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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Blechteils
aus einer Platine entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie ein hierfür
geeignetes Ziehwerkzeug entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs
6.
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Zur
Herstellung von Formteilen aus Metallblech sind unterschiedliche
Ziehverfahren bekannt: Beim Tiefziehen wird ein ebener Blechzuschnitt – Platine
genannt – von
einem Stempel in eine Matrize hineingezogen, wobei gleichzeitig
der Blechrand mit Hilfe eines Niederhalters niedergehalten wird.
Bei diesem Verfahren bleibt in erster Näherung die Blechdicke über dem
Ziehteil in etwa konstant, so dass die Oberfläche des Ziehteils in etwa gleich
der Oberfläche
der Platine ist. Beim Streckziehen wird die Platine an zwei gegenüberliegenden
Seiten fest eingespannt, und die Umformung erfolgt durch ein Verfahren
des Stempels. Die Ausformung der Bauteilkontur geschieht dabei durch
Oberflächenvergrößerung zu
Lasten der Blechdicke.
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Zur
Herstellung großer
unsymmetrischer Teile wie z.B. Karosserieteile für den Automobilbau, ist es
bekannt, eine Kombination von Streckziehen und Tiefziehen zu verwenden.
Zur Beeinflussung des Materialflusses während des Ziehvorgangs sind
auf dem Niederhalter bzw. dem gegenüberliegenden Schulterbereich
der Matrize Ziehsicken vorgesehen, welche den Materialeinzug randseitig
behindern. Durch eine geeignete Wahl der Form und Lage der Ziehsicken,
durch eine angepasste Platinenform, sowie durch Niederhalter-Bereiche
höherer
und niedrigerer Flächenpressung
kann in unterschiedlichen Bereichen des auszuformenden Blechteils
ein unterschiedlicher starker Materialfluss (und somit ein lokal variabler
Streckziehanteil bei der Ausformung des Blechteils) erreicht werden.
Auf diese Weise können großflächige Blechteile
mit hoher Qualität
hergestellt werden.
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Zum
Einsatz eines solchen kombinierten Streck-/Tiefziehverfahrens müssen auf
den Platinen ausreichend breite Randbereiche vorgesehen werden,
an denen die Niederhalter angreifen. Diese Randbereiche werden während des
Ziehprozesses zwischen dem Niederhalter und dem Schulterbereich der
Matrize hindurchgezogen. Da die Niederhalter während des Ziehprozesses Kräfte auf
diese Randbereiche der Platine ausüben, erfahren die Randbereiche
Verformungen durch die Ziehsicken der Niederhalter, was eine starke
Beeinträchtigung
der Blechqualität
in diesen Randbereichen zur Folge hat. Soll ein hochwertiges Blechteil
hergestellt werden, so dienen die Randbereiche daher ausschließlich der Blechbeeinflussung
während
des Ziehverfahrens und werden nach Vollendung des Ziehprozesses
als Abfall abgeschnitten. Somit ist das herkömmliche Ziehverfahren mit einem
hohen Materialverbrauch verbunden.
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Weiterhin
sind zur Herstellung komplizierter Teile oftmals mehrere Ziehstufen – und somit
mehrere Werkzeuge – notwendig,
was mit hohen Kosten einhergeht. Die Zahl der Ziehstufen kann reduziert werden,
wenn in ein- und demselben Werkzeug Prozessschritte unterschiedlichen
Ziehverhaltens in vorbestimmter Folge zueinander ausgeführt werden.
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Ein
solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 195 04 649 C1 bekannt:
Hier werden in einer ersten Phase des Horizontalziehens quer zur
Ziehrichtung liegende, randferne Bereiche des zu ziehenden Blechteils
ausgeformt, während
in einer zweiten Phase des konventionellen Vertikalziehens randnahe Bereiche
des Blechteils ausgezogen werden. Beide Umformphasen erfolgen nacheinander
in demselben Ziehwerkzeug mit einer Matrize und mit einem Ziehstempel,
die beide randseitig von einem Klemmrahmen umgeben sind. Auf dem
Randbereich des Ziehstempels ist ein entlang des gesamten Umfangs
des Ziehstempels sich erstreckender Graben angeordnet. Der diesem
Graben gegenüberliegende
Randbereich der Matrize weist einen Steg auf, der beim Schließen des
Ziehwerkzeugs in den Graben eintaucht. Während der ersten Phase des
Horizontalziehens werden die gegenüberliegenden Anlageflächen des
Klemmrahmens mit sehr hoher Anpresskraft zusammengespannt, so dass
der Blechrand unnachgiebig dazwischen festgehalten wird. In dieser
Phase weicht das matrizenseitige Klemmrahmenteil relativ zur Matrize
zurück,
so dass der matrizenseitige Steg in den stempelseitigen Graben eindringt;
bei diesem Umformvorgang wird Blechwerkstoff aus einem mittleren,
randfernen und im wesentlichen horizontal liegenden Bereich der
Platine geholt, so dass in der ersten Phase dieser Werkstückbereich
ausgeformt wird. In der zweiten Phase wird die Klemmkraft des Klemmrahmens
reduziert, so dass beim weiteren Eindringen des Stempels in die
Matrize der Werkstoff aus den randnahen Bereichen durch Nachgleiten
aus dem Klemmspalt geholt wird.
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Das
aus der
DE 195 04
649 C1 bekannte Verfahren gestattet die Herstellung von
Blechteilen mit hoher Oberflächenqualität und gleichmäßiger Materialstärke, wobei
gleichzeitig eine Kaltverfestigung randfern liegender Blechbereiche
erreicht werden kann. Allerdings erfordert das Verfahren ein kompliziert
aufgebautes Werkzeug mit einem komplexen Klemmrahmen aus zwei getrennt
steuerbar verfahrbaren Klemmrahmenteilen. Weiterhin müssen die Blechplatinen,
aus denen mit Hilfe des zweiphasigen Ziehverfahrens die Blechteile
geformt werden, mit vergleichsweise breiten Randbereichen versehen werden:
Diese breiten Randbereiche sind notwendig, um während der ersten Phase des
Ziehprozesses ein Eindringen des matrizenseitige Stegs in die das
auszuformende Blechteil umgebenden Randregionen zu gestatten und
zusätzlich
während
der zweiten Phase des Ziehprozesses eine gute Steuerung des randseitigen
Materialflusses durch den Klemmrahmen sicherzustellen. Die breiten
Randbereiche werden nach dem Ausformen des Blechteils abgeschnitten und
stellen Abfall dar. Das Verfahren der
DE 195 04 649 C1 ist daher – aufgrund
des hohen Materialverbrauchs – mit
hohen Kosten verbunden.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein herkömmliches
Ziehverfahren zur Herstellung eines komplexen Blechteils dahingehend weiterzuentwickeln,
dass eine möglichst
geringe Anzahl der Ziehstufen notwendig ist und dass der Materialverbrauch
wesentlich reduziert wird. Weiterhin soll ein Ziehwerkzeug zur Durchführung dieses
Verfahrens bereitgestellt werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1 und 6 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Ziehverfahren
erfolgt in einem konventionellen Tiefziehwerkzeug mit einem Stempel
und einer in ihrem Mittelbereich formnegativ zum Stempel geformten
Matrize, zwischen denen die Platine zum Blechteil ausgeformt wird,
wobei die Ränder
der Platine zwischen dem randseitigen Schulterbereich der Matrize
und einem Niederhalter niedergehalten werden. Erfindungsgemäß ist der
Schulterbereich der Matrize und/oder der Niederhalter mit einem
Hohlraum versehen; in diesem Hohlraum ist verschiebbar ein Sickenelement
gelagert, in welches während
des Ziehverfahrens Teile des Platinenrandes eingeklemmt wird.
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Das
verschiebbar gelagerte Sickenelement, das den Rand der Platine während des
Ziehvorgangs fixiert, gestattet eine sehr gezielte Beeinflussung
und Steuerung des Materialflusses. Insbesondere lässt sich
durch das Sickenelement in ein und demselben Werkzeug ein zweiphasiger
Ziehvorgang verwirklichen:
- – In einer ersten Ziehphase
wird der Platinenrand fest im Sickenelement fixiert, und das Sickenelement
wird im Hohlraum zwischen Matrize und Niederhalter in Richtung des
Stempels verschoben. In dieser Phase wird im Zuge des Absenkens
des Stempels die Platine bei geringer Faltenbildung bis zur Grundform
an den Stempel gestreckt, wobei der randseitige Materialeinlauf
vergleichsweise wenig (oder gar nicht) behindert wird. In der ersten
Ziehphase wird dabei die Dehnfä higkeit des
Blechs nur begrenzt beansprucht, da das Blech schwerpunktmäßig im elastischen
Bereich der Form angepasst wird.
- – In
einer zweiten Ziehphase wird das Sickenelement an einer vorgegebenen
Stellung im Hohlraum zwischen Niederhalter und Matrize fixiert gehalten.
Der Platinenrand wird beim weiteren Absenken des Stempels durch
das Sickenelement gezogen, wobei diese Vorschubbewegung des Platinenrandes
durch die Klemmkraft des Sickenelements behindert wird. In dieser
Phase erfolgt also eine stärkere
Behinderung des randseitigen Materialeinlaufs und somit eine dem
konventionellen Tiefziehen verwandte Ausformung des Bauteils. Das
Blech wird dabei an exponierten Stellen gedehnt, wobei die für die gewohnte
Tiefziehqualität
erforderliche plastische Verformung stattfindet.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt nur in der zweiten Ziehphase ein Gleiten des Platinenrandes über die
aufeinandergepressten Innenseiten des Sickenelements, während der
Platinenrand in der ersten Ziehphase fest zwischen den Innenseiten
des Sickenelements fixiert ist. Somit ist bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der
Materialeinlauf über
die Innenseiten des Sickenelements wesentlich geringer als beim
konventionellen Tiefziehen, so dass die außerhalb der eigentlichen Bauteilkontur
gelegenen Randbereiche der Platine wesentlich schmaler gestaltet
werden können und
der in den Randbereichen der Platine anfallende Abfall erheblich
reduziert werden kann. Die beim konventionellen Tiefziehen komplizierter
Großteile – Kotflügeln, Dächern, Heckdeckeln,
Motorhauben, Seitenwände,
... – notwendigen
hohen Zargen, die zur Vermeidung von Reißern im Werkzeug vorgesehen werden
müssen,
entfallen hier vollkommen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher
eine erhebliche Materialeinsparung.
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Weiterhin
kann – verglichen
mit dem herkömmlichen
Tiefziehen – an
kritischen Stellen eine wesentlich geringere Blechdickenreduktion
erreicht werden. Während
nämlich
beim konventionellen Tiefziehen in Bereichen hoher Dehnung eine
starke Blechdickenreduktion eintritt, bleibt bei Einsatz des kombinierten
Verfahrens (aufgrund des geringeren Auszugs, der sich auf die zweite
Ziehphase beschränkt),
auch in den kritischen Bereichen eine höhere Blechdicke erhalten. Dies
führt zu
weniger Ausschuss, einer besseren Teilequalität sowie einer höheren Prozesssicherheit
im Ziehprozess.
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Bei
Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
können
die beiden oben beschriebenen Ziehphasen in ein und demselben Werkzeug
durchgeführt
werden. Daher ist gegenüber
dem herkömmlichen
Tiefziehen eine erhebliche Reduktion der Zahl der Einzelwerkzeuge
möglich,
die zur Herstellung komplizierter Teile notwendig sind. Während beim konventionellen
Tiefziehen komplexer großflächiger Teile
oft zwei bis drei Ziehvorgänge
(Vor- und Fertigzug) mit den dazugehörigen Werkzeugstufen erforderlich
sind, kann bei Verwendung des erfindungsgemäßen kombinierten Streck-Tiefzieh-Verfahrens
eine Beschränkung
auf einen, maximal zwei, Werkzeugstufen erreicht werden.
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Verglichen
mit dem in der
DE
195 04 649 C1 vorgeschlagenen Verfahren hat das erfindungsgemäße Verfahren
den Vorteil einer wesentlich einfacheren Werkzeugausgestaltung und
Werkzeugsteuerung. Weiterhin sind auf den Blechplatinen wesentlich
schmalere Randbereiche vonnöten,
da das erfindungsgemäße Verfahren
vollkommen auf die in der
DE
195 04 649 C1 gezeigte randseitige Umformung der Platine
mit Hilfe zusätzlicher
Stege und Gräben verzichtet.
Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren
mit erheblich geringeren Werkzeug- und Materialkosten verbunden
als das Ziehverfahren der
DE 195
04 649 C1 , während
gleichzeitig komplexe, großflächige Bauteile
mit hoher Qualität
hergestellt werden können.
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Um
das gewünschte
Verformungsverhalten der Platine in dem oben beschriebenen zweiphasigen
Ziehprozess zu erreichen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung der Platinenrand in der ersten Ziehphase im Sickenelement
mit einer Halte kraft fixiert, welche größer ist als eine der Verschiebebewegung
des Sickenelements entgegenwirkende Bremskraft. Das hat zur Folge,
dass beim Absenken des Stempels das Sickenelement mitsamt des in
ihm fixierten Blechrandes im Hohlraum verschoben und in Richtung
des Stempels gezogen wird. In der zweiten Ziehphase wird die Verschiebebewegung
des Sickenelements dann stärker behindert
(z.B. durch einen festen Anschlag, oder durch Erhöhung der
Reibungskräfte
auf das Sickenelement), so dass die auf das Sickenelement wirkende
Bremskraft die Haltekraft am Platinenrand übersteigt. Das hat zur Folge,
dass beim weiteren Absenken des Ziehstempels der Platinenrand durch
das Sickenelement hindurch in Richtung Ziehstempel gezogen wird.
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Eine
besonders einfache – weil
bezüglich
der Steuerung unaufwendige – Realisierung
der ersten Ziehphase sieht vor, die Verschiebebewegung des Sickenelements
während
dieser ersten Ziehphase durch eine konstante Reibungskraft zu bremsen.
Diese konstante Reibungskraft kann vorzugsweise durch eine konstante
Niederhalterkraft aufgebracht werden, die auf das Sickenelement
einwirkt.
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In
einer anderen Ausgestaltung erfolgt die Verschiebebewegung des Sickenelements
weggesteuert, wobei der Vorschub des Sickenelements an den Vorschub
des Ziehstempels gekoppelt wird. Alternaitiv kann das Sickenelement
geregelt verschoben werden, wobei als Regelgröße vorzugsweise der Verschiebeweg
verwendet wird. Weiterhin kann die Verschiebebewegung auch kraftgeregelt
durchgeführt
werden. Als Stellgröße wird
zweckmäßigerweise
die Niederhalterkraft verwendet, wobei alternativ bzw. zusätzlich auch
pneumatische oder hydraulische Kraftgeber sowie mechanische Hilfselemente (z.B.
raumfeste Anschläge,
Keile etc.) zum Einsatz kommen können.
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Die
Verschiebungsbewegung des Sickenelements im Hohlraum kann eine Schwenkbewegung oder
eine lineare Verschiebung (oder eine Kombination dieser beiden Bewegungen)
sein. Im Falle einer Linearverschiebung ist die Verschieberichtung zweckmäßigerweise näherungsweise
senkrecht zur Ziehrichtung des Ziehwerkzeugs ausgerichtet; somit wird
das Sickenelement parallel zur Einzugsrichtung des Platinenrandes
verschoben und steuert dort direkt den Materialeinzug. Wird eine
Schwenkbewegung durchgeführt,
so erfolgt diese Schwenkbewegung vorteilhafterweise um eine Schwenkachse,
die näherungsweise
parallel zur Ziehrichtung des Ziehwerkzeugs erfolgt; auf diese Weise
kann ein lokal variierender Materialeinzug im Bereich des Sickenelements
erreicht werden.
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Oft
ist es von Vorteil, zwischen dem Hohlraum, in dem das Sickenelement
gelagert ist, und dem Ziehstempel einen Faltenverteiler vorzusehen. Dieser
Faltenverteiler dient dazu, insbesondere während der ersten Ziehphase
einen faltenfreien Materialeinlauf in das Werkzeuginnere zu gewährleisten und
wird vorteilhafterweise durch einander gegenüberliegende Stege auf der Matrize
und dem Niederhalter gebildet.
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Zur
Umformung komplexer Bauteile mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es zweckmäßig, entlang
des Platinenrandes mehrere Sickenelemente vorzusehen, mittels derer
der Platinenrand während
der ersten Ziehphase abschnittsweise fixiert wird. Die unterschiedlichen
Sickenelemente können unterschiedliche
Einlaufwege und unterschiedliche räumliche Orientierung haben,
um dem unterschiedlichen (lokalen) Materialverbrauch Rechnung zu
tragen, der im Zuge des Abformens des Bauteils in den unterschiedlichen
Bauteilbereichen auftritt. Um eine gezielte Steuerung bzw. Regelung
der Verschiebebewegungen der einzelnen Sickenelemente zu ermöglichen,
wird vorteilhafterweise auch der Niederhalter in mehrere, separat
mit vorausgewählten
Haltekräften
beaufschlagbare Segmente unterteilt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Matrize als
der bewegliche Werkzeugteil auf dem Pressenstößel befestigt und wird beim Schließen der
Ziehpresse auf den Stempel als den stationären Werkzeugteil hinuntergedrückt. Der
Niederhalter besteht aus mehreren Segmenten und umgibt den stationären Stem pel
ringförmig.
Der niederhalterseitige Teil des Sickenelements ist einstückig mit
dem ihm gegenüberliegenden
Segment des Niederhalters ausgebildet, so dass das Sickenelement Teil
dieses Niederhaltersegments bildet. Das Niederhaltersegment weist
im Bereich des Stempels eine Schrägung auf, die in eine keilförmige Aussparung
im Stempelfuß hineinragt.
Beim Absenken des Pressenstößels wird
das Niederhaltersegment in die Aussparung des Stempelfußes hineingedrückt, was
mit einer Verschiebung des Sickenelements in Richtung des Werkzeuginneren
verbunden ist. Auf diese Weise kann eine besonders einfache Kopplung
der Verschiebebewegung des Sickenelements an den Vorschub des Pressenstößels erreicht
werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen
dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert; dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ziehpresse mit Sickenelementen zwischen
Matrize und Niederhalter;
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2 das Sickenelement des Ausschnitts II der 1
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2a bei
geöffnetem
Ziehwerkzeug vor Beginn des Ziehprozesses,
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2b bei
geschlossenem Ziehwerkzeug vor Beginn des Ziehprozesses,
-
2c während der
ersten Ziehphase und
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2d während der
zweiten Ziehphase
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3 eine
Aufsicht auf den stationären Werkzeugteil
der Ziehpresse der 1 entlang der Linie III-III
in 1.;
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4 eine
alternative Ausgestaltung des Sickenelements der 2;
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5 eine
weitere alternative Ausgestaltung des Sickenelements der 2.
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1 zeigt
einen Ausschnitt einer Ziehpresse 1, die einen hubbeweglich
antreibbaren Pressenstößel 2 sowie
einen Pressentisch 3 enthält. Das zum Ziehen eines Bauteils
aus einer „Platine" 4 erforderliche
Ziehwerkzeug 5 besteht aus einem stationären und
aus einem hubbeweglichen Werkzeugteil, wobei der stationäre Teil 6 auf
dem Pressentisch 3 und der hubbewegliche Teil 7 an
dem Pressenstößel 2 befestigt
ist. Der Begriff „Platine" bezeichnet hier
einen Blechausschnitt bzw. ein vorgeformtes Halbzeug aus einem beliebigen
tiefziehfähigen
Werkstoff. Das Ziehwerkzeug 5 enthält einen formgebenden Bereich,
der aus einer am Pressenstößel 2 befestigten Matrize 8 und
einem am Pressentisch 3 befestigten Stempel 9 gebildet
ist. Die Matrize 8 weist einen formgebenden Teil 8' auf, der von
einem ringförmigen Schulterbereich 10 umgeben
ist. Dem Schulterbereich 10 gegenüberliegend ist ein Niederhalter 11 angeordnet,
der Teil des stationären
Teils 6 des Werkzeugs 5 bildet und den Stempel 9 ringförmig umgibt. Der
Niederhalter 11 ist auf hydraulischen Druckkolben 12 verschiebbar
gegenüber
dem Pressentisch 3 gelagert. Mittels des Druckkolbens 12 können zwischen
Niederhalter 11 und Schulterbereich 10 der Matrize 8 Druckkräfte aufgebaut
werden, die während
des Ziehprozesses auf einen Randbereich 13 der Platine 4 einwirken.
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Zwischen
dem Schulterbereich 10 der Matrize 8 und dem Niederhalter 11 sind
Hohlräume 14 vorgesehen,
in denen Sickenelemente 15 verschieblich gelagert sind.
Wie aus der Detailansicht der 2a bis 2d ersichtlich,
umfasst jedes Sickenelement 15 ein matrizenseitiges Teil 16 und
ein niederhalterseitiges Teil 17, zwischen denen der Rand 13 der
Platine 4 eingeklemmt ist. Auf den einander gegenüberliegenden
Kontaktflächen 18, 19 der
Sickenelement-Teile 16, 17 sind formnegativ zueinander
gestaltete Sicken 20, 21 vorgesehen, die beim
Aufeinanderpressen der Sickenelement-Teile 16, 17 den Platinenrand 13 lokal
verformen und dabei die Haltekraft erhöhen, die das Sickenelement 15 einem
Entweichen des Platinenrands 13 entgegensetzt. Stempelseitig
ist der Hohlraum 14 begrenzt durch einander gegenüberliegende Stege 22, 23 auf
dem Schulterbereich 10 der Matrize 8 und dem Niederhalter 11, welche
als Faltenverteiler wirken.
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Da
das Sickenelement 15 zwischen dem Schulterbereich 10 der
Matrize 8 und dem Niederhalter 11 angeordnet ist,
wird es beim Absenken des Pressenstößels 2 gemeinsam mit
der Matrize 8 in Richtung des Pressentisches 3 gedrückt. Gleichzeitig vollführt das
Sickenelement 15 im Hohlraum 14 eine Verschiebebewegung
entlang einer Verschieberichtung 24, die näherungsweise
senkrecht zur Ziehrichtung 25 (Vorschubrichtung des Pressenstößels 2) ausgerichtet
ist.
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2a bis 2d zeigen
vier Momentaufnahmen der Bewegung, die das Sickenelement 15 während eines
Ziehvorgangs durchläuft.
Vor Beginn des Ziehprozesses wird das Sickenelement 15 in
die in 2a gezeigte stempelferne Rückzugsposition im
Hohlraum 14 bewegt, und eine neue Platine 4 wird in
das geöffnete
Ziehwerkzeug 5 eingelegt. Die Größe der Platine 4 ist
so bemessen, dass ihr Rand 13 mit den Kontaktflächen 18, 19 des
Sickenelements 15 überlappt
und nach außen
hin um einen Überstand 26 über die
Sicken 20, 21 des Sickenelements 15 hinausragt.
Dann wird der Pressenstößel 2 gesenkt,
bis der Schulterbereich 10 der Matrize 8 auf den
Niederhalter 11 trifft (siehe 2b). Mit
Hilfe der Druckkolben 12 wird auf den Niederhalter 11 eine Druckkraft
ausgeübt,
welche der Absenkbewegung 25 des Pressenstößels 2 entgegengerichtet
ist und die bewirkt, dass der Platinenrand 13 zwischen
dem matrizenseitige Teil 16 und dem niederhalterseitige Teil 17 des
Sickenelements 15 eingeklemmt wird. Die einander gegenüberliegenden
Stege 22, 23 des Faltenverteilers bilden einen
Spalt 27, der nur wenig höher ist als die Dicke der Platine 4,
so dass die Platine kraftarm zwischen den Stegen 22, 23 durchgezogen werden
kann. Der Niederhalter 11 wird während des weiteren Ziehhubes
von dem Schulterbereich 10 der Matrize 8 nach
unten gedrückt
und weicht gegen diese mit einem definierten Widerstand aus. Durch
diesen Widerstand wird eine Niederhalterkraft zwischen Niederhalter 11 und
Matrize 8 aufgebaut.
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Beim
weiteren Vorschub des Pressenstößels 2 dringt
der Stempel 9 nun in den Innenraum 8' der Matrize 8 ein
(2c). Dabei erfolgt eine Verformung der Platine 4,
die auf den Platinenrand 13 einen Zug in Richtung des Werkzeuginneren 8', 9 bewirkt
(Pfeil 24). Da der Platinenrand 13 im Sickenelement 15 festgeklemmt
ist, wirkt dieser Zug auf das gesamte Sickenelement 15:
Das Sickenelement 15 mitsamt des geklemmten Platinenrandes 13 wird
somit in Richtung des Werkzeuginneren 8', 9 gezogen; diese Ziehbewegung
kann kräftearm
(d.h. ohne Kräfteausübung des
Niderhalters 11 auf das Sickenelement 15) oder
gebremst (z.B. unter Einwirkung einer Bremskraft des Niederhalters 11 auf
das Sickenelement 15) ablaufen. Auf diese Weise wird eine
erste Ziehphase durchlaufen, bei der die Platine 4 zunächst im
elastischen Bereich verformt und bei zunehmender Verformungen schließlich auch – zumindest
teilweise – im
Dehnbereich beansprucht wird.
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Die
Verschiebebewegung des Sickenelements 15 im Hohlraum 14 kann
durch Reibungskräfte beeinflusst
werden, die der Niederhalter 11 und der Schulterbereich 10 der
Matrize 8 der Verschiebebewegung entgegensetzen: Mit Hilfe
der Druckkolben 12 kann nämlich die Druckkraft, die der
Niederhalter 11 der Absenkbewegung der Matrize 8 entgegensetzt,
in definierter Weise (gesteuert oder geregelt) eingestellt werden,
was eine Erhöhung
oder Verringerung der Reibung des Sickenelements 15 im
Hohlraum 14 zur Folge hat. So kann beispielweise ein kräftearmer
(„freier") Einzug des Platinenrandes 13 bzw.
des Sickenelements 15 erreicht werden, wenn die Druckkraft
des Niederhalters 11 sehr gering gewählt wird oder wenn der Niederhalter
durch außerhalb
des Sickenelements 15 gelegene Schulterbereiche 10 der
Matrize 8 hinuntergedrückt
wird. Durch gezielte Ausübung
einer Druckkraft kann die Verschiebebewegung 24 des Sickenelements 15 gebremst
werden. In dieser Weise kann ein gewünschtes Ziehverhalten exakt
eingestellt werden. Insbesondere kann die Verschiebebewegung in
einer solchen Weise geregelt werden, dass die Verschiebestrecke 28 des
Sickenelements 15 direkt an den Vorschub des Pressenstößels 2 gekoppelt
ist. Der Faltenverteiler 22, 23 stellt während dieses
(elastischen) Verformens der Platine 4 sicher, dass randseitig
keine Falten entstehen.
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Die
gesamte Länge 29 des
Verschiebeweges des Sickenelements 15 im Hohlraum 14 entspricht
einem randseitigen Blecheinzug, der während dieser ersten Ziehphase
unter Klemmung des Platinenrandes 13 im Sickenelement 15 erfolgt.
Er hängt ab
von der dreidimensionalen Gestalt des zu erzeugenden Bauteils und
ist in einer solchen Weise eingestellt, dass in der erste Ziehphase
eine ausreichende Materialmenge bereitgestellt wird, die in das
Werkzeuginnere 8', 9 hineingezogen
wird.
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Hat
das Sickenelement 15 den Verschiebeweg 29 vollständig durchlaufen,
so stösst
es an einen festen Anschlag 30, der durch die Stege 22, 23 des Faltenverteilers
gebildet ist. Dieser Anschlag 30 verhindert eine weitere
Verschiebebewegung des Sickenelements 15 in der nun folgenden
zweiten Ziehphase: Beim weiteren Absenken des Pressenstößels 2 bewirken
die Zugkräfte
auf den der Platinenrand 13, dass der Platinenrand 13 – gegen
die Klemmkräfte
der Sicken 20, 21 – durch das Sickenelement 15 gezogen
wird (siehe 2d), so dass sich die durch die
Lage der Sicken 20,21 definierte Klemmstelle 31 auf
der Platine 4 nach außen
hin verlagert. Diese zweite Ziehphase (mit im Hohlraum 14 fixiertem
Sickenelement 15) entspricht einem konventionellen Tiefziehprozess,
im Zuge dessen das Bauteil fertiggezogen wird. Die Niederhalterkraft
wird dabei mittels der Druckzylinder 12 in bekannter Weise
so eingestellt, dass der gewünschte
Materialfluss über
die Sicken 20, 21 erfolgt.
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Der
gesamte Einlaufweg, den der Platinenrand 13 während des
in 2a bis 2d gezeigten Ziehvorgangs
zurücklegt,
setzt sich zusammen
- – aus einem ersten Einlaufweg 32 in
der ersten Ziehphase (2c), bei dem der Platinenrand 13 im
Sickenelement 15 fixiert ist und dessen Länge dem
Verschiebeweg 29 des Sickenelements 15 im Hohlraum 14 entspricht,
- – und
einem zweiten Einlaufweg 33 in der zweiten Ziehphase (2d),
bei dem der Platinenrand 13 durch das Sickenelement 15 hindurchgezogen wird,
so dass sich die Klemmstelle 31 auf dem Platinenrand 13 nach
außen
verlagert.
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Während in
der zweiten Ziehphase der durch die Sicke 20, 21 gezogene
Bereich des Platinenrandes 13 durch die Verformung am Ort
der Sicke 20, 21 qualitativ stark beeinträchtigt wird
und daher nach Beendigung des Ziehvorgangs als Abfall abgeschnitten
werden muss, ist der erste Einlaufweg 32 mit keiner Einbuße der Blechqualität verbunden,
da der in das Werkzeuginnere 8', 9 einlaufende Bereich 34 der Platine 4 kraftarm
durch den Faltenverteiler 22, 23 gezogen wird.
Somit stellt nur der (vergleichsweise schmale) Randbereich, der
dem zweiten Einlaufweg 33 entspricht, Ausschuss dar; gegenüber herkömmlichen
Tiefziehverfahren kann somit eine erhebliche Materialeinsparung
erzielt werden.
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Wurde
bisher eine Aufspaltung des Ziehprozesses in zwei sequentiell durchlaufene
Ziehphasen beschreiben, so kann die zweite Ziehphase auch mit der
ersten Ziehphase überlappen:
Dies kann erreicht werden, wenn die Verschiebebewegung des Sickenelements 15 im
Hohlraum 14 einer so hohen Bremskraft unterworfen wird,
dass der Blecheinzug durch die Sicke 20, 21 mit
einem geringeren Kraftaufwand verbunden ist als die Verschiebung
des Sickenelements 15. Auf diese Weise können bei
Verwendung des Sickenelements 15 beliebige zeitliche Kombinationen
und Überlappungen
der beiden Ziehphasen durchlaufen werden.
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In
dem oben beschriebenen Ziehprozess ist die Niederhalterkraft die
Stellgröße eines
Regelungsvorgangs, dessen Zielgröße der Einlaufweg 32, 33 des
Platinenrandes 13 zwischen dem Schulterbereich 10 der
Matrize 8 und dem Niederhalter 11 ist. Für Ziehteile
eines bestimmten Typs werden vor Aufnahme der Produktion die optimalen
Einlaufwege 32, 33 des Platinenrandes 13 und
ihr zeitlicher Verlauf als Funktion des Pressenhubes für beide
Ziehphasen bestimmt. Zur prozessbegleitenden Ermittlung des Ist-Einlaufweges
des Platinenrandes 13 kann am Niederhalter 11 ein
(in 2a bis 2d nicht
gezeigter) Wegsensor angebracht sein, der prozessbegleitend zum
Ziehvorgang den momentanen Ist-Einlaufweg
misst. Die Messwerte werden laufend einer Regeleinheit zugeleitet
und dort mit dem Soll-Einlaufweg verglichen. Treten Abweichungen
auf, so wird die Niederhalterkraft entsprechend angepasst.
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Während die 2a bis 2d ein
Ausführungsbeispiel
zeigen, in dem die Steuerung bzw. Regelung des Einlaufweges 24 des
Sickenelements 15 mit Hilfe von Anpassungen der Flächenpressung durch
die Niederhalterkraft erfolgt, kann die Einlaufbewegung stattdessen
(bzw. zusätzlich)
auch mit Hilfe anderer (Brems-) Mittel, z.B. hydraulischen oder mechanischen
Kraftgebern, gesteuert bzw. geregelt gebremst werden. Solche hydraulischen,
pneumatischen oder mechanischen Kraftgeber (z.B. Federn) können auf
einfache Art und Weise in bestehende Niederhalter 11 integriert
werden, so dass eine Umstellung konventioneller Pressen auf das
erfindungsgemäße Verfahren
mit einfachen Mitteln und ohne großen Aufwand durchgeführt werden
kann. Werden große
Rückhaltekräfte benötigt, so
kann das Sickenelement 15 als geregelt oder gesteuert bewegte Schieber
im Hohlraum 14 ausgeführt
werden, wobei die Verschiebung zwangsgeführt mit Hilfe von Hydraulikelementen
oder Schieber-/Treiber-Systemen erreicht wird. Dabei kann sowohl
die Rückhaltekraft als
auch der Einlaufweg ermittelt und dann entsprechend gesteuert werden.
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3 zeigt
eine Aufsicht auf den Ziehstempel 9 und den ihn umgebenden
Niederhalter 11 bei geöffnetem
Ziehwerkzeug 5: Der Niederhalter 11 besteht aus
mehreren Segmenten 11a–11h,
von denen einige mit Sickenelementen 15b–15d, 15f, 15h versehen
sind. Die einzelnen Niederhaltersegmente 11a–11h sind
individuell ansteuerbar, so dass für unterschiedliche Niederhaltersegmente
im Zuge des Ziehprozesses unterschiedliche Niederhalterkräfte auf
den Platinenrand 13 ausgeübt werden können. Die Einzugswege 29b–29d, 29f, 29h der
unterschiedlichen Sickenelemente 15b–15d, 15f, 15h sind unterschiedlich
und dem lokalen Materialbedarf (d.h. dem während der ersten Ziehphase
benötigten
Materialein zug) angepasst. Einige der Niederhaltersegmente 11c, 11f, 11h weisen „linearverschiebbare" Sickenelemente 15c, 15f, 15h auf,
bei denen die Verschiebebewegung einer Linearverschiebung näherungsweise
senkrecht zur Vorschubrichtung 25 des Pressenstößels 2 entspricht,
so dass im Zuge der ersten Ziehphase entlang des betreffenden Sickenelements 15c, 15f, 15h überall der
gleiche Materialeinzug erfolgt. Der Blechvorlauf (Blechreserve)
entsteht durch den begrenzten, genau definierten Weg 29c, 29f, 29h,
den das Sickenelement 15c, 15f, 15h ungebremst
(oder gezielt gebremst) bis zum Anschlag 30, dem umlaufenden
Steg 23, hin gezogen wird. Andere Niederhaltersegmente 11b, 11d sind
mit „drehverschiebbaren" Sickenelementen 15b, 15d versehen, die
im Zuge der Verschiebebewegung eine Drehbewegung ausführen mit
einer Drehachse 35b, 35f, die näherungsweise
parallel zur Vorschubrichtung 25 des Pressenstößels 2 verläuft; entlang
dieser „drehverschiebbaren" Sickenelemente 15b, 15d erfolgt während der
ersten Ziehphase ein stark inhomogener Materialeinzug, der mit wachsendem
Abstand zur Drehachse 35b, 35f zunimmt.
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Zur
Herstellung mancher Bauteile (wie z.B. Hauptboden, Tunnel, Längsträger etc.)
ist das Festklemmen der Platine 4 nur in bestimmten Bereichen notwendig,
während
in anderen Bereichen ein freier Materialeinlauf erfolgt; in diesen
Bereichen kann auf Sickenelemente verzichtet werden, so dass hier
ein (konventioneller) Materialeinzug durch das entsprechende Niederhaltersegment 11a erfolgt.
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Abhängig von
der Beschneidelinie des fertig geformten Bauteils kann in manchen
Segmenten auf einen Faltenverteiler verzichtet werden. In diesem Fall
erstreckt sich der Hohlraum 14 bis zum stempelseitigen
Rand 36 des Niederhalters 11, so dass der Ziehstempel 9 selbst
als Anschlag 30 für
das Sickenelement 15 dient (siehe Schnittansicht der 4). Eine
solche Form des Sickenelements 15 lässt sich besonders einfach
in ein konventionelles Tiefziehwerkzeug integrieren.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in 5 gezeigt: In diesem Fall ist das niederhalterseitige
Teil 17' des
Sickenelements 15' einstückig mit
dem zugehörigen
Niederhaltersegment 11' ausgebildet.
Der Querschnitt des Niederhaltersegments 11' hat die Form eines Parallelogramms
mit einer in den Bereich des Stempels 9 hineinragenden
Schräge 37,
während
der Stempel 9 mit einer der Schräge 37 des Niederhaltersegments 11' entsprechenden
keilförmigen Aussparung 38 versehen
ist. Die dem Stempel 9 abgewandte Seite 39 des
Niederhaltersegments 11' wird
durch ein Stützelement 40 geführt, das
keilförmig
mit derselben Schräge 37 ausgestaltet
ist. Beim Absenken des Pressenstößels 2 weicht
das Niederhaltersegment 11' unter
der Druckkraft der Matrize 8 zurück und wird durch die Schräge 38 des
Stützelements 40 in
Richtung des Stempels 9 gedrückt (Pfeil 41). Mit
zunehmendem Absenken der Matrize 8 wird somit die Sicke 21 des
Sickenelements 15' zunehmend
zum Stempel hin verschoben, wobei das matrizenseitige, im Hohlraum 14 des
Matrizen-Schulterbereiches 10 geführte Teil 16' des Sickenelements 15' mitgeschleppt
wird. Diese Ausgestaltung gestattet eine direkte Kopplung der Verschiebebewegung
des Sickenelements 15' an
die Absenkbewegung 25 des Pressenstößels 2. Durch unterschiedliche
Schrägungswinkel 37 können dabei
unterschiedliche Einziehwege 29' erreicht werden.
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Die
Erfindung eignet sich zur Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher – insbesondere
großflächiger – Karosserieteile,
beispielsweise Kotflügel, Dächer, Heckdeckel,
Motorhauben, Radeinbaublechen usw.