DE102011104840A1 - Method for performing ultrasonic punching of workpiece e.g. plastic bumper, involves inserting workpiece into opening formed in workpiece supporting unit, by using punching tool with usage of ultrasound - Google Patents

Method for performing ultrasonic punching of workpiece e.g. plastic bumper, involves inserting workpiece into opening formed in workpiece supporting unit, by using punching tool with usage of ultrasound Download PDF

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Abstract

The method involves inserting a workpiece (W) into an opening (20) formed in a workpiece supporting unit (16), by using a punching tool (12) with the usage of ultrasound. The workpiece supporting unit is subjected to ultrasonic vibrations. A sonotrode is used as the workpiece supporting unit. An embossing element (18) is used with the workpiece supporting unit. Pressurized air is passed from the workpiece supporting unit for removing the punching residue. An independent claim is included for apparatus for performing ultrasonic punching of workpiece.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschallstanzen nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The present invention relates to a method and a device for ultrasonic blanking according to the preamble of the independent claims.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der DE 101 44 136 B4 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren und dieser bekannten Vorrichtung wird der Stanzstempel mit dem daran befindlichen Werkzeug mit einer Vorschubkraft in Richtung des Werkstücks bewegt, wobei das Werkzeug als Sonotroden-Werkzeug ausgebildet ist, so dass durch Aktivieren der Sonotrode ein Stanzen mit Ultraschallunterstützung erfolgen kann.Such a method and such a device are known from DE 101 44 136 B4 known. In this known method and this known device, the punch is moved with the tool located thereon with a feed force in the direction of the workpiece, wherein the tool is designed as a sonotrode tool, so that by activating the sonotrode punching can be done with ultrasound support.

Nachteilig bei dem bekannten Verfahren bzw. der bekannten Vorrichtung ist, dass die Vorschubkraft beim Stanzen gegenüber einer Bearbeitung ohne die Verwendung von Ultraschall nur geringfügig reduziert ist, so dass mit hohen Vorschubkräften gearbeitet werden muss, was in mehrfacher Hinsicht unerwünscht ist.A disadvantage of the known method or the known device is that the feed force during punching compared to a machining without the use of ultrasound is only slightly reduced, so that you have to work with high feed forces, which is undesirable in several respects.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschallstanzen zu schaffen, mit denen bei verbesserter Stanzqualität mit stark reduzierten Vorschubkräften gearbeitet werden kann.It is the object of the present invention to provide a method and a device for ultrasonic punching, which can be used with greatly reduced feed forces with improved punching quality.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch, dass die Werkstückauflage mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird. Erfindungsgemäß erfolgt die Ultraschallunterstützung von Seiten der Werkstückauflage, d. h. von der Unterseite und nicht von der Sichtseite des Werkstücks her. Dies hat nicht nur zur Folge, dass hervorragende Stanzkanten erzielt werden können. Vielmehr ist es auch möglich, mit drastisch reduzierten Vorschubkräften zu arbeiten. Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt, dass durch Beaufschlagen der Werkstückauflage mit Ultraschallschwingungen qualitativ verbesserte Stanzkanten mit drastisch verringerten Vorschubkräften – verglichen mit einer Bearbeitung ohne die Verwendung von Ultraschall – erzielt werden können.The solution of this object is achieved in a method according to the preamble of claim 1, characterized in that the workpiece support is subjected to ultrasonic vibrations. According to the invention, the ultrasound support takes place from the side of the workpiece support, d. H. from the bottom and not from the visible side of the workpiece. This not only means that excellent punching edges can be achieved. Rather, it is also possible to work with drastically reduced feed forces. Surprisingly, it has been found that by applying the workpiece support with ultrasonic vibrations qualitatively improved punching edges with drastically reduced feed forces - compared to a machining without the use of ultrasound - can be achieved.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.An advantageous embodiment of the invention is described in the description, the drawings and the subclaims.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann nur die Werkstückauflage, nicht aber der Stanzstempel mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt werden. Dies hat den Vorteil, dass nur diejenige Seite des Werkstücks mit Ultraschall beaufschlagt wird, die der Sichtseite abgewandt ist, da üblicherweise das Stanzwerkzeug auf die Sichtseite des Werkstücks, beispielsweise eines Stoßfängers, aufgebracht wird. Durch diese erfindungsgemäße Verfahrensvariante erfolgt somit ein thermoplastisches Erweichen des üblicherweise aus Kunststoff bestehenden Werkstücks nur von dessen Unterseite her, so dass an der Oberseite, d. h. an der Sichtseite, einwandfreie Stanzkanten erzielt werden können.According to a first advantageous embodiment, only the workpiece support, but not the punch can be subjected to ultrasonic vibrations. This has the advantage that only that side of the workpiece is subjected to ultrasound, which faces away from the visible side, since usually the punching tool is applied to the visible side of the workpiece, for example a bumper. As a result of this variant of the method according to the invention, a thermoplastic softening of the workpiece, which usually consists of plastic, thus takes place only from its underside, so that on the upper side, i. H. on the visible side, perfect punching edges can be achieved.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann als Werkstückauflage eine Sonotrode Anwendung finden. Die Sonotrode kann auf an sich bekannte Art und Weise Ultraschallschwingungen erzeugen, wobei die Sonotrode in diesem Fall eine Doppelfunktion erfüllt, indem sie gleichzeitig als Werkstückauflage dient. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem die Sonotrode und die Werkzeuge üblicherweise zwei verschiedene Bauteile sind, sind jedoch erfindungsgemäß Sonotrode und Werkstückauflage als ein einziges integriertes Bauteil vorgesehen.According to a further advantageous embodiment, a sonotrode can be used as a workpiece support. The sonotrode can generate ultrasonic vibrations in a manner known per se, the sonotrode in this case fulfilling a dual function by simultaneously serving as a workpiece support. In contrast to the prior art, in which the sonotrode and the tools are usually two different components, however, according to the invention sonotrode and workpiece support are provided as a single integrated component.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine Werkstückauflage mit einem Prägeelement vorgesehen werden, so dass nicht nur an der Sichtseite des Werkstücks sondern auch an der der Sichtseite gegenüberliegenden Seite eine gewünschte Konturierung der herzustellenden Öffnung vorgesehen werden kann.According to a further advantageous embodiment, a workpiece support can be provided with an embossing element, so that a desired contouring of the opening to be produced can be provided not only on the visible side of the workpiece but also on the side opposite the visible side.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein beim Stanzen entstehender Stanzrest mittels Druckluft aus der Werkstückauflage entfernt werden. Hierzu kann es vorteilhaft sein, in der Werkstückauflage eine Ausnehmung für den Stanzrest vorzusehen, die mit einem Druckluftanschluss in Verbindung steht. Bei Verwendung einer Sonotrode als Werkstückauflage wird somit in der Sonotrode ein Druckluftkanal vorgesehen, um den Stanzrest aus der Ausnehmung auszutreiben.According to a further advantageous embodiment, a stamping residue arising during punching can be removed by means of compressed air from the workpiece support. For this purpose, it may be advantageous to provide a recess for the punching residue in the workpiece support, which is in communication with a compressed air connection. When using a sonotrode workpiece support thus a compressed air channel is provided in the sonotrode to expel the punching residue from the recess.

Alternativ ist es natürlich möglich, den Stanzrest auch auf andere Art und Weise zu entfernen, beispielsweise durch Greifer, Saugeinrichtung oder dergleichen.Alternatively, it is of course possible to remove the punching residue in other ways, for example by gripper, suction device or the like.

Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn nur die Werkstückauflage, jedoch nicht der Stanzstempel mit Ultraschall beaufschlagt wird, da in diesem Fall die besonders hohen Qualitätsanforderungen unterliegende Sichtseite des Werkstücks nicht erwärmt oder aufgeschmolzen wird. Dennoch wird durch die Ultraschallbeaufschlagung der Werkstückauflage eine erhebliche Reduzierung der Stanzkräfte erzielt, indem in das Werkstück von seiner Unterseite her Ultraschallenergie eingebracht wird.It may be particularly advantageous if only the workpiece support, but not the punch is subjected to ultrasound, since in this case, the particularly high quality requirements underlying visible side of the workpiece is not heated or melted. Nevertheless, a substantial reduction of the punching forces is achieved by the ultrasound application of the workpiece support by ultrasonic energy is introduced into the workpiece from its underside.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.Hereinafter, the present invention will be described purely by way of example with reference to an advantageous embodiment with reference to the drawing.

Die beigefügte Figur zeigt rein schematisch und vereinfacht eine Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Ultraschallstanzen. The attached figure shows purely schematically and simplified a sectional view through an apparatus for ultrasonic blanking.

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung zum Ultraschallstanzen eines Werkstücks W, beispielsweise eines Stoßfängers aus Kunststoff, umfasst einen Stanzstempel 10, der an seinem unteren Ende mit einem Stanzwerkzeug 12 versehen ist, das auf bekannte Weise eine Stanzkontur 14 aufweist. Der Stanzstempel 10 ist mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Vorschubeinrichtung, beispielsweise mit Hilfe eines Hydraulik- oder Pneumatikzylinders, in Richtung des Werkstücks W zustellbar.The device shown in the figure for ultrasonic punching a workpiece W, for example, a bumper made of plastic, comprises a punch 10 , which at its lower end with a punching tool 12 is provided, in a known manner a punching contour 14 having. The punch 10 is undeliverable by means of a feed device, not shown, for example by means of a hydraulic or pneumatic cylinder, in the direction of the workpiece W.

Die Vorrichtung weist ferner eine Werkstückauflage auf, die erfindungsgemäß als Matrize in Form einer Sonotrode 16 ausgebildet ist. Diese Sonotrode steht auf übliche Weise mit einem Ultraschallgenerator in Verbindung und erzeugt die zum Erwärmen des Werkstücks erforderlichen Ultraschallschwingungen.The device further comprises a workpiece support, which according to the invention as a die in the form of a sonotrode 16 is trained. This sonotrode is in the usual way with an ultrasonic generator in conjunction and generates the required for heating the workpiece ultrasonic vibrations.

Erfindungsgemäß wird durch die als Sonotrode ausgebildete Werkstückauflage 16 nur die Werkstückauflage, nicht aber der Stanzstempel 10 mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt. Somit wird das Werkstück W auch nicht von der Sichtseite S sondern nur von der der Sichtseite S gegenüberliegenden Seite her erwärmt und geschmolzen.According to the invention is formed by the designed as a sonotrode workpiece support 16 only the workpiece support, but not the punch 10 subjected to ultrasonic vibrations. Thus, the workpiece W is not heated and melted from the visible side S but only from the opposite side of the viewing side S.

Die Sonotrode 16 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an der Oberseite eine Prägekontur 18 auf, die es ermöglicht, die in das Werkstück W eingebrachte Öffnung 20 auch an der Unterseite mit einer gewünschten Profilierung 22 zu versehen.The sonotrode 16 has in the illustrated embodiment, at the top of a stamping contour 18 on, which allows the introduced into the workpiece W opening 20 also at the bottom with a desired profiling 22 to provide.

Weiterhin ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Sonotrode 16 eine Stanzrestaufnahme 24 in Form einer Bohrung vorgesehen, in welcher der aus dem Werkstück W ausgestützte Stanzrest 26 aufgenommen werden kann. Um diesen Stanzrest 26 wieder aus der Sonotrode 16 zu entfernen, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Stanzrestaufnahme 24 mit einer weiteren Bohrung 28 verbunden, die mit einem Druckluftanschluss für Druckluft D in Verbindung steht. Auf diese Weise kann mit Hilfe von Druckluft der Stanzrest 26 wieder aus der Stanzrestaufnahme 24 ausgebracht werden.Furthermore, in the illustrated embodiment in the sonotrode 16 a punching residue recording 24 provided in the form of a bore, in which the supported from the workpiece W punching residue 26 can be included. To this punching rest 26 again from the sonotrode 16 to remove is in the illustrated embodiment, the punch residue recording 24 with another hole 28 connected to a compressed air connection for compressed air D. In this way, with the help of compressed air, the punching residue 26 again from the stamping remainder 24 be applied.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ultraschallstanzen wird das Werkstück W zunächst auf die Werkstückauflage, d. h. auf die Sonotrode 16 aufgelegt. Aschließend werden der Stanzstempel 10 und die Werkstückauflage 16 relativ zueinander aufeinander zu bewegt, wobei es vorteilhaft sein kann, hier nur den Stanzstempel 10 und nicht die Werkstückauflage 16 zu bewegen. Gleichzeitig oder vorher wird die Sonotrode aktiviert, so dass die Unterseite des Werkstücks W mit Ultraschallschwingung beaufschlagt wird, so dass ein Erwärmen des aus Kunststoff bestehenden Werkstücks von dessen Unterseite her erfolgt. Von der nicht oder nur äußerst geringfügig erwärmten Sichtseite S kann anschließend das Werkzeug 12 des Stanzstempels 10 in das Werkstück eindringen, so dass in dem Werkstück W die Öffnung 20 mit der gewünschten Konturierung sowohl an der Oberseite der Öffnung wie auch an der Unterseite der Öffnung eingebracht ist. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt also ein Hybridverfahren dar, welches das Kaltstanzen (an der Sichtseite des Werkstücks) und das Ultraschallstanzen (an der Unterseite des Werkstücks) zu einem gemeinsamen Prozess kombiniert.In the method according to the invention for ultrasonic punching, the workpiece W is first placed on the workpiece support, ie on the sonotrode 16 hung up. Finally, the punch 10 and the workpiece support 16 moved relative to each other, where it may be advantageous, here only the punch 10 and not the workpiece support 16 to move. At the same time or beforehand, the sonotrode is activated, so that the lower side of the workpiece W is subjected to ultrasound vibration, so that heating of the workpiece made of plastic takes place from its lower side. From the not or only slightly heated side view S can then the tool 12 of the punch 10 penetrate into the workpiece, so that in the workpiece W, the opening 20 is introduced with the desired contouring both at the top of the opening and at the bottom of the opening. Thus, the method according to the invention represents a hybrid method, which combines the cold punching (on the visible side of the workpiece) and the ultrasonic punching (on the underside of the workpiece) to form a common process.

Anschließend werden Stanzstempel 10 und Werkstückauflage 16 wieder voneinander wegbewegt, das Werkstück W wird entfernt und der Stanzrest 26 wird aus der Stanzrestaufnahme 24 mit Hilfe von Druckluft D ausgeblasen.Subsequently, punching punches 10 and workpiece support 16 moved away from each other again, the workpiece W is removed and the punching residue 26 gets out of the stamping remainder 24 blown out with the help of compressed air D.

Eine vorteilhafte Amplitude für die Ultraschallschwingungen liegt zwischen 1 und 100 μm, insbesondere zwischen 1 und 50 μm. Ein vorteilhafter Frequenzbereich liegt zwischen etwa 20 und 70 kHz. Versuche haben sehr vorteilhafte Ergebnisse mit einer Amplitude von etwa 20 μm bei einer Frequenz von etwa 35 kHz gezeigt.An advantageous amplitude for the ultrasonic vibrations is between 1 and 100 μm, in particular between 1 and 50 μm. An advantageous frequency range is between about 20 and 70 kHz. Experiments have shown very advantageous results with an amplitude of about 20 microns at a frequency of about 35 kHz.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10144136 B4 [0002] DE 10144136 B4 [0002]

Claims (10)

Verfahren zum Ultraschallstanzen eines Werkstücks, bei dem mit Unterstützung von Ultraschall durch einen mit einem Werkzeug versehenen Stanzstempel eine Öffnung in ein auf einer Werkstückauflage befindliches Werkstück eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückauflage mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird.Method for ultrasonic blanking of a workpiece, in which with the assistance of ultrasound through an opening provided with a tool punch an opening is placed in a work piece located on a workpiece support, characterized in that the workpiece support is subjected to ultrasonic vibrations. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Werkstückauflage, nicht aber der Stanzstempel mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird.A method according to claim 1, characterized in that only the workpiece support, but not the punch is subjected to ultrasonic vibrations. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstückauflage eine Sonotrode verwendet wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that a sonotrode is used as workpiece support. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkstückauflage mit einem Prägeelement verwendet wird. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a workpiece support is used with a stamping element. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stanzrest mittels Druckluft aus der Werkstückauflage entfernt wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a punching residue is removed by means of compressed air from the workpiece support. Vorrichtung zum Ultraschallstanzen eines Werkstücks (W), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen mit einem Werkzeug (12) versehenen Stanzstempel (10), eine Werkstückauflage (16) und eine Einrichtung zur Erzeugung von Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückauflage (16) eine Sonotrode ist.Device for ultrasonically punching a workpiece (W), in particular for carrying out a method according to at least one of the preceding claims, comprising a tool ( 12 ) provided punches ( 10 ), a workpiece support ( 16 ) and a device for generating ultrasound, characterized in that the workpiece support ( 16 ) is a sonotrode. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einrichtung zur Erzeugung von Ultraschall nur die Werkstückauflage (16), nicht aber der Stanzstempel (10) mit Ultraschallschwingungen beaufschlagbar ist.Apparatus according to claim 6, characterized in that by the means for generating ultrasound only the workpiece support ( 16 ), but not the punch ( 10 ) can be acted upon by ultrasonic vibrations. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (16) eine Stanzrestaufnahme (24) aufweist.Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that the sonotrode ( 16 ) a punch residue recording ( 24 ) having. Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (16) mit einem Prägeelement (18) versehen ist.Device according to at least one of the preceding claims 6-8, characterized in that the sonotrode ( 16 ) with an embossing element ( 18 ) is provided. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stanzrestaufnahme (24) mit einem Druckluftanschluss (D) in Verbindung steht.Apparatus according to claim 8, characterized in that the punch residue recording ( 24 ) communicates with a compressed air connection (D).
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