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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Tiefziehen von Blechzuschnitten (Ronden, Folien, Platten, Tafeln, Platinen).
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Tiefziehen ist nach DIN 8584 das Zugdruckumformen eines Blechzuschnitts in einen einseitig offenen Hohlkörper oder eines vorgezogenen Hohlkörpers in einen solchen mit geringerem Querschnitt ohne gewollte Veränderung der Blechdicke.
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Das Tiefziehen zählt bei der Kleinserien- wie bei der Massenfertigung zu den wirtschaftlich bedeutendsten Blechumformverfahren. Beim Tiefziehen mit Formwerkzeugen wird die notwendige Umformkraft mit Hilfe eines Stempels auf den Boden des zu fertigenden Tiefziehteiles aufgebracht. Dabei wird mit dem Stempel der Blechzuschnitt durch den formgebenden Ziehring bzw. die Matrize gezogen. Der Niederhalter, der unter einem definierten Druck auf dem Blechzuschnitt wirkt, soll die Faltenbildung am Tiefziehteil verhindern.
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Aufgrund der starken Reibung zwischen dem Blechzuschnitt, dem Niederhalter und der Ziehmatrize werden regelmäßig Schmierstoffe, wie Aqua-Form oder Raziol eingesetzt. Dazu müssen die zu bearbeitenden Blechzuschnitte vorab mit dem Schmiermittel benetzt und nach dem Abschluss des Umformprozesses aufwendig gereinigt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Niederhalter bekannt, die eine Ziehwulst oder Bremswulst aufweisen, um die Wirkung des Niederhalters zu verbessern. Entsprechende sinngemäße Darstellungen sind bspw. der
US 2009/ 0 049 886 A1 oder den Lehrbüchern von Jahnke oder Lange zu entnehmen.
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Dabei ist bei der Umformung rotationssymmetrischer Werkstücke die Ziehwulst eine kreisringförmige, auskragende, durchgehende Leiste im Niederhalter, die einen gleichbleibenden Abstand zur Ziehkante aufweist, die aus der planen Oberfläche des Niederhalters ausragt, wobei in der Ziehmatrize als Gegenstück eine formideale Ausnehmung eine Ziehsicke in Form einer umlaufenden, durchgehenden Ringnut angeordnet ist.
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Bei der Umformung rechteckiger Querschnittsformen wird die Ziehwulst aus auskragenden, geradlinig verlaufenden Leisten im Niederhalter gebildet, deren Länge im Wesentlichen der Bauteilgröße entspricht, wobei in der Ziehmatrize als Gegenstück formideale Ausnehmungen in Form durchgehenden Nuten angeordnet sind.
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Beim Tiefziehvorgang rotationssymmetrischer Werkstücke drückt die kreisringförmige Ziehwulst auf den darunterliegenden Bereich des Blechzuschnittes und zwingt den Werkstoff zu einer Fließbewegung in das muldenförmige Gegenstück in der Ziehmatrize, bevor das Material über den Ziehring in die endgültige Form gezogen wird. Eine entsprechende Vorrichtung wird bspw. in der
DE 24 50 624 A1 offenbart.
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1 zeigt ein Tiefziehwerkzeug mit Bremsring nach dem Stand der Technik.
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Der linke Teil der Abbildung zeigt in einer geschnitten Darstellung den Niederhalter 1 mit einer umlaufenden, durchgehenden Ringnut 5a.
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Der darunter angeordnete Ziehring 3 weist an gleicher Position eine kreisringförmige, durchgehende Leiste 5b (Ziehsicke) auf. Der Stempel 4 befindet sich in der Ausgangsposition vor dem Umformvorgang und berührt die Oberfläche des Blechzuschnittes 2.
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Der rechte Teil der Abbildung von 1 zeigt in einer geschnittenen Darstellung den Beginn des Umformvorganges. Der Niederhalter 1 drückt dabei auf den Blechzuschnitt 2. Gleich-zeitig bewegt sich der Stempel 4 nach unten und zieht den Blechzuschnitt 2 über den Zieh-ring 3. Durch den Anpressdruck des Stempels 4 fließt der Werkstoff des Blechzuschnittes 2 zwischen der kreisringförmigen, durchgehenden Leiste 5b im Ziehring 3 und der senkrecht fluchtend darüber angeordneten, umlaufenden, durchgehenden Ringnut 5b im Ziehring 3 hin-durch. Zur Verdeutlichung ist am rechten Bildrand von 1 ein Ausschnitt des Bereiches zwischen Niederhalter 1, Blechzuschnitt 2 und Ziehring 3 mit der kreisringförmigen, durchgehenden Leiste 5b im Ziehring 3 und der senkrecht darüber angeordneten, umlaufenden, durchgehenden Ringnut 5a im Niederhalter 1 vergrößert dargestellt.
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Durch den Einsatz der Zieh- oder Bremswulst wird der Werkstofffluss bereichsweise gesteuert. Nachteilig daran sind die vergleichsweise großen Umformkräfte, die Notwendigkeit des Einsatzes von Schmiermitteln und die höhere Gefahr des Bauteilversagens durch Bodenreißer.
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Die
DE 195 04 264 A1 offenbart die rillierte Gestaltung der Anlageflächen des Klemmrahmens. Dabei weist das Umformwerkzeug eine Anlagefläche auf, die wenigstens zwei durchgehende Wülste und in der gegenüberliegenden Anlagefläche entsprechend viele durchgehende Rillen besitzt. Damit geht die
DE 195 04 264 A1 nicht über den Offenbarungsgehalt der
DE 24 50 624 A1 hinaus.
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In der
US 6 196 043 B1 „Double Vee lockbead for sheet metal forming“ wird der Einsatz V-förmiger Ziehsicken (lockbeads) zur Steuerung des Werkstoffflusses bei der Blechumformung offenbart. Diese „lockbeads“ bilden eine oder mehrere durchgehende Ziehsicken parallel zum Platinenzuschnitt.
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Gegenstand der
DE 28 28 431 A1 ist eine Tiefziehvorrichtung, bei der das zu bearbeitende Blechteil zwischen einem ersten und einem zweiten Halter (Niederhalter und Matrix) geklemmt wird. Dabei weist der erste Halter an seiner Haltefläche eine Ausnehmung und der zweite einen hydraulisch oder pneumatisch bedienbaren Zapfen auf. Der Zapfen kann während des Schließens der Halter bzw. während des Tiefziehprozesses mit einem variablen Druck beaufschlagt werden. Der Zapfen liegt dabei der Ausnehmung gegenüber. Bevorzugt ist die Ausnehmung als Nut ausgeführt. Die
DE 28 28431 A1 sieht es als erfindungswesentlich an, dass jedem Zapfen eine Ausnehmung gegenüberliegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die es ermöglicht, das zu fertigende Teilespektrum deutlich zu vergrößern, um neue Anwendungsgebiete zu erschließen bzw. bestehende Prozessgrenzen zu verschieben.
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Daneben soll durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auf den Einsatz von Schmiermitteln weitestgehend verzichtet werden, um die Kosten für die Hilfsstoffe, die Vor- und Nachbehandlung der Blechzuschnitte bzw. der umgeformten Tiefziehteile und damit die Umweltbelastung zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Vorzugsweise Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche 2 bis 11.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die notwendige Umformkraft über einen Ziehstempel auf den Blechzuschnitt aufgebracht. Die Fließbewegung des umzuformenden Werkstückes wird durch einen Niederhalter in Verbindung mit einem Ziehring gesteuert.
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Niederhalter und Ziehring / Matrize weisen in dem Bereich des Bauteilflansches mehrere auskragende, zueinander beabstandete Formelemente auf. Dabei sind die Formelemente des Niederhalters und des Ziehrings / der Matrize zueinander fluchtend oder versetzt angeordnet.
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Durch die auskragenden, beabstandeten und quasi punktförmig wirkenden Formelemente wird im Flanschbereich des Tiefziehwerkzeuges die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück im Vergleich zu bekannten Zieh- und Bremswülsten signifikant verkleinert.
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Bei einer versetzten Anordnung der Formelemente des Niederhalters und des Ziehrings bzw. der Matrize erfährt das umzuformende Blech eine Wechselbiegung in radialer und tangentialer Richtung, die es gegen eine Faltenbildung infolge der gezielten Erhöhung der stabilisiert und damit eine Faltenbildung, verhindert.
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Bei einer alternativen, in Richtung der Stempelbewegung fluchtenden Anordnung der Formelemente des Niederhalters und des Ziehrings bzw. der Matrize wird das umzuformende Blech beidseitig an den gleichen Berührungspunkten geführt. Dadurch wird die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück minimiert.
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Bei einer weiteren, gleichfalls bevorzugten Ausgestaltung sind einzelne Formelemente des Niederhalters und des Ziehrings bzw. der Matrize in Stempelvorschubrichtung fluchtend zueinander und andere Formelemente des Niederhalters und des Ziehrings bzw. der Matrize in Stempelvorschubrichtung versetzt zueinander angeordnet. Dadurch wird zum einen die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück im Vergleich zu den bekannten Lösungen des Standes der Technik minimiert. Zugleich verhindert die, in Stempelvorschubrichtung partiell versetzte Anordnung von Formelementen des Niederhalters und des Ziehrings bzw. der Matrize die unerwünschte Faltenbildung.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen Formelemente erlaubt nicht nur die energieeffiziente Herstellung von Blechbauteilen unter Verzicht von Schmiermittel, sondern insbesondere die Umformung unregelmäßig gestalteter Bauteile mit erhöhter Prozesssicherheit, d. h. mit vergrößertem Prozessfenster. Hierbei kann der Werkstofffluss durch die fest oder bevorzugt drehbar gelagerten, besonders bevorzugt flexibel positionierbaren Formelemente gezielt gesteuert werden.
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Die Formelemente sind fest oder lösbar mit dem Niederhalter und dem Ziehring / Matrize verbunden. Die Fertigung des Niederhalters und des Ziehrings mit den auskragenden Formelementen erfolgt mit bekannten Verfahren der spanenden Fertigung, wie z. B. durch Fräsen.
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Bevorzugt sind die Formelemente als halbkugel- oder kalottenförmige Auskragungen ausgebildet. Je nach Größe und Geometrie des herzustellenden Werkstückes sind die Formelemente zueinander in definiertem Abstand zueinander fixiert. In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Formelemente einen identischen Abstand zueinander auf, was allerdings nicht zwingend erforderlich ist.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Tiefziehwerkzeug vor dem Umformvorgang, bei dem die Oberfläche des Niederhalters 1 und des Ziehringes / der Matrize 3 in dem Bereich des Bauteilflansches mehrere, gleich beabstandete, distanzierte, feststehende, auskragende Formelemente 6 aufweist, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 berühren.
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Zur Verdeutlichung ist am rechten Bildrand von 2 ein Ausschnitt des Bereiches zwischen Niederhalter 1, Blechzuschnitt 2 und Ziehring 3 mit mehreren, auskragenden, voneinander beabstandeten Formelementen 6 im Niederhalter 1 und im Ziehring 3 vergrößert dargestellt.
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Die auskragenden, feststehenden Formelemente 6 sind auf mehreren konzentrischen Kreisbahnen angeordnet und weisen einen gleichen Abstand zueinander auf.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird der Werkstofffluss durch mehrere, beweglich gelagerte Formelemente 7 gesteuert. Dadurch können die auftretenden Reibkräfte zwischen den vorzugsweise drehbar gelagerten, auskragenden Formelementen 7 am Niederhalter 1 und am Ziehring / der Matrize 3 und der Oberfläche des Blechzuschnittes 2 signifikant reduziert werden.
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In einer weiteren, gleichfalls bevorzugten Ausgestaltung weisen die Formelemente 6, 7 einen unterschiedlichen Abstand zueinander auf. Speziell zur Bearbeitung kompliziert geformter, asymmetrischer Werkstücke weisen die Formelemente 6, 7 in einer weiteren, gleichfalls bevorzugten Ausgestaltung einen unterschiedlichen Abstand zueinander auf, der dem zu erwartenden Spannungsverlauf beim Tiefziehen entspricht. Die Ermittlung der Anordnung der Formelemente 6, 7 und der Abstände zueinander erfolgt mit bekannten analytischen und halbanalytischen Auslegungsmethoden.
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In einer weiteren, gleichfalls bevorzugten Ausgestaltung sind die Formelemente 6, 7 gleichförmig auf mindestens zwei verschiedenen Bahnen 9 angeordnet. Unter einer Bahn 9 wird im Sinne dieser Erfindung eine Linie verstanden, auf der sich die zueinander beabstandeten Formelemente 6, 7 des Niederhalters 1 und des Ziehrings 3 befinden. Dabei sind die Formelemente 6, 7 des Niederhalters 1 und des Ziehrings bzw. der Matrize 3 in Stempelvorschubrichtung (Z-Richtung) fluchtend zueinander oder zueinander versetzt angeordnet.
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In einer weiteren, gleichfalls bevorzugten Variante sind die Formelemente 6, 7 unregelmäßig auf mindestens zwei verschiedenen Bahnen 9 angeordnet.
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3 zeigt im linken Teil der Abbildung in einer geschnittenen Darstellung den Niederhalter 1 mit mehreren, gleich beabstandeten, auskragenden und drehbar gelagerten Form-elementen 7, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 quasi punktförmig berühren.
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Der darunter angeordnete Ziehring 3 weist versetzt angeordnete gleich beabstandete, auskragende und beweglich gelagerte, bevorzugt drehbar gelagerte Formelemente 7 auf, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 berühren. Die beweglich gelagerten Formelemente 7 sind bevorzugt als Kugeln ausgebildet, die partiell aus der Oberfläche des Niederhalters 1 und des Ziehrings 3 auskragen.
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Der Stempel 4 befindet sich in der Ausgangsposition vor dem Umformvorgang und berührt die Oberfläche des Blechzuschnittes 2.
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Der rechte Teil der Abbildung von 3 zeigt in einer geschnittenen Darstellung den Beginn des Umformvorganges. Der Niederhalter 1 drückt mit einem Druck von 2 MPa -10 MPa auf den Blechzuschnitt 2. Gleichzeitig bewegt sich der Stempel 4 nach unten und zieht den Blechzuschnitt 2 über den Ziehring 3. Durch den Anpressdruck des Stempels 4 fließt der Werkstoff des Blech-zuschnittes 2 zwischen den gleich beabstandeten, auskragenden und drehbar gelagerten Formelementen 7 des Niederhalters 1 und den dazu in der x-y-Ebene versetzt angeordneten, auskragenden und drehbar gelagerten Formelementen 7 des Ziehrings 3 hindurch.
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Zur Verdeutlichung ist am rechten Bildrand von 3 ein Ausschnitt des Bereiches zwischen Niederhalter 1, Blechzuschnitt 2 und Ziehring 3 mit den, in der x-y-Ebene zueinander versetzt angeordneten, auskragenden und drehbar gelagerten Formelementen 7 des Niederhalters 1 und des Ziehrings 3 vergrößert dargestellt.
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Die vergrößerte Darstellung zeigt den, durch die auskragenden, beweglich gelagerten Formelemente im Niederhalter 1 und im Ziehring 3 gesteuerten Werkstofffluss des Blechzuschnittes 2.
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Die auskragenden, beweglich gelagerten, vorzugsweise drehbar gelagerten Formelemente 7 am Niederhalter 1 und am Ziehring / der Matrize 3 sind in der x-y-Ebene zueinander versetzt angeordnet. Dadurch kommt es beim Umformprozess zu einer Wechselbiegebelastung des Werkstoffes, wodurch eine Kaltverfestigung des Flanschbereichs und ggf. des Zargenbereichs bewirkt wird.
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Durch die Verwendung der auskragenden Formelemente 7 am Niederhalter 1 und am Ziehring / der Matrize 3 gelingt es, auch kompliziert geformte Bauteile durch Tiefziehen ohne Schmierstoff herzustellen. Ein sonst zu erwartendes Reißen des Blechzuschnittes aufgrund des begrenzten Umformvermögens des Werkstoffes wird durch die, als auskragende Formelemente 7 bevorzugt verwendeten, drehbar gelagerten Kugeln wirksam verhindert.
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Für die Umformung großer und kompliziert geformter Werkstücke werden in einer weiteren, gleichfalls bevorzugten Ausgestaltung feststehende und beweglich gelagerte, vorzugsweise drehbar gelagerte Formelemente 6, 7 am Niederhalter 1 und am Ziehring / Matrize 3 angeordnet. Dadurch können bevorzugt asymmetrische Teile hergestellt werden.
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Neben der Verwendung auskragender Formelemente 6, 7, die als Halbkugeln oder drehbar gelagerte Kugeln ausgebildet sind, wird der Einsatz auskragender Rotationsellipsoide oder Zylinder, die einen Werkstofffluss entlang einer begrenzten Strecke ermöglichen, gleichfalls bevorzugt. Durch die auskragenden Formelemente 6, 7 wird im Flanschbereich des Tiefziehwerkzeuges die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück im Vergleich zu den bekannten Bremswülsten signifikant verkleinern.
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Durch die bevorzugt eingesetzten, beweglich gelagerten Formelemente 7 wird im Vergleich zu den feststehenden Formelementen 6 eine weitere Minderung der Reibkräfte und der daraus resultierenden, notwendigen Ziehkraft erreicht. Zwischen Werkstück und Werkzeug herrscht im Flanschbereich nur noch Rollreibung, die deutlich geringer ist, als die Gleitreibung beim Einsatz feststehender Formelemente.
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Die bevorzugt eingesetzten, beweglich gelagerten, besonders bevorzugt drehbar gelagerten Formelemente 7 sind in zahlreichen verschiedenen Ausführungen hinsichtlich ihrer Bauart, Größe und zulässiger Lastaufnahme einsetzbar. Als Formelemente 7 besonders bevorzugt sind Kugeln, Zylinder, Walzen, Walzenkränze, Kegel, Kegelstumpf oder Tonnen.
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Beim Ziehvorgang mit dem erfindungsgemäßen Tiefziehwerkzeug erfährt das umzuformende Blech eine Wechselbiegung in radialer und tangentialer Richtung, die es gegen eine Faltenbildung infolge der gezielten Erhöhung der stabilisiert und damit eine Prozessinstabilität, wie die Faltenbildung, verhindert. Die Kraft zur Überwindung der Wechselbiegungen im Flanschbereich wird als Rückhaltekraft zur Steuerung des Materialflusses gezielt genutzt.
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4 zeigt in einer geschnittenen Darstellung den Niederhalter 1 mit mehreren, gleich beabstandeten, auskragenden und feststehenden Formelementen 6, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 berühren.
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Der darunter angeordnete Ziehring 3 weist dazu in der x-y-Ebene fluchtend angeordnete gleich beabstandete, auskragende und feststehende Formelemente 6 auf, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 berühren. Diese bevorzugte Ausgestaltung führt zu einer Minimierung der Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück und dadurch zu einer Minimierung der Reibkräfte.
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5 zeigt weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Der linke Teil der Abbildung a) zeigt in einer stark schematisierten, geschnittenen Darstellung den Niederhalter 1 mit mehreren, gleich beabstandeten, auskragenden und fest angeordneten oder drehbar gelagerten Formelementen 6, 7, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 berühren. Der darunter angeordnete Ziehring 3 weist dazu fluchtend angeordnete gleich beabstandete, auskragende, feststehende oder drehbar gelagerte Formelemente 6, 7 auf, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 berühren. Diese bevorzugte Ausgestaltung führt zu einer Minimierung der Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück und dadurch zu einer Minimierung der Reibkräfte.
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5 zeigt in der mittleren Abbildung b) in einer stark schematisierten, geschnittenen Darstellung den Niederhalter 1 mit mehreren, gleich beabstandeten, auskragenden und fest angeordneten oder drehbar gelagerten Formelementen 6, 7, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 berühren. Der darunter angeordnete Ziehring 3 weist dazu versetzt angeordnete, auskragende, feststehende oder drehbar gelagerte Formelemente 6, 7 auf, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 berühren. Diese bevorzugte Ausgestaltung ermöglicht durch die daraus resultierenden Wechselbiegungen eine gezielte Steuerung des Werkstoffflusses und verhindert mögliche Faltenbildungen.
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5 zeigt in der rechten ) in einer stark schematisierten, geschnittenen Darstellung den Niederhalter 1 mit mehreren, unterschiedlich beabstandeten, auskragenden und fest angeordneten oder drehbar gelagerten Formelementen 6, 7, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 berühren.
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Der darunter angeordnete Ziehring 3 weist dazu im linken Bereich fluchtend angeordnete, auskragende, feststehende oder drehbar gelagerte Formelemente 6, 7 auf, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 berühren. Im rechten Bereich weist der Ziehring 3 versetzt angeordnete, auskragende, feststehende oder drehbar gelagerte Formelemente 6, 7 auf, die die Oberfläche des Blechzuschnittes 2 berühren.
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Diese gleichfalls bevorzugte, kombinierte Anordnung von zueinander fluchtenden und versetzt angeordneten Formelemente 6, 7 am bzw. im Niederhalter 1 und am bzw. im Ziehring (Matrize) 3 ermöglicht durch die daraus resultierenden Wechselbiegungen eine gezielte Steuerung des Werkstoffflusses und verhindert mögliche Faltenbildungen. Zugleich werden die auftretenden Reibkräfte im Vergleich zu den bekannten Lösungen des Standes der Technik reduziert.
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Um bei den erfindungsgemäß makrostrukturierten Werkzeugen den Werkstofffluss und die Reibung gezielt einstellen zu können, muss die Werkzeuggeometrie an die Bauteilgeometrie angepasst werden. Die Geometrie der Werkzeuge kann durch die Eintauchtiefe (e), die Stützweite (A) der benachbarten Formelemente, die Ausbildung und Fixierung der Formelemente (feststehende oder beweglich gelagerte Formelemente 6, 7) und die geometrische Anordnung auf bzw. im Niederhalter 1 und dem Ziehring 3 definiert werden. 6 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung die relevanten Werkzeugparameter.
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Die Eintauchtiefe e definiert, wie weit die einzelnen Formelemente in Blechnormalenrichtung penetrieren können. Die Stützweite λ definiert den Abstand zweier benachbarter Formelemente voneinander in der ursprünglich ebenen Blechebene.
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Eine höhere Eintauchtiefe e erhöht aber auch die Rückhaltekraft im Flansch und damit die nötige Ziehkraft, die zum Bauteilversagen in Form eines Bodenreißer führen kann. Dementsprechend können die Eintauchtiefe e und Stützweite λ bezüglich der Bauteilgeometrie lokal gezielt variiert werden, um einen homogenen Werkstofffluss im Flanschbereich einzustellen und Bauteilversagen durch Bodenreißer zu verhindern.
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Gegenüber dem konventionellen Tiefziehprozess, bei dem in der Regel der Niederhalter kraftgesteuert ist, wird beim Tiefziehen mit den erfindungsgemäßen, makrostrukturierten Werkzeugen der Abstand zwischen Niederhalter und Matrize zur Einstellung der Eintauchtiefe (als Einstellparameter) weggesteuert eingestellt. Dieses kann mit Hilfe eines Distanzrings (auch als Ziehhilfe bekannt) erfolgen.
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7 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung den Distanzring 8 als mechanische Wegbegrenzung beim Anpressen des Niederhalters 1. Der Distanzring 8 bewirkt, dass der Abstand a zwischen den feststehenden Formelementen 6 des angepressten Niederhalters 1 und den feststehenden Formelementen 6 des Ziehrings 3 gleich oder größer als die Blechdicke s des Blechzuschnittes 2 ist.
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8 zeigt in einer schematischen, geschnittenen Draufsicht einen Ausschnitt des Arbeitsbereiches zwischen Niederhalter und Ziehmatrize.
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Die linke Abbildung zeigt vier zueinander gleich beabstandete, drehbar gelagerte, kugelförmige Formelemente 7n des Niederhalters. In der Ziehmatrize ist symmetrisch und versetzt zu den Formelementen 7n ein drehbar gelagertes kugelförmiges Formelement 7z an-geordnet. Eine derartige Anordnung wird bevorzugt zur Herstellung rotationssymmetrischer Werkstücke eingesetzt.
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Die rechte Abbildung zeigt vier zueinander gleich beabstandete, drehbar gelagerte, kugelförmige Formelemente 7n des Niederhalters. In der Ziehmatrize ist asymmetrisch und versetzt zu den Formelementen 7n ein drehbar gelagertes kugelförmiges Formelement 7z angeordnet. Eine derartige Anordnung wird bevorzugt zur Herstellung von Werkstücken ohne Symmetrieachse eingesetzt.
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9 zeigt in einer Draufsicht auf die Ziehmatrize 3 ein erfindungsgemäßes Tiefziehwerkzeug zur Herstellung eines Napfes für wannenförmige Teile (Ölwanne für PKW, Wasch- und Spülbecken).
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Die zueinander beabstandeten Formelemente 6, 7 sind auf drei, zueinander gleich beabstandeten Bahnen 9 angeordnet. Die feststehenden, zylinderförmigen Formelemente 6 kragen aus der Ziehmatrize 3 aus. Die drehbar gelagerten, kugelförmigen Formelemente 7 im Eckbereich des Napfes reduzieren in dieser stark beanspruchten Zone die auftretenden Umformspannungen und -kräfte und verhindern ein Reißen des Blechzuschnittes.
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Die mit „W“ gekennzeichneten Pfeile zeigen den Verlauf des Werkstoffflusses.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels wird der Einsatz des erfindungsgemäßen Tiefziehwerkzeuges beim Tiefziehen eines rotationssymmetrischen Napfes mit Kugelstrukturierung des Ziehringes 3 und des Niederhalters 1 näher beschrieben. Der prinzipielle Aufbau des Tiefziehwerkzeuges ist in 3 dargestellt:
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In den Werkzeugteilen Niederhalter 1 und Ziehring 3 sind im Flanschbereich jeweils drehbar gelagerte, auskragende und zueinander beabstandete kugelförmige Formelemente 7 angeordnet. Diese Formelemente 7 befinden sich jeweils auf drei konzentrischen Kreisen, die um die Rotationsachse des Werkzeuges verlaufen. Die Kreise von Niederhalter 1 und Ziehring 3 sind dabei versetzt angeordnet. Auch tangential sind die Formelemente 7 des Niederhalters 1 und des Ziehrings 3 so versetzt angeordnet, dass sie jeweils in eine Lücke des Gegenstückes greifen.
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Der Umformprozess läuft folgendermaßen ab:
- Zuerst wird ein rundes Blech (Ronde, Durchmesser: 180 mm, Dicke: 1,0 mm, Werkstoff: DC04) eingelegt und mittig auf dem Ziehring 3 (Innendurchmesser: 103 mm, Einlaufradius: 10 mm) zentriert. Dann schließt sich der Niederhalter 1 und die auskragenden, drehbar gelagerten kugelförmigen Formelemente 7 drücken einen definierten Weg ins Blech hinein (Eintauchtiefe: 1,0 mm). Dabei wird das Blech radial und tangential durch die versetzt angeordneten Formelemente 7 wellenförmig gebogen.
- Danach bewegt sich der Stempel 4 (Durchmesser: 100 mm, Kantenradius: 10 mm, Geschwindigkeit: 10 mm/s) in Richtung Ziehring 3 und der eigentliche Tiefziehprozess beginnt.
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Zunächst bildet sich der Ziehteilboden aus. Es fließt noch kein Werkstoff aus dem Flanschbereich nach. Erreicht die Radialspannung dann einen Wert, der die Fließbedingung erfüllt, beginnt der Werkstoff aus dem Flansch nachzufließen. Der Werkstoff im Flansch erfährt radial eine Zugbeanspruchung und wird tangential gestaucht. Um Faltenbildung durch die tangentiale Druckspannung zu verhindern, wird das Blech beim Passieren der kugelförmigen Formelemente 7 durch die auftretenden Biegungen stabilisiert. Diese Biegung ist vergleichbar mit der eines Wellbleches, das durch seine Wellengeometrie längs der Wellen eine höhere Knickstabilität erhält, als ebenes Blech. Beim Fließen biegt sich das Blech mehrmals hin und her. Es erfährt über den Weg im Flansch eine Wechselbiegung. Nachdem der Stempel 4 den Ziehweg erreicht hat, fährt er zurück, der Niederhalter 1 wird geöffnet und das Teil kann entnommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Niederhalter
- 2
- Ronde/Blechzuschnitt
- 3
- Ziehring/Ziehmatrize
- 4
- Stempel
- 5
- Ziehwulst/Bremswulst
- 5a
- umlaufende, durchgehende Ringnut (Ziehsicke) im Niederhalter
- 5b
- kreisringförmige, durchgehende Leiste im Ziehring
- 6
- Formelement, feststehend
- 7
- Formelement, beweglich gelagert
- 7n
- Formelement des Niederhalters, beweglich gelagert
- 7z
- Formelement des Ziehringes / der Ziehmatrize, beweglich gelagert
- 8
- Distanzring (Wegbegrenzung)
- 9
- Bahn
- a
- Abstand zwischen den Formelementen 6, 7 des angepressten Niederhalters 1 und den Formelementen 6, 7 des Ziehrings 3
- e
- Eintauchtiefe
- s
- Bleckdicke des Blechzuschittes 2
- W
- Werkstofffluss
- λ
- Stützweite
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Zitierte Nichtpatentliteratur
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- Jahnke, Retzke, Weber: Umformen und Schneiden, VEB Verlag der Technik, Berlin 1981, S. 245
- Lange, K.: Umformtechnik, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokio Hong Kong 1990, S. 402-403
