Felder und/oder unterschiedliche Feldstärken angelegt werden.
Formverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung und/oder die Flussdichte des Feldes (56) durch die Formgebung des wenigstens einen Formwerkzeuges (14, 44, 48, 50, 142) vorgegeben wird.
Formverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrorheologische Flüssigkeit oder/und eine magnetorheologische Flüssigkeit verwendet wird.
Formverfahren nach Anspruch 14 und nach einem der Ansprüche Anspruch 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches oder/und ein magnetisches Feld (56) angelegt wird.
Formvorrichtung (40, 142) zum Umformen eines Materials (10) eines Werkstückes (12, 30) mit wenigstens einem Formwerkzeug (14, 44, 48, 50) unter Verwendung eines Schmiermittels (18), gekennzeichnet durch eine Felderzeugungseinrichtung (58) zum Erzeugen eines die Viskosität eines elektrorheologischen und/oder magnetorheologischen Schmiermittels (18, 60) beeinflussenden Feldes (56).
Formvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Metallblechumformvorrichtung zum Kaltformen von Metallblechen ausgebildet ist.
Formvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Tiefziehen eines Metallbleches ausgebildet ist.
Formvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) mit wenigstens einem Permanentmagneten oder Elektromagneten (58) ausgerüstet ist.
Formvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) wenigstens eine Elektrodeneinrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes aufweist.