DE102010009345B4

DE102010009345B4 - Verfahren und Werkzeug zur Herstellung eines Bauteils sowie ein durch Umformung hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE102010009345B4
Application number: DE201010009345
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Gerlach Lars; Dipl.-Ing. Werbs Michael; Andreas Bawohl; Karl Geisinger
Original assignee: Schuler Cartec GmbH and Co KG
Current assignee: Schuler Cartec GmbH and Co KG
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: DE102010009345A1; CA2788222C; CA2788222A1; WO2011103985A1; US8893540B2; US20130040161A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem aus metallischem Material bestehenden dünnwandigen Vorformling (2), – wobei das Bauteil (10, 100, 105, 110, 111) einen Träger (11) und eine mit dem Träger (11) verbundene, eine Trägerfläche (12) wenigstens teilweise umlaufende Struktur (13) umfasst, – wobei der Vorformling (2) eine Wand (5, 102) mit einer ersten Höhe x (3) und einer ersten, radial gemessenen Wandstärke t1 (4) aufweist, – wobei in einem ersten Schritt der Vorformling (2) zur Umformung in ein Werkzeug (30, 60, 130, 171) eingelegt wird, – wobei das Werkzeug (30, 60, 130, 171) mindestens einen Innenwand-Stützkörper (42, 63, 133) und mindestens einen Außenwand-Stützkörper (44, 66, 134, 135) sowie mindestens einen Oberstempel (31, 61, 131) und mindestens einen Unterstempel (32, 62, 132) zur Ausübung einer Umformkraft (33, 34) umfasst, – wobei in einem zweiten Schritt das Werkzeug (30, 60, 130, 171) derart geschlossen wird, dass...

Description

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem metallischen Material nach Anspruch 1, ein Werkzeug zur umformtechnischen Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 10 sowie ein durch Umformung hergestelltes mechanisches Bauteil nach Anspruch 14.
Mechanische Bauteile, insbesondere mechanische Zahnräder finden eine nahezu unbegrenzte Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten im Bereich des Maschinenbaus. Betrachtet man exemplarisch die Kategorie der Zahnräder, so müssen diese jedoch oftmals unter erheblichem Fertigungsaufwand, beispielsweise durch zerspanende Bearbeitung eines Massivkörpers hergestellt werden.
Eine Alternative zu der zerspanenden Bearbeitung stellt die Möglichkeit der Umformung durch Kalt-, Halbwarm- und Warm-Querfließpressen bzw. Stauchen dar, bei welcher ein Bauteil durch Aufwendung erheblicher Druckkräfte entlang einer ersten Raumrichtung komprimiert wird, wobei aufgrund dieser Kompression Material in Hohlräume fließt, welche von einem Werkzeug quer zur ersten Raumrichtung bereitgestellt werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der DE 37 18 884 A1 beschrieben.
Die in der DE 37 18 884 A1 beschriebene Vorgehensweise ist jedoch nur auf eine beschränkte Anzahl von umzuformenden Vorformlingen anwendbar, da zum Erreichen des Querfließvorganges ein erheblicher Druck entlang der Kompressionsrichtung auf das Bauteil ausgeübt werden muss.
Wird jedoch, entgegen der Lehre der DE 37 18 884 A1 , kein Vorformling aus einem Vollmaterial in das Werkzeug eingelegt, sondern vielmehr eine Umformung an einem dünnwandigen Hohlkörper, beispielsweise einem Rohrabschnitt oder einem becherförmigen Hohlkörper vorgenommen, so ist die Dimension der Struktur, welche vom Werkzeug durch die Hohlräume bereitgestellt wird und welche durch den Querfließvorgang mit Material gefüllt werden soll, äußerst beschränkt. Dies begründet sich darin, dass, je größer die auszufüllende Struktur gewählt wird, das Risiko eines Ausknickens der dünnen Wand des Vorformlings in den Bereich der Struktur am Anfang des Umformvorgangs zunimmt. Erfahrungsgemäß können daher für die Herstellung derartiger Bauteile nur dünnwandige Vorformlinge eingesetzt werden, bei denen die zur Verfügung stehende Wandhöhe des Vorformlings x maximal das 2,3 fache der anfänglichen Wandstärke t1 beträgt. Andernfalls besteht das Risiko einer Ausknickung, was erhebliche Einflüsse auf die Eigenschaften des erzeugten Bauteils hat.
Die Druckschrift DE 34 09 549 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Flanschen oder Bunden an Hohlteilen durch Querfließpressen, wobei der Werkstoff während des Pressvorgangs in der Bohrung durch ein plastisch wirkendes Werkzeug abgestützt wird. Nachteilig ist die Verwendung eines Hohlkörpers als Vorformling, welcher lediglich zur Herstellung einer Struktur mit beschränkten Dimensionen zu verwenden ist und darüber hinaus mit dem plastischen Stützkörper keine genau definierte Geometrie erzeugt werden kann.
In der Druckschrift DE 1 087 433 B ist die Herstellung eines Nabenkörpers für Freilaufbremsnaben aus einem nahtlosen Rohrabschnitt im Kaltpress-Verfahren gezeigt. Nachteilig ist auch hier die Herstellung einer Struktur (Speichenflansch) mit beschränkten Dimensionen aufgrund der Verwendung eines Hohlkörpers als Vorwerkstück (Vorformling) ohne Nutzung eines Stützelements.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung bereitzustellen, bei welchem bzw. bei welcher aus einem dünnwandigen Vorformling ein Bauteil durch Umformung hergestellt werden kann, wobei auch bei größeren Verhältnissen der Höhe des Vorformlings zu dessen Wandstärke eine Ausknickung vermieden wird. Weiterhin ist es Aufgabe ein durch Umformung hergestelltes Bauteil zu entwickeln, welches entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren entsprechend dem Anspruch 1 bzw. durch Anwendung eines Werkzeugs nach Anspruch 10 gelöst, wobei ein Bauteil gemäß Anspruch 14 resultiert. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 9, eine Weiterbildung des Werkzeugs ist im Anspruch 11, 12 und 13 angegeben.
Zur Charakterisierung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte wird auf den Wortlaut des Anspruchs 1 verwiesen. Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass im Rahmen des Umformprozesses Stützkörper die Wandbereiche des umzuformenden Vorformlings überall dort abstützen, wo keine Materialbewegung durch Umformung in einen Matrizenhohlraum stattfinden soll. Auf diese Weise ist für die Ausknickung nur der Bereich des Matrizenhohlraums zu berücksichtigen, wobei nahezu beliebige Wandhöhen des Vorformlings wählbar sind, also eine erhebliche Materialmenge als umzuformendem Volumen bereitgestellt werden kann.
Einzelne Bereiche des ausgeformten Bauteils können dabei eine gegenüber dem Vorformling konstant gebliebene Wandstärke aufweisen, beispielsweise im Bereich der Zahnfüße eines Zahnrads, andere Bereiche zeichnen sich durch eine Zunahme der Wandstärke aus, beispielsweise die ausgeformten Zähne eines Zahnrads.
Es ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens denkbar, dass ein Stützkörper mit einem daran angrenzenden Matrizenhohlraum als einstückiger Bestandteil einer Umformanlage aufgebaut ist. Auch separate Bestandteile sind in zweckmäßigen Ausführungsformen realisierbar.
Ersatzweise für den aus unterschiedlichen Komponenten bestehenden komplexen Umformprozess werden im Folgenden nur die für die Erfindung maßgeblichen Hauptkomponenten Querfließpressen bzw. Stauchen genannt.
Im Rahmen des erfindungsgemäß herzustellenden Bauteils kann das Bauteil in einen Träger und eine Struktur unterteilt werden.
Projiziert man das Bauteil und den Vorformling ineinander, so bildet das Schnittvolumen, also das von Bauteil und Vorformling umschlossene Volumen, den Träger des Bauteils und das übrige Volumen des Bauteils die Struktur des Bauteils. Die gedachte Grenzfläche zwischen dem Träger und der Struktur ist die Trägerfläche.
Im Rahmen des erfindungsgemäß herzustellenden Bauteils umfasst dieses Bauteil einen Träger, der beispielsweise in Form eines Napfes vorliegt, und wiederum eine Trägerfläche umfasst, welche als umlaufende Mantelfläche um den Träger anzusehen ist. Aufgebaut auf dieser Trägerfläche befindet sich die am Bauteil erzeugte Struktur, welche beispielsweise eine umlaufende Verdickung oder auch teilweise oder fertig ausgeformte Zähne eines Zahnrads darstellen kann. Nähere Erläuterungen sind auch im später folgenden Ausführungsbeispiel dargestellt.
Eine aufgebrachte Verdickung auf der Trägerfläche kann beispielsweise in einer Wandstärkenzunahme von 10% bis hin zu 50% oder 100% oder mehr durch das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden.
Die zumindest teilweise umlaufende Struktur, welche beispielsweise aufgeformte Zähne eines Zahnrads oder auch eine umlaufende Verdickung darstellt, in welche später in einem weiteren Arbeitsschritt Vertiefungen zur Ausbildung von Zähnen eingearbeitet, insbesondere eingefräst werden können wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeformt. Zur Herstellung eines derartigen Bauteils wird ein beispielsweise napfförmiger Vorformling in ein erfindungsgemäßes Werkzeug eingelegt, welcher in einer Durchführung des Verfahrens zur Ausformung einer Struktur ohne zusätzlichen Wandaufbau mit dem Teil der Wand des Vorformlings, welche beim späteren Bauteil die Struktur trägt, die resultierende Trägerfläche darstellt.
Zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Bauteils wird ein, in ein Werkzeug eingelegter Vorformling, dessen umzuformende Wand eine erste Wandhöhe x aufweist, auf eine zweite kleinere Wandhöhe gestaucht, wobei in dem Fall, dass die zweite Höhe gleich der Wandhöhe der zu erzeugenden umlaufenden Struktur entspricht, die gestauchten Volumenelemente durch Querfließpressen bzw. Stauchen in einen Matrizenhohlraum, welcher im Wesentlichen ein Negativ der zu erzeugenden Struktur darstellt, verdrängt werden. Selbstverständlich ist davon auszugehen, dass der Matrizenhohlraum nicht zwingend vollständig durch verdrängtes Material ausgefüllt werden muss, da beispielsweise im Bereich von rechtwinkligen Kanten ansonsten eine erhebliche Krümmung des einfließenden Materials erzielt werden müsste, was umformtechnisch nicht zwingend notwendig oder gar möglich ist.
Es ist jedoch auch denkbar, dass nicht bis zur kompletten Strukturhöhe der auszubildenden Struktur gestaucht wird, sodass außerhalb der Struktur ein Bereich verbleibt, welcher gegenüber der Wand des Vorformlings keine Dickenzunahme oder nur eine umlaufende Wandverdickung aufweist. Dies kann vorzugsweise oberhalb oder unterhalb der aufzuformenden Struktur, aber auch beidseitig vorgenommen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet vornehmlich in der Herstellung von Bauteilen, bei denen große Bereiche dünnwandig sind und andere Bereiche dicker ausgeführt sind, welche beispielsweise aus einem Blechrohling gefertigt werden sollen, Anwendung. Exemplarisch sei erwähnt, dass in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Vorbereitungsschritt durch Umformung, vorzugsweise durch Tiefziehen aus einem flächigen Rohling, vorzugsweise einem Blech, der Vorformling hergestellt wird. Der derart hergestellte Vorformling weist in einem Segmentschnitt eine L-Form auf, beispielsweise im Bereich eines Kreissegments einer Becherform oder eines Querschnitts eines L-Profils. Zur Betrachtung der Becherform ist insbesondere eine U-förmige Querschnittssymmetrie heranzuziehen, wenn eine Art Becher bzw. Napf aus einem flächigen Rohling hergestellt wird. Derartige Napfformen können beispielsweise als kreisrunde oder elliptische Form ausgebildet werden, wobei auch eine vollkommen unregelmäßige Körperform mit der umlaufenden Wand des Napfes ausgebildet werden kann, um beispielsweise exzentrische Zahnradformen zu erzeugen. Der hergestellte Napf weist neben seiner umlaufenden Wand einen vorzugsweise nicht vollständig geschlossenen Boden auf, wobei die Öffnung im Boden zur späteren Aufnahme einer Nabe oder zur Positionierung im Umformwerkzeug Verwendung finden kann. Auf diese Weise wird eine einfache Möglichkeit der Herstellung eines Vorformlings aus einem flächigen Rohling bereitgestellt, wodurch erhebliche Freiheitsgrade für das herzustellende resultierende Bauteil erhalten werden und somit beispielsweise elliptische oder frei wählbare Zahnradformen produziert werden können.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Vorformling vor und/oder während der Formung erwärmt, um eine Halbwarmumformung oder eine Warmumformung vorzunehmen. Auf diese Weise kann, je nach genutztem Material, der Querfließprozess während der Umformung optimiert werden, so dass der benötigte Kraftaufwand und/oder die erzielte Struktur innerhalb vorgegebener optimaler Parameter liegen. Die zu wählende Temperatur zur Halbwarmumformung oder Warmumformung richtet sich nach den jeweilig genutzten Materialien, beispielsweise Stahl oder Aluminium, und den aus der technischen Literatur bekannten Größen für die jeweiligen Werkstücktemperaturen. Laut VDI 3166 (April 1977) wird beispielsweise der Temperaturbereich von 200°C bis 850°C für die Halbwarmumformung von Stahl empfohlen.
In einer überdies erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens wird die Position eines Wandstützkörpers während der Umformung relativ zu einer Bodenfläche des Vorformlings ortsfest gehalten. Durch die ortsfeste Positionierung eines Wandstützkörpers wird die mechanische Konstruktion des Werkzeugs vereinfacht und insbesondere ein Verklemmen durch aneinander vorbeizuführende mechanische Bauteile vermieden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens wird während der Umformung die Position mindestens eines, an den Matrizenhohlraum angrenzenden Wandstützkörpers relativ zu einer Bodenfläche des Vorformlings verändert, vorzugsweise in dem der Wandstützkörper eine Bewegung parallel und in Relation zur Bewegung mindestens eines Stempels ausführt. Durch diese entsprechende Weiterbildung kann erreicht werden, dass der, die Struktur bildende Matrizenhohlraum, welcher durch Querfließpressen bzw. Stauchen mit Material ausgefüllt werden soll, beim Umformvorgang entlang der Wandhöhe des Vorformlings mitbewegt wird.
Somit wird die mittlere Entfernung, welche ein Volumenelement des umzuformenden Wandmaterials in die Struktur zurücklegen muss, reduziert. Weiterhin besteht der Vorteil, dass der Oberstempel stabiler ausgeführt werden kann. Ohne die oben genannte Funktion des erfindungsgemäßen Werkzeuges, müsste der Oberstempel so ausgeführt werden, dass er einen dünnwandigen und langen Ansatz aufweist, welcher im Hohlraum zwischen den Stützkörpern die Volumenelemente der gestauchten Wandhöhe x entlang der feststehenden Stützkörper in den Matrizenhohlraum schiebt. Solch ein dünnwandiger und langer Teil des Oberstempels, kann ohne Führungselement bei hohen Umformkräften brechen und somit eine Umformung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unmöglich machen.
Auch die strukturelle Zusammensetzung der erzeugten Struktur und ggf. die Stabilität der Struktur können, je nach Material und Verarbeitungsparameter, dadurch beeinflusst positiv werden.
In einer überdies vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Umformung der Oberstempel ortsfest, insbesondere gegenüber der Oberkante des Vorformlings gehalten und der Unterstempel mit dem Bodenteil des Vorformlings bewegt, so dass der Vorformling gegen den Oberstempel gepresst wird. Auf diese Weise wird eine vereinfachte Werkzeugkonstruktion ermöglicht, da der Oberstempel zusätzlich zum Schließen des Matrizenhohlraums verwendet werden kann. Weiterhin sind in vorteilhafter Weise die Stützkörper zumindest teilweise von oben her in den Vorformling einzubringen, ohne dass sie zusätzlich eine eigene Bewegung gegenüber dem Boden des Vorformlings während der Umformung ausführen sollen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Umformung der Unterstempel ortsfest gehalten und der Oberstempel, vorzugsweise in Form eines Druckrings bewegt. Dabei wird der Vorformling gegen den Unterstempel gepresst.
Die Umformung mittels eines von oben her bewegten Druckrings oder eines andersartig ausgebildeten Oberstempels bietet den Vorteil, dass die Volumenelemente der Wand des Vorformlings sowohl an Innenwandstützkörpern als auch an Außenwandstützkörpern vorbeigeführt werden können und auf diese Weise beispielsweise an beiden Mantelflächen der umlaufenden Wand Strukturen ausgeformt werden können. Selbstverständlich ist auch ohne die Ausbildung von beidseitigen Strukturen die Nutzung eines bewegten Oberstempels denkbar.
In einer überdies angedachten Weiterbildung des Verfahrens wird der Matrizenhohlraum während der Umformung eine Bewegung in Relation zu einer Bewegung einer Oberkante der Wand des sich verformenden Vorformlings ausführen.
Der in Relation zur Oberkante des sich verformenden Vorformlings mitbewegte Matrizenhohlraum bietet den Vorteil, dass die Struktur bildenden, in den Matrizenhohlraum hineinfließenden Material-Volumenelemente der Wand nur kurze Fließstrecken zurücklegen müssen. Hierdurch fließt von beiden Seiten Material in den Matrizenhohlraum ein wodurch eine gleichmäßigere Ausformung der Struktur erreicht wird.
In einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Volumen des Matrizenhohlraums während des Umformvorgangs, vorzugsweise die Höhe des Matrizenhohlraums, aus welcher die Höhe der zu bildenden Struktur resultiert, vergrößert wird.
Eine Vergrößerung des Matrizenhohlraums während des Umformvorgangs erschließt die Möglichkeit zur Ausformung größerer Strukturen, da für den Effekt des Ausknickens stets die jeweils im Bereich des zu füllenden Hohlraums vorliegende Wandstärke des sich umformenden Vorformlings heranzuziehen ist. Wird also mit einem Matrizenhohlraum kleiner Hohlraumhöhe begonnen, so können auch verhältnismäßig kleine bzw. dünne Wandstärken des Vorformlings gewählt werden. Während sich die Wandstärke im Bereich des Hohlraums im Zuge des Umformvorgangs aufdickt, kann auch die Hohlraumhöhe entsprechend vergrößert werden, da die Neigung zum Ausknicken durch die aufgebaute Wandstärke verringert wird. Auf diese Weise sind Strukturen mit einer Strukturhöhe b und einer Anfangswandstärke t1 des Vorformlings ausformbar, bei denen das Verhältnis b zu t1 vorzugsweise nur noch kleiner als 10 sein muss. Prinzipiell sind jedoch auch andere Strukturverhältnisse zur Anfangswandstärke denkbar, so dass gegebenenfalls auch noch größere Verhältnisgrößen erzielt werden können.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Werkzeug nach dem vorliegenden Anspruch 10 beansprucht, wobei das Werkzeug einen Aufnahmeraum mit einer Raumhöhe und einer Raumstärke zur vollständigen Aufnahme eines Vorformlings mit einer Wandhöhe x und einer radial gemessenen Wandstärke t1 umfasst. Der Vorformling, welcher beispielsweise in Form eines Bechers bzw. in Form eines Napfes in das Werkzeug eingelegt wird, wird vollständig vom Werkzeug umgeben. Des Weiteren umfasst das Werkzeug mindestens einen Innenwandstützkörper zur Abstützung einer Innenwand bzw. mindestens eines Teiles der Innenwandfläche des Vorformlings. Weiterhin umfasst das Werkzeug mindestens einen Außenwandstützkörper zur Abstützung einer Außenwand bzw. mindestens eines Teiles einer Außenwandfläche des Vorformlings, sowie mindestens einen als Erweiterung des Aufnahmeraums ausgebildeten Matrizenhohlraum mit einer, zur Raumhöhe des Aufnahmeraums parallel verlaufenden Matrizenhohlraumhöhe, in welchen das durch einen Umformvorgang verdrängte Material hineingebracht wird. Das Werkzeug umfasst weiterhin mindestens einen Oberstempel sowie mindestens einen Unterstempel zur Ausübung einer Umformkraft zur Ausführung eines Umformvorgangs durch Verringerung der Raumhöhe des Aufnahmeraums und daraus resultierender Verdrängung von Wandmaterial des Vorformlings in den Matrizenhohlraum. Der grundsätzliche Prozess des Querfließpressens bzw. Stauchens eines Vorformlings ist aus dem Stand der Technik bekannt.
Erfindungsgemäß ist das Werkzeug dadurch charakterisiert, dass wenigstens zu Beginn der Umformung bei geschlossenem Werkzeug das Verhältnis der Raumhöhe des Aufnahmeraums bzw. der Wandhöhe x des Vorformlings zur Wandstärke t1 des eingelegten Vorformlings größer als 2,3 ist.
Die Raumstärke des Aufnahmeraums des Werkzeugs entspricht im Wesentlichen der Wandstärke t1 des Vorformlings. Der Bezug auf die Wandstärke des Vorformlings ist jedoch für die Dimensionierung des erfindungsgemäßen Werkzeugs dahingehend erheblich, da die Gefahr eines Ausknickens während der Umformung von der Wandstärke des Vorformlings abhängt. Durch eine entsprechende Dimensionierung des Matrizenhohlraums, des Wandstützkörpers und des Vorformlings können Bauteile in einem erfindungsgemäßen Werkzeug hergestellt werden, welche nach den Verfahren des Standes der Technik nur unter Inkaufnahme einer Ausknickung der Wand des Vorformlings mittels Querfließpressen bzw. Stauchen hergestellt werden konnten, was in keinem brauchbaren Bauteil resultiert.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist das Verhältnis der Matrizenhohlraumhöhe zu Beginn der Umformung zur Wandstärke t1 des eingelegten Vorformlings kleiner 10, vorzugsweise kleiner 5 und insbesondere kleiner 2,3.
In diesem Parameterbereich wird eine verbesserte Strukturausformung erreicht, welche ohne Materialausknickung während des Umformprozesses hergestellt wird.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Werkzeugs nach Anspruch 10 oder 11 umfasst dieses Werkzeug eine Matrize, an welcher der Matrizenhohlraum ausgebildet ist. Die Matrize kann hierbei insbesondere durch den Innenwandstützkörper und/oder durch den Außenwandstützkörper gebildet werden, oder aber auch alternativ oder ergänzend durch einen separaten Matrizenkörper zumindest teilweise gebildet werden, welcher in einen Bereich des Werkzeugs einsetzbar ist.
Auf diese Weise können entweder kostengünstig einfach herzustellende Werkzeugbestandteile gleichzeitig die Matrizenhohlräume umfassen, oder aber eine erhöhte Flexibilität, beispielsweise durch austauschbare Matrizenkörper, welche in sich beispielsweise wieder bewegliche Teile beinhalten können, bereitgestellt werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein durch Umformung, insbesondere durch Querfließpressen bzw. Stauchen hergestelltes mechanisches Bauteil, wobei das Bauteil einen Träger und eine, eine Trägerfläche zumindest teilweise umlaufende Struktur aufweist, wobei die Struktur durch einen Stauchprozess bzw. Querfließprozess einer Wand eines aus Blech hergestellten Vorformlings, ausgehend von der Form des Vorformlings erzeugt wurde, wobei die gestauchte Wand vor dem Stauchen eine Höhe von mehr als dem 2,3 fachen ihrer Wandstärke besaß.
In einer besonderen Ausführung wird beispielsweise mindestens 50% des Materialvolumens der Wand des Vorformlings zu der Struktur umgeformt.
Derartig dünnwandige hohe Vorformlinge umzuformen, also einen umfangreichen Materialtransport von einem hohen Wandbereich eines Vorformlings in einen Strukturbereich eines Bauteils zu bewerkstelligen, ist ohne die Ausbildung von Wellen, Falten und Überlappungen nur möglich, wenn Ausknickungen im Wandbereich während des Stauchvorgangs wie beispielsweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden.
Weitere Vorteile sowie zweckgemäße Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Werkzeugs sowie Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im nachfolgenden Ausführungsbeispiel, insbesondere in den Figuren dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfasst vielmehr all diejenigen Ausgestaltungen sowie Verfahrensformen, welche vom erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen.
Es zeigen:
1a–c Beispielhafte Prinzipdarstellungen eines flächigen Rohlings, eines Vorformlings sowie eines fertigen Bauteils;
2a–c einen Schnitt durch einen Wandbereich des Vorformlings sowie des fertigen Bauteils;
3 eine schematische Darstellung einer Umformanlage mit erfindungsgemäßem Werkzeug;
4 einen weiteren Zustand der Anlage nach 3 im durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahren;
5 einen weiteren Zustand der Anlage nach 3 im durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahren;
6 eine Umformanlage mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug, welches eine variable Hohlraumhöhe bereitstellt;
7 einen weiteren Zustand im erfindungsgemäßen Verfahren einer Umformanlage nach 6;
8 einen weiteren Zustand im erfindungsgemäßen Verfahren einer Umformanlage nach 6;
9a–b Darstellungen eines Segmentausschnitts eines Vorformlings sowie eines Bauteils;
10a–d unterschiedliche Ausgestaltungen der aufgeformten Struktur mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren;
11a–c unterschiedliche Bauteilausgestaltungen;
12a–b weitere Bauteilausgestaltungen;
13 Darstellung (halbseitig) eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Bereitstellung eines variablen Matrizenhohlraums;
14 einen weiteren Zustand im erfindungsgemäßen Verfahren eines Werkzeugs nach nach 13;
15 einen weiteren erfindungsgemäßen Zustand eines Werkzeugs nach 13;
16 einen weiteren erfindungsgemäßen Zustand eines Werkzeugs nach 13;
17 eine weitere Ausgestaltung durch Hinzufügen eines weiteren Federballasts an einem Werkzeug nach 13;
18 einen weiteren Zustand des Werkzeugs nach 17;
19 einen weiteren Zustand des Werkzeugs nach 17;
20 einen weiteren Zustand des Werkzeugs nach 17.
Im Folgenden sollen die Figuren im Detail näher erläutert werden. Wiederkehrende Bestandteile einzelner Darstellungen, welche in unterschiedlichen erfindungsgemäßen Verfahrenszuständen im Betrieb einer Anlage bzw. Umformanlage gezeigt sind, gelten selbstverständlich für alle dargestellten Figuren als bezeichnet, ohne dass explizit für jede einzelne Darstellung hierauf Bezug genommen werden muss. Unter einer Anlage ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Umformeinrichtung zu verstehen, in welcher das erfindungsgemäße Werkzeug zum Einsatz gebracht wird, und welche das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. Durch welche maschinenbau-technischen Mittel hierbei die Ausführung vorgenommen wird, ist für die Betrachtung der Erfindung unerheblich.
Im Einzelnen zeigt 1a einen flächigen Rohling 1, vorzugsweise aus einem Blech, welcher zu einem Vorformling 2, der anschließend in das erfindungsgemäße Verfahren eingebracht wird, umgeformt wird. Die Darstellung nach 1a–c erfolgt jeweils im Schnitt und in der Draufsicht.
1b zeigt den aus dem flächigen Rohling 1 hergestellten Vorformling 2, welcher als dünnwandiger Vorformling 2 eine Napfform 6 mit einer Wandhöhe x 3 aufweist, deren Wandstärke t1 4 der Wand 5 in etwa einer Wandstärke des flächigen Rohlings 1 entspricht. Die Napfform 6 ist auf ihrer Unterseite durch ein Bodenteil 7 abgeschlossen, welches vorzugsweise in seiner Mitte eine Öffnung 8 aufweist.
Betrachtet man einen Segmentschnitt der 1b als Kreissegment, so stellt dieser im Halbraum eine L-Form dar. Im Querschnitt zeigt 1b insgesamt eine U-förmige Querschnittssymmetrie 9.
1c zeigt einen Schnitt sowie eine Draufsicht auf ein fertiges Bauteil 10, welches einen Träger 11 umfasst, auf dessen Mantelfläche bzw. Trägerfläche 12 eine durch Umformung bzw. Querfließpressen bzw. Stauchen aufgebrachte Struktur 13, beispielsweise in Form von Zähnen 14 eines Zahnrads aufgeformt wurde.
Es ist jedoch auch denkbar, dass die Struktur beispielsweise nur als umlaufende Verdickung ausgebildet wird, welche vorzugsweise in einem späteren Arbeitsschritt durch Einfräsungen oder ähnliches zur Zahnform umgearbeitet werden kann.
2 zeigt eine detailliertere Darstellung des Vorformlings 2 in einer Napfform 6 im Halbraumschnitt, wobei die Wand 5 der Napfform 6 des Vorformlings 2 eine Anfangswandstärke t1 4 und eine Anfangswandhöhe x 3 aufweist. Im grob schraffierten Bereich der 2 ist eine Darstellung im Halbraumschnitt gezeigt, welche das fertig ausgeformte Bauteil 10 mit einer Bauteilhöhe b 20 und einer Bauteilwandstärke t2 21 zeigt. Zusätzlich zu der aufgedickten Wand als einem ersten aufgebrachten Strukturbestandteil, welcher auf eine gedachte Trägerfläche 12 aufgebracht wurde, um die Wandstärke t2 zu erzielen, zeigt 2 in einem anderen Bereich eine zusätzliche Materialaufstauchung zum Erhalt eines zweiten Strukturbestandteils, einer Verzahnung mit einer Zahnhöhe h 22. Derartige Materialanhäufungen sind im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, wobei stets eine zumindest gegenüber der Ausgangswandstärke t1 4 gleich bleibende oder zunehmende Wandstärke t2 21 des Bauteils, verglichen mit der Wandstärke t1 des Vorformlings, bereitgestellt wird.
2a und 2b zeigen die jeweiligen Einzelteile der Projektion aus 2c. 2a zeigt ein Segment des Vorformlings 2, 2b ein Segment des Bauteils 10.
3 zeigt exemplarisch eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs 30 in einer Umformanlage 29 im Zustand des ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes. Das Werkzeug 30 umfasst hierbei einen Oberstempel 31 sowie einen Unterstempel 32, wobei diese zur Ausübung einer oberen Umformkraft 33 sowie einer unteren Umformkraft 34 ausgebildet sind. Die Anlage 29 ist symmetrisch zu einer Symmetrieachse 35 aufgebaut und vorliegend im Schnitt dargestellt. Im Betrieb der Anlage 29 kann der Oberstempel 31 eine Bewegung in der Bewegungsrichtung nach unten 36 ausführen. Der Unterstempel 32 führt im Laufe des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls eine Bewegung in der Bewegungsrichtung nach unten 36 aus. Zur Rückstellung der Anlage 29 auf die entsprechenden Ausgangspositionen werden die Bewegungen der Richtung nach unten 36 in Richtungen nach oben 37 umgekehrt.
In den Arbeitsbereich des Werkzeugs 30 wird der Vorformling 2 mit der Wandstärke t1 4 der Wand 5 und einer ersten Wandhöhe x 3 eingesetzt. Der Vorformling 2 besitzt eine Außenwandfläche 40 sowie eine Innenwandfläche 41 zur Ausbildung der Napfform 6. Im oberen Bereich des Werkzeugs befindet sich ein Innenwandstützkörper 42, welcher während des Einsetzens des Vorformlings 2 in das Werkzeug 30 oberhalb der Oberkante der Wand 43 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst das Werkzeug 30 einen Außenwandstützkörper 44, welcher im unteren Bereich des Werkzeugs angeordnet ist. Oberhalb des Außenwandstützkörpers 44 befindet sich der Matrizenhohlraum 45, welcher in radialer Richtung 46, ausgehend von der Symmetrieachse 35, einen Aufnahmebereich für den später erfolgenden Stauchprozess für das verdrängte Material bildet, wodurch die angestrebte Struktur des Bauteils ausgeformt werden kann.
Des Weiteren umfasst das Werkzeug 30 einen Anschlag 47 für die Aufwärtsbewegung des Außenwandstützkörpers, welcher im unteren Bereich angeordnet ist.
Der Innenwandstützkörper 42 ist von oben her mit einem Druckkolben 48 versehen, welcher eine definierte Druckkraft für den Innenwandstützkörper bereitstellt. Entsprechend ist der Unterstempel 32 ebenfalls mit einem unteren Druckkolben 49 versehen, welcher eine, der oberen Druckkraft des Kolbens 48 entgegenwirkende jedoch geringere untere Druckkraft bereitstellt.
Im Zuge des nicht dargestellten zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensschritts wird der Innenwandstützkörper 42 in die Napfform 6 des Vorformlings 2 eingefahren. Sodann drückt dieser auf die Bodenfläche 7 mit der Druckkraft des oberen Druckkolbens 48 und schiebt den Vorformling 2 mitsamt dem Unterstempel 32 gegen die Druckkraft des unteren Kolbens 49 nach unten in das Werkzeug hinein. Die Kräfte sind daher so eingestellt, dass die vom oberen Kolben 48 bereitgestellte Kraft zumindest leicht größer ist, als die vom unteren Kolben 49 entgegengehaltene Kraft. Bei der anschließenden Öffnung des erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Entnahme des Bauteils ist der Ablauf der Bewegungen umgekehrt.
4 zeigt eine Darstellung der Anlage 29 nach 3 im dritten Verfahrensschritt, wobei der Umformprozess des Vorformlings 2 zum angestrebten Bauteil 10 vollzogen ist.
4 zeigt, dass der Vorformling 2 nunmehr zum Bauteil 10, welches die radial gemessene Wandstärke t2 21 unterhalb der aufgebrachten Struktur aufweist und zu einer zweiten kleineren Höhe b 20, durch den Stauchprozess 50 umgeformt wurde. Die Position des Innenwandstützkörpers 42 relativ zur Bodenfläche 7 des Vorformlings 2 hat sich hierbei während des Stauchprozesses 50 nicht verändert. Zur Durchführung des Stauchprozesses 50 wurde der Unterstempel 32 mit dem darauf befindlichen Vorformling 2 abgesenkt, wodurch der Vorformling entlang der Bewegungsrichtung 36 nach unten in den Bereich zwischen dem Außenwandstützkörper 44 zur Abstützung der Außenwandfläche 40 und dem Innenwandstützkörper 42 eingebracht wurde. Durch Absenkung des Oberstempels mit dem daran anliegenden Innenwandstützkörper 42, letzteren in den Innenbereich des Vorformlings 2 zur Abstützung der Innenwandfläche 41, wurde das Werkzeug geschlossen, so dass durch den Oberstempel der Stauchprozess 50 zur Umformung des Vorformlings 2 zu dem Bauteil 10 vollzogen werden kann. Hierbei wird der Matrizenhohlraum 45 durch verdrängtes Material der Wand 5 des Vorformlings 2 gefüllt, so dass die Struktur 51 entsteht. Die Position des Außenwandstützkörpers 44 verändert sich dabei relativ zur Position der Bodenfläche, weil aus diesem Bereich Material aus der Wand 5 des Vorformlings 2 in den Matrizenhohlraum 45 verdrängt wird.
5 zeigt die Anlage mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug 30 während des Entnahmeprozesses des Bauteils 10. Bei zurückgezogenem Oberstempel 31, welcher an seinem unteren Ende einen Druckring 52 aufweist, und dem dadurch ebenfalls entnommenen Innenwandstützkörper 42, und dem durch den Unterstempel 32 ausgeworfenen Bauteil 10 wird der Matrizenhohlraum 45 im Matrizenkörper 53 wieder freigegeben. Die Höhe des Matrizenhohlraums 54 entspricht der Höhe der entstandenen Struktur am fertigen Bauteil 10, ebenso wie das Volumen des Matrizenhohlraums 55 im Wesentlichen dem Volumen der Struktur am Bauteil 10 entspricht.
6 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs 60, wobei in dieser Anlage Anpassungen zur Bereitstellung eines volumenflexiblen Matrizenhohlraums 64 vorgenommen wurden. Bezüglich äquivalenter vergleichbarer Bezeichnungen wird auf die 3 bis 5 verwiesen, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel Details verändert wurden.
Die Ausführung nach 6 zeigt ein Werkzeug 60, welches einen Oberstempel 61 sowie einen Unterstempel 62 umfasst. In den Vorformling 2 ist in vorliegender Darstellung bereits der Innenwandstützkörper 63 eingefahren und das Werkzeug 60 wurde geschlossen. Im geschlossenen Zustand weist das Werkzeug 60 einen Matrizenhohlraum 64 auf, wobei in vorliegender Darstellung linksseitig die Hohlraumgröße im Bereich beispielsweise der Struktur eines Zahns, rechtsseitig die Hohlraumgröße im Bereich eines Zahnzwischenraums, und daher kleiner, dargestellt ist. Der Matrizenhohlraum 64 hat eine Anfangshöhe 65, welche so klein gewählt wurde, dass eine Ausknickung der Wand 5 des Vorformlings 2 beim Beginn des Stauchvorgangs der Wand 5 des Vorformlings 2 vermieden wird. Unterhalb des Matrizenhohlraums 64 ist vorliegend ein Außenwandstützkörper 66 dargestellt, welcher auf seiner Unterseite durch einen Federballast 67 gehalten wird.
Zu dieser und den folgenden Figuren ist anzumerken, dass die Bezeichnung eines jeweiligen Federballast symbolisch für verschiedene, eine Kraft oder Gegenkraft ausübende Aktuatoren steht, so dass durchaus auch Druckzylinder oder andere definierte oder regelbare Krafterzeuger oder Verfahreinrichtungen alternativ eingesetzt werden können. Aus Gründen der schematischen Übersichtlichkeit wurden in den Figuren Federballaste dargestellt.
7 zeigt eine Darstellung nach 6, wobei der Stauchprozess vorliegend durch Abwärtsbewegung des Oberstempels 61 begonnen wurde. Der Innenwandstützkörper 63 fährtentgegen eines oberhalb angeordneten Federballasts 70 in den Oberstempel 61 ein, so dass ein Volumenbestandteil des Vorformlings 2 in den Matrizenhohlraum 64 mittels Querfließpressen bzw. Stauchen eingebracht wurde. Der Außenwandstützkörper 66 befindet sich hierbei im selben Zustand wie in der Position nach 6, so dass bisher nur die Anfangshöhe des Matrizenhohlraums 65 mit Material gefüllt ist.
8 zeigt einen weiteren Zustand der Anlage gemäß 6 und 7, wobei in vorliegendem Zustand durch zusätzliche Verdrängung von Material des Vorformlings 2 durch den ausgeführten Stauchprozess der Außenwandstützkörper 66 gegen den Federballast 67 nach unten verdrängt wurde, wodurch die Höhe des Matrizenhohlraums 71 auf die Endhöhe der Struktur des herzustellenden Bauteils angewachsen ist. Auf diese Weise konnte erzielt werden, dass eine verhältnismäßig große Endhöhe des Matrizenhohlraums 71 gegenüber der Anfangswandstärke t1 zur Herstellung einer Struktur 13 (beispielsweise von Zähnen an einem Zahnrad an einem Bauteil 10) erreicht werden konnte, ohne dass eine Ausknickung des Materials beim Querfließpressen bzw. Stauchen erfolgt.
9a zeigt eine weitere Darstellung eines Segmentschnitts eines Vorformlings 2, welcher eine Anfangswandstärke t1 4 aufweist. Das Material, welches zur Ausbildung einer Struktur 13 im Rahmen eines Umformungsprozesses durch Querfließpressen bzw. Stauchen aus der Wand 5 des Vorformlings 2 zur Verfügung steht, entspricht dem Materialvolumen der umlaufenden Wand 5, gebildet durch die Anfangs-Wandhöhe x 3 und die Wandstärke t1 4.
Die Darstellung in 9b zeigt schematisch, dass ein Träger 11 mit der Wandstärke t1 4, welcher dem Schnittvolumen aus dem Bauteil 10 und dem hineinprojizierten Vorformling 2 entspricht, eine Basis bildet. Gegenüber dem Vorformling 2 hat einerseits eine Wandverdickung auf eine Wandstärke t2 21 als ein Bestandteil der Struktur stattgefunden, andererseits ist zusätzlich Materialvolumen in Form einer Zahnhöhe 22 als weiterer Bestandteil der Struktur geflossen. Das gesamte umgeformte Materialvolumen der somit auf den Träger aufgebrachten Struktur, gebildet aus Wandverdickung und der Zahnhöhe, ist somit aus dem Material der Wand 5 des Vorformlings 2 zu beziehen.
10a bis d zeigen Variationen der verschiedenen Ausgestaltungen der Bauteile 10, bei welchen auf einen Träger 11 auf eine Trägerfläche 12 unterschiedliche, die Trägerfläche 12 umlaufende Strukturen 13 aufgebracht wurden. Hierbei ist es, je nach Ausgestaltung des Werkzeugs und des Matrizenhohlraums denkbar, dass die Struktur 13 entweder an der Oberkante endet (a) sowohl im Bereich der Oberkante des Trägers 11 als auch im Bereich der Unterkante des Trägers 11 einen Versatz aufweist (b) oder gemeinsam mit den Ober- und Unterkanten des Trägers abschließt (c) bzw. auch nur im Bereich der Oberkante des Trägers einen Versatz aufweist (d).
11a sowie 11b zeigen eine mögliche Ausgestaltung eines Bauteils 100, welches erfindungsgemäß hergestellt wurde. Zusätzlich zur bisher gezeigten einfachen Fassung einer Aufbringung nur einer Struktur, beispielsweise einer Verzahnung auf einen napfförmigen Vorformling 2 ist vorliegend in 11 eine weitere Variation, beispielsweise unter Ausformung eines um einen Aufnahmebereich für eine zentrische Achse erweiterten Bauteils 100 dargestellt. Vorliegend ist am Bauteil 100 eine Außenverzahnung entsprechend der vorangegangenen Beispiele ausgeformt. Die Außenverzahnung 101 wurde bündig mit der Oberkante der Wand 102 des Trägers ausgeformt. Im Bereich der Öffnung 8 wurde ebenfalls durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlicher Wandaufbau bereitgestellt, in welchem beispielsweise eine Nut für eine Passfeder 103 ausgespart sein kann. Um derartige Ausformungen bereitstellen zu können, muss der Vorformling entsprechende Wandelemente vorsehen, was jedoch insbesondere bei der umformtechnischen Herstellung aus einem Blech möglich ist.
11b zeigt eine Draufsicht des Bauteils 100.
11c zeigt eine Darstellung von elliptisch ausgeformten Bauteilen 105, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Zugrundelegung des Vorteils höchster Flexibilität bezüglich der Formgebung hergestellt werden können. Zusätzlich zu dem hier dargestellten elliptischen Bauteil 105 sind auch beliebige andere Geometrien denkbar, welche aus einem entsprechenden Vorformling mit zugehöriger Geometrie hergestellt werden können.
12a sowie 12b zeigen weitere Ausgestaltungen von Bauteilen 110 sowie 111, welche über das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar sind. Exemplarisch sei an 12a, dem Bauteil 110, dargestellt, dass sich zusätzlich zur Außenverzahnung 112 im Bereich eines Außenflansches 113, auch eine Innenverzahnung 114 anschließen kann. Des Weiteren ist auch an einem Innenflansch 115 sowohl eine Innenverzahnung 116 als auch eine Außenverzahnung 117 ausformbar, wobei das zur Ausbildung der jeweiligen Struktur benötigte Material stets aus der Wandhöhe des zur Verfügung gestellten Vorformlings bereitgestellt werden muss. Exemplarisch sowie ergänzend ist in 12b ein Bauteil dargestellt, bei welchem der Innenflansch zur Unterseite hin nach unten, also zur Bauteilaußenseite austritt und ebenfalls entsprechende Verzahnungen aufweist.
Entsprechend der Darstellung aus 9 können auch die Bauteile der 10–12 neben ausgeformten Strukturen, beispielsweise in Form von Zähnen, zusätzliche Strukturbestandteile in Form von Wandverdickungen durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten.
13 zeigt eine schematische Teildarstellung einer Anlage unter Einsatz einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs. Das erfindungsgemäße Werkzeug 130 umfasst ebenfalls einen Oberstempel 131 sowie einen Unterstempel 132, welche zur Ausübung einer Umformkraft auf einen Vorformling 2 eingesetzt werden. Zusätzlich zu den Stempeln 131, 132 ist ein Innenwandstützkörper 133 vorgesehen, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Innenwand des Vorformlings 2 vollflächig abstützt. Zur Bereitstellung entsprechender Strukturen, wie sie in den vorangegangenen 11 und 12 beschrieben wurden, sind die Stützkörper anzupassen bzw. unterschiedliche äquivalente Ausgestaltungen zu nutzen.
Vorliegende Ausführung des Werkzeugs 130 gemäß 13 umfasst des Weiteren eine Anordnung von Außenwandstützkörpern 134 und 135, welche einen oberen Außenwandstützkörper 134 sowie einen unteren Außenwandstützkörper 135 betrifft. Zwischen den an die Außenwand des Vorformlings 2 anliegenden Bereichen der Außenwandstützkörper 134 bzw. 135 wird ein Hohlraum 136 gebildet, welcher dem Wandmaterial des Vorformlings 2 während des Umformprozesses als Matrizenhohlraum zur Verfügung steht. Der Hohlraum 136 weist eine Anfangshohlraumhöhe 137 auf, welche entsprechend der zu berücksichtigenden Ausknicklänge nach dem erfindungsgemäßen Verfahren klein gehalten ist. Der Außenwandstützkörper oben 134 ist gegenüber dem Oberstempel 131 mit einem Federballast 138 abgestützt. Der Außenwandstützkörper unten 135 entsprechend gegenüber dem Unterstempel 132 mit einem Federballast 139.
14 zeigt die Darstellung der Anlage nach 13, wobei in 14 vorliegend der Umformprozess durch Absenken des Oberstempels 131 begonnen wurde. Durch in den Hohlraum 136 eindringendes Material wird sowohl auf den Außenwandstützkörper oben 134 als auch auf den Außenwandstützkörper unten 135 eine resultierende Kraft ausgeübt, welche den Stützkörper entgegen des jeweiligen Federballasts 138, 139 treibt. In der Darstellung nach 14 erfuhr der Außenwandstützkörper oben 134 noch keine Bewegung, wohingegen der Außenwandstützkörper unten 135 bereits einen Versatz nach unten zeigt.
In 15 ist eine weitere Darstellung der Anlage nach 13 gezeigt, wobei vorliegend sowohl der Außenwandstützkörper oben 134 als auch der Außenwandstützkörper unten 135 einen Versatz gegen den jeweiligen Federballast 138 sowie 139 zeigt.
16 zeigt eine Darstellung, bei welcher die Anlage gemäß 13 mit dem Werkzeug 130 den Außenwandstützkörper unten 135 bereits vollständig bis zu einem Punkt, an dem ein Gegenhalter 140 den Weg begrenzt, bewegt hat. Selbiges trifft für den Aussenwandstützkörper oben 134 und den Gegenhalter 141 zu. Auf diese Weise wurde der Bereich zwischen den Stützkörpern 134 und 135, welcher als Matrizenhohlraum zur Verfügung steht, erweitert, so dass eine End-Hohlraumhöhe 142 zur Ausbildung der Struktur bereitsteht.
Die 17, 18, 19 sowie 20 zeigen eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs 171. Hierbei wurde gegenüber der vorangegangenen Darstellung ein weiterer Federballast 172 zwischen den unteren Wandstützkörper 135 und den Oberstempel 131 eingebracht. Auf diese Weise wird, wie in den 17–20 dargestellt für das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, dass sich der Anfangshohlraum 172 während des Umformvorgangs entlang der Wandfläche des Vorformlings 2 bewegt und sein zur Verfügung stehendes Volumen verändert. Somit wird einerseits ein Ausknicken der Wand des dünnwandigen Vorformlings 2 vermieden als auch andererseits der benötigte Volumenfluss zur Ausbildung der Struktur im Hohlraum zu kurzen Fließwegen optimiert, da beispielsweise nicht das vollständige Material über die gesamte Wandhöhe x des Vorformlings transportiert werden muss. Durch ähnliche Reibverhältnisse auf beiden Seiten des Hohlraums verbessert sich zudem die Formfüllung. Eine dynamische Vergrößerung des Hohlraums wird bei entsprechender Anpassung der Kraftparameter der jeweiligen Federballaste erreicht.
Die Bewegungssteuerung der beweglichen Werkzeugelemente in den 3–5, 6–8 und 13–20 kann neben den hier dargestellten Anschlägen, Federballasten, Verdrängerstiften, Druckbolzen und Gegenhaltern alternativ auch durch Antriebsachsen, Ziehkissen oder andere Kraft- oder Weg-Aktoren erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: flächiger Rohling
2: Vorformling
3: Wandhöhe x
4: Wandstärke t1
5: Wand
6: Napfform
7: Bodenteil
8: Öffnung
9: Segmentschnitt, L-Form/U-förmige Querschnittssymmetrie
10: Bauteil
11: Träger
12: Trägerfläche
13: Struktur (z. B. Zähne und/oder Aufdickung)
14: Zähne
20: Zahnbreite b
21: Wandstärke des Trägers t2
22: Zahnhöhe h
29: Umformanlage
30: Werkzeug
31: Oberstempel
32: Unterstempel
33: Umformkraft
34: Umformkraft
35: Symmetrieachse
36: Bewegungsrichtung nach unten
37: Bewegungsrichtung nach oben
40: Außenwandfläche
41: Innenwandfläche
42: Innenwandstützkörper
43: Oberkante der Wand
44: Außenwandstützkörper
45: Matrizenhohlraum
46: radiale Richtung
47: Anschlag für Aufwärtsbewegung des Außenwandstützkörpers
48: Druckbolzen oben
49: Druckbolzen unten
50: Stauchprozess
51: durch die Umformung verdrängtes Material
52: Druckring
53: Matrizenkörper
54: Höhe des Matrizenhohlraums
55: Volumen des Matrizenhohlraums
60: Werkzeug
61: Oberstempel
62: Unterstempel
63: Innenwandstützkörper
64: Matrizenhohlraum
65: Anfangshöhe des Matrizenhohlraums
66: Außenwandstützkörper
67: Federballast
70: Federballast
71: Endhöhe des Matrizenhohlraums
100: Bauteil
101: Außenverzahnung
102: Wand
103: Nut für Passfeder
105: elliptische Bauteile
110: Bauteil
111: Bauteil
112: Außenverzahnung
113: Außenflansch
114: Innenverzahnung
115: Innenflansch
116: Innenverzahnung
117: Außenverzahnung
130: Werkzeug
131: Oberstempel
132: Unterstempel
133: Innenwandstützkörper
134: Außenwandstützkörper oben
135: Außenwandstützkörper unten
136: Hohlraum
137: Anfangshohlraumhöhe
138: Federballast oben
139: Federballast unten
140: Gegenhalter
141: Gegenhalter
142: Endhohlraumhöhe
170: Federballast
171: Werkzeug

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem aus metallischem Material bestehenden dünnwandigen Vorformling (2), – wobei das Bauteil (10, 100, 105, 110, 111) einen Träger (11) und eine mit dem Träger (11) verbundene, eine Trägerfläche (12) wenigstens teilweise umlaufende Struktur (13) umfasst, – wobei der Vorformling (2) eine Wand (5, 102) mit einer ersten Höhe x (3) und einer ersten, radial gemessenen Wandstärke t1 (4) aufweist, – wobei in einem ersten Schritt der Vorformling (2) zur Umformung in ein Werkzeug (30, 60, 130, 171) eingelegt wird, – wobei das Werkzeug (30, 60, 130, 171) mindestens einen Innenwand-Stützkörper (42, 63, 133) und mindestens einen Außenwand-Stützkörper (44, 66, 134, 135) sowie mindestens einen Oberstempel (31, 61, 131) und mindestens einen Unterstempel (32, 62, 132) zur Ausübung einer Umformkraft (33, 34) umfasst, – wobei in einem zweiten Schritt das Werkzeug (30, 60, 130, 171) derart geschlossen wird, dass der Innenwand-Stützkörper (42, 63, 133) an einer Innenwandfläche (41) des Vorformlings (2) und der Außenwand-Stützkörper (44, 66, 134, 135) an einer Außenwandfläche (40) des Vorformlings (2) anliegend positioniert wird und dass der Vorformling (2) zwischen dem Oberstempel (31, 61, 131) und dem Unterstempel (32, 62, 132) eingeschlossen wird, – wobei in einem dritten Schritt der Vorformling (2) durch eine Krafteinwirkung der Stempel (31, 32, 61, 62, 131, 132) zu dem Bauteil (10, 100, 105, 110, 111) umgeformt wird, – wobei das Werkzeug (30, 60, 130, 171) hierzu wenigstens einen Matrizenhohlraum (45, 64) zur Aufnahme von durch die Umformung verdrängtem Material (51) des Vorformlings (2) aufweist, – wobei während der Umformung die Wand (5, 102) des Vorformlings (2) von der ersten Höhe x (3) auf eine zweite, kleinere Höhe b (20) gestaucht wird und dabei Material der Wand (5, 102) des Vorformlings (2) den mindestens einen Matrizenhohlraum (45, 64) im Wesentlichen füllt, – wobei eine entsprechend radial gemessene Wandstärke t2 (21) des entstehenden Bauteils (10, 100, 105, 110, 111) gegenüber der ersten Wandstärke t1 (4) des Vorformlings (2) wenigstens konstant bleibt oder zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Vorbereitungsschritt durch Umformen, vorzugsweise Tiefziehen aus einem flächigen Rohling (1), vorzugsweise einem Blech der Vorformling (2) hergestellt wird, welcher im Segmentschnitt vorzugsweise eine L-Form, insbesondere eine U-förmige Querschnittsymmetrie (9), vorzugsweise eine Napfform (6) aufweist, wobei die Napfform (6) als elliptischer, kreisrunder oder unregelmäßiger Körper mit der umlaufenden Wand (5, 102) und einem vorzugsweise nicht vollständig geschlossenen Boden (7) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling (2) vor und/oder während der Umformung erwärmt wird, um eine Halbwarmumformung oder Warmumformung vorzunehmen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Umformung die Position mindestens eines Wand-Stützkörpers (42, 44, 63, 66, 133, 134, 135) relativ zu einer Bodenfläche oder einer Stirnfläche des Vorformlings (2) ortsfest gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Umformung die Position mindestens eines, an den Matrizenhohlraum (45, 64) angrenzenden Wand-Stützkörpers (42, 44, 63, 66, 133, 134, 135) relativ zu einer Bodenfläche oder einer Stirnfläche des Vorformlings (2) verändert wird, vorzugsweise der Wandstützkörper (42, 44, 63, 66, 133, 134, 135) eine Bewegung parallel und in Relation zur Bewegung mindestens eines Stempels (31, 32, 61, 62, 131, 132) ausführt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umformung der Oberstempel (31, 61, 131) ortsfest gehalten und der Unterstempel (32, 62, 132 mit dem Vorformling (2) bewegt, und der Vorformling (2) gegen den Oberstempel (31, 61, 132) gepresst wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umformung der Unterstempel (32, 62, 132) ortsfest gehalten und der Oberstempel (31, 61, 131), vorzugsweise in Form eines Druckrings (52) bewegt wird, und der Vorformling (2) gegen den Unterstempel (32, 62, 132) gepresst wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Umformung mindestens ein Matrizenhohlraum (45, 64) eine Bewegung in Relation zu einer Bewegung einer Oberkante der Wand (5, 102) des sich verformenden Vorformlings (2) ausführt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (55) mindestens eines Matrizenhohlraums (45, 64) während der Umformung, vorzugsweise dessen Höhe (54) vergrößert wird.
Werkzeug zur umformtechnischen Herstellung eines Bauteils nach einem Verfahren gemäß den vorangegangenen Ansprüchen 1 bis 9, umfassend: – einen Aufnahmeraum mit einer Raumhöhe und einer Raumstärke zur vollständigen Aufnahme eines Vorformlings (2) mit einer Wandhöhe x (3) und einer radial gemessenen Wandstärke t1 (4), – mindestens einen Innenwand-Stützkörper (42, 63, 133) zur Abstützung einer Innenwandfläche (41) des Vorformlings (2), mindestens einen Außenwand-Stützkörper (44, 66, 134, 135) zur Abstützung einer Außenwandfläche (40) des Vorformlings (2), – mindestens einen als Erweiterung des Aufnahmeraums ausgebildeten Matrizenhohlraum (45, 64) mit einer zur Raumhöhe parallel verlaufenden Hohlraumhöhe (54), – mindestens einen Oberstempel (31, 61, 131) und mindestens einen Unterstempel (32, 62, 132) zur Ausübung einer Umformkraft (33, 34) zur Ausführung eines Umformvorgangs durch Verringerung der Raumhöhe des Aufnahmeraums und Verdrängung von Wandmaterial (51) des Vorformlings (2) in den Matrizenhohlraum (45, 64), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zu Beginn der Umformung bei geschlossenem Werkzeug (30, 60, 130, 171) das Verhältnis der Raumhöhe des Aufnahmeraums bzw. der Wandhöhe x (3) des Vorformlings (2) zur Wandstärke t1 (4) des Vorformlings (2) größer 2,3 ist.
Werkzeug (30, 60, 130, 171) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Matrizenhohlraumhöhe (54) zu Beginn der Umformung zur Wandstärke t1 (4) des eingelegten Vorformlings (2) kleiner 10, vorzugsweise kleiner 5 insbesondere kleiner als 2,3 ist.
Werkzeug (30, 60, 130, 171) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (30, 60, 130, 171) eine Matrize umfasst, an welcher der Matrizenhohlraum (45, 64) ausgebildet ist, wobei die Matrize insbesondere durch den Innenwand-Stützkörper (42, 63, 133) gebildet ist und/oder wobei die Matrize insbesondere durch den Außenwand-Stützkörper (44, 66, 134, 135) gebildet ist und/oder wobei die Matrize durch einen insbesondere separaten Matrizenkörper (53) zumindest teilweise gebildet ist.
Werkzeug (30, 60, 130, 171) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrizenhohlraum (45, 64) während der Umformung, vorzugsweise in seiner Höhe (54) vergrößert wird, wobei die Vergrößerung durch Bewegung mindestens eines Begrenzungselements des Matrizenhohlraums (45, 64) erfolgt und diese Bewegung aufgrund einer Verdrängung durch eindringendes Material (51) des Vorformlings (2) und/oder durch aktives Verfahren des mindestens einen Begrenzungselements erfolgt.
Durch Umformung mit einem Werkzeug (30, 60, 130, 171) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 und/oder einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 9 hergestelltes mechanisches Bauteil (10, 100, 105, 110, 111) mit einem Träger (11) und einer, eine Trägerfläche (12) zumindest teilweise umlaufende Struktur (13) wobei die Struktur (13) durch Querfließpressen bzw. einen Stauchprozess (50) einer Wand (5, 102) eines aus Blech hergestellten Vorformlings (2), ausgehend von der Form des Vorformlings (2) erzeugt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die gestauchte Wand (5, 102) des Vorformlings (2) vor dem Stauchen eine Wandhöhe x (3) von mehr als dem 2,3 fachen ihrer Wandstärke t1 (4) besitzt.
Bauteil (10, 100, 105, 110, 111) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke x (3) des Bauteils (10, 100, 105, 110, 111) größer oder gleich der Wandstärke t1 (4) des Vorformlings (2) ist.