DE10347601B4

DE10347601B4 - Vorrichtung und Verfahren zum hydraulischen Hochdruckumformen einer Platine

Info

Publication number: DE10347601B4
Application number: DE10347601A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Streubel; Norbert Dr.-Ing. Austerhoff; Rafael Garcia Gomez
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: US7150170B2; ES2255424B1; CZ305581B6; US20050076691A1; DE10347601A1; ES2255424A1; CZ20041021A3

Abstract

Vorrichtung zum hydraulischen Hochdruckumformen (1) einer Platine (2) mit einem Oberwerkzeug (6) und einem Unterwerkzeug (3), bei dem mindestens eine Druckerzeugungseinheit (7, 8) vorgesehen ist und bei der das Druckmedium der Druckerzeugungseinheit (7, 8) als Wirkmedium für die hydraulische Umformung der Platine (2) verwendet wird, dass die Kontaktflächen (14, 15, 18) des Oberwerkzeugs (6) und des Unterwerkzeugs (3) unmittelbar auf der Platinenoberfläche entlang deren Einspannungsbereichs (13) zur Auflage kommen und den mit Wirkmedium beaufschlagten Umformbereich (12) allein durch Kontaktdichtung ohne zusätzliche Dichtungsmittel abdichten, dadurch gekennzeichnet, dass Druckerzeugungseinheit (7, 8) in einer mechanischen Presse integriert ist, wobei die Druckerzeugungseinheit (7, 8) zwischen dem Oberwerkzeug (6) und dem Pressenstößel (9) der mechanischen Presse angeordnet ist, dass das Wirkmedium durch die sich abwärts bewegende Presse aus der Druckerzeugungseinheit (7, 8) in den Umformbereich (12) bringbar ist, so dass die Platine (2) mittels des Wirkmediums vorgeformt wird einerseits und mittels des Wirkmediums oder durch...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum hydraulischen Hochdruckumformen einer Platine mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum hydraulischen Hochdruckumformen einer Platine mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
Es ist bekannt, bei der Herstellung von Blechbauteilen komplexer Geometrie die Umformung mit Wirkmedien durchzuführen. Hierbei wird zum Beispiel eine Blechplatine mit einem Wirkmediendruck beaufschlagt und zunächst ohne Formabbildung eines Werkzeugs frei umgeformt. Schließlich legt sich das Blech an die Formkontur des starren Unter- oder Oberwerkzeugs an und wird mittels eines Kalibrierdrucks durch das Wirkmedium oder mittels konventioneller Presstechnik ( DE 196 24 036 A1 ) in die gewünschte Endform gebracht. Nachteilig bei derartigen Prozessen sind sehr hohe Taktzeiten aufgrund der sequentiell ablaufenden Umformschritte und des langsamen Druckaufbaus, so dass diese Verfahren nicht für den Einsatz in der Großserienfertigung von umgeformten Blechen geeignet sind.
Um solche Prozesse zu beschleunigen und damit die Taktzeiten zu verkürzen, ist mit DE 199 57 888 C2 das hydraulische Umformen von Rohren oder Platinen unter einer mechanischen Presse vorgeschlagen worden.
Im Einzelnen umfasst die bekannte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ein Formwerkzeug mit einem durch ein Untergesenk und ein Obergesenk begrenzten Formraum. Der Pressenstößel einer weggebundenen mechanischen Presse ist mit dem Obergesenk verbunden und zwar über die Druckerzeugungseinheit bzw. Kolben-Zylinder-Einheit, deren Zylinderraum mit dem Formraum des Formwerkzeugs fluidleitend verbunden ist. Aufgrund dieser Anordnung wird ein Hydroumformen mit hoher Geschwindigkeit erreicht, weil bei bereits geschlossenem Formwerkzeug, während der Pressenstößel noch weiter abwärts verlagert und folglich der Kolben der Kolben-Zylinder-Einheit nach unten bewegt wird, das Werkstück wegen des einwirkenden Drucks des Wirkmediums aus der Kolben-Zylinder-Einheit bereits verformt wird. Wenn die mechanische Presse bzw. die Kurbel einer Kurbelpresse ihren unteren Totpunkt erreicht hat, ist die hydraulische Umformung bereits abgeschlossen.
Bei allen diesen Lösungen ist eine mehr oder weniger aufwendige Abdichtung des Blechs erforderlich, um den Druckaufbau mit dem Wirkmedium zu realisieren. Diese Dichtungen unterliegen infolge einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Blech einem hohem Verschleiß, was sich insbesondere bei der Fertigung von Großserien als nachteilig erweist.
Aus der DE 196 49 629 C2 ist eine Vorrichtung zum hydraulischen Hochdruckumformen einer Platine mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug bekannt, bei dem mittels einer Druckerzeugungseinheit ein Wirkmedium in einen Umformbereich eingebracht wird, mittels dessen die Platine vorgeformt wird. Zum Endformen der Platine kann ein Stempel in Richtung der Platine bewegt werden. Der Druckaufbau des Wirkmediums erfolgt mittels eines Hydraulikzylinders, der in einem Unterwerkzeug der Vorrichtung integriert ist. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist, dass das Umformen der Platine relativ aufwendig ist.
Aus der Entgegenhaltung DE 102 02 791 A1 ist eine Vorrichtung zum hydraulischen Hochdruckumformen einer Platine mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug bekannt, bei dem mittels einer Druckerzeugungseinheit ein Wirkmedium zum einstufigen Umformen der Platine in den Umformbereich eingebracht wird. Es ist ein gesondertes Ventil erforderlich, um die Zu- und Abfuhr des Wirkmediums zu steuern.
Aus der Entgegenhaltung DE 196 24 036 A1 ist ein Verfahren zum pneumatischen Hochdruckumformen einer Platine mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug bekannt, wobei das Vorformen der Platine mittels des Druckmediums und das Endformen mittels des Oberwerkzeugs erfolgt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum hydraulischen Hochdruckumformen einer Platine hinsichtlich der Fertigung von Großserien insbesondere hinsichtlich niedriger Taktzeiten zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Nach der Erfindung wird ein High-Speed-Hydroforming von Platinen unter der mechanischen Presse durchgeführt, d. h. es wird ein Blech mit einer Presse mit integrierter Druckerzeugungseinheit umgeformt. Mit der kontinuierlichen Stößelbewegung der Presse fährt zunächst das Oberwerkzeug bzw. der Niederhalter auf die auf dem Unterwerkzeug platzierte Platine, um diese zu fixieren und gleichzeitig abzudichten. Die Abdichtung der Platine gegenüber dem Werkzeug erfolgt erfindungsgemäß allein durch Kontaktdichtung, indem die jeweilige Werkzeugfläche plan und dicht auf die Platinenoberfläche entlang des Einspannungsbereichs zur Anlage kommt. Da die Presse bei geschlossenem Werkzeug noch nicht ihren unteren Totpunkt erreicht hat, wird mit weiter sich abwärts bewegender Presse unmittelbar danach das Wirk- oder Druckmedium aus der Druckerzeugungseinheit in den abgeschlossenen bzw. abgedichteten Umformbereich oberhalb oder unterhalb der Platine gebracht und eine Vorumformung der Platine durchgeführt. Die sich anschließende Kalibrierung des Bauteils erfolgt entweder ebenfalls über das Wirkmedium oder mit dem Werkzeug (Ober- und/oder Unterwerkzeug).
Insgesamt ist es somit möglich, aus einer einzigen Werkzeugbewegung heraus die wirkmedienunterstützte Umformung in einer sehr kurzen Taktzeit ablaufen zu lassen. Die Abdichtung der Platine erfolgt nur durch den Kontakt des Oberwerkzeugs bzw. des Werkzeugniederhalters und des Unterwerkzeugs mit dazwischen angeordneter Platine. Zusätzliche störanfällige Ringdichtungen können völlig entfallen. Da die zwischen dem Pressenstößel und Oberwerkzeug angeordneten Druckerzeugungseinheiten einen solch schnellen Druckaufbau ermöglichen, sind selbst Leckagen bei der Blechabdichtung durchaus zulässig, ohne dass dadurch die Ausformung bzw. Kalibrierung des Bauteils negativ beeinflusst würde.
Der Dichtungseffekt wird durch den Einsatz eines Wirkmediums mit hoher Viskosität unterstützt, weil dieses weniger schnell als beispielsweise Gas, wie Luft, aus dem Dichtungsrahmen, der durch Kontaktdichtung gebildet ist, entweichen kann. Als Wirkmedien kommen insbesondere hochviskose Öle in Frage.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
1–3 schematisch im Teillängsschnitt eine mechanische Presse zum Innenhochdruckumformen einer Platine in verschiedenen Betriebsstellungen, wobei die Endumformung mittels des hydraulischen Mediums durchgeführt wird;
4–6 schematisch im Längsschnitt eine mechanische Presse zum Innenhochdruckumformen einer Platine in verschiedenen Betriebsstellungen, wobei die Endumformung mittels des Werkzeugs durchgeführt wird.
In den 1 bis 3 ist mit 1 allgemein eine Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen einer Platine 2 bzw. eines Blechs bezeichnet. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Unterwerkzeug 3 mit einem Ziehring 4 und einer integrierten Matrize 5. Auf Seiten des Oberwerkzeugs 6 sind bei diesem Beispiel zwei Druckerzeugungseinheiten bzw. Kolben-Zylinder-Einheiten 7, 8 zwischen dem Oberwerkzeug 6 und dem Pressenstößel 9 einer mechanischen Presse, beispielsweise eine Exzenter-, Kurbel- oder Kniehebelpresse, angeordnet. Das Oberwerkzeug 6 umfasst eine Niederhalterplatte 10, die sich über die gesamte Blechoberfläche erstreckt. In diese Niederhalterplatte 10 sind die Ein- bzw. Auslassleitungen 11 für das Wirkmedium aus den Druckerzeugungseinheiten 7, 8 eingebracht, die sich zur Blechoberfläche im Umformbereich 12 öffnen. Der Umformbereich 12 der Platine 2 ist von dem Einspannbereich 13 umgeben, der allein durch die Kontaktflächen 14 der Niederhalterplatte 10 auf der Platinenoberfläche und den Kontaktflächen 15 des Ziehrings 4 auf der anderen Platinenseite gebildet ist und die Platine gegenüber dem Formraum 16 abdichtet. Durch Eintritt des insbesondere hochviskosen Wirkmediums in den Formraum 16 wird die Platine tiefgezogen, wobei das Material unterhalb des Niederhalters innerhalb der Kontaktflächen zunehmend in das Unterwerkzeug hineinläuft (vgl. 2 und 3).
Mit den 4 bis 6 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die gleichen Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform ist der Einspannbereich 13 für die Platine 2 mittels eines Niederhalters 17 des Oberwerkzeugs 6 mit randseitigen zur Platinenoberfläche planparallelen Kontaktflächen 18 ausgebildet. Das untere Werkzeug 3 ist ein Ziehring 4 mit integrierter Matrize 5, die auf einem Pressentisch 19 angeordnet sind. Innerhalb des oberseitigen Niederhalters 17 ist ein Stempel 20 beweglich angeordnet, der mit einem Stempelhalter 25 an einer Zylinderplatte 26 der Druckerzeugungseinheiten 7, 8 befestigt ist. Die Zu- und Ableitungen 21 des Wirkmediums von und zu den beiden Druckerzeugungseinheiten 7, 8 sind mit Bohrungen 22 im Niederhalter oder unteren Ziehring (23) verbunden.
Das Umformverfahren läuft wie folgt ab. Die Platine 2 wird auf die umlaufenden Kontaktflächen 15 des Unterwerkzeugs 3 bzw. des Ziehrings gelegt und durch den bei sich schließender Presse herabfahrenden Niederhalter 10, 17 in ihrer Position gehalten und eingespannt. Wenn das Werkzeug geschlossen ist, hat die Presse ihren unteren Totpunkt noch nicht erreicht, so dass bei weiter nach unten fahrendem Pressenstößel mittels der Kolben 24 Umformfluid aus dem Zylinderraum der Kolben-Zylinder-Einheiten 7, 8 über die Leitungen 11, 21 auf die von dem Einspannungsbereich 13 umgebende Oberfläche (12) der Platine 2 überführt wird. Dieser Teil der Platine beginnt sich aufgrund des auf dem Umformfluid lastenden Drucks vorzuformen, wobei für die Umformung der Platine durch das Druckmedium Drücke von 40 bis 50bar ausreichen.
Nach der ersten Verfahrensvariante wird die Platine 2 allein durch das Wirkmedium vorgeformt (2) und anschließend in die Endform gepresst (3).
Bei der zweiten Verfahrensvariante wird das Wirkmedium nur für eine Vorformung der Platine 2 verwendet (5). Ein erster Vorformschritt erfolgt allein durch das unter Druck stehende Wirkmedium, das den Formraum 16 oberhalb der Platine 2 ausfüllt. Anschließend wird auch der Stempel 20 innerhalb des mit Wirkmedium gefüllten Formraums 16 nach unten bewegt, um die Vorformung zu unterstützen. Zur Endformung wird das Wirkmedium aus dem Formraum 16 herausgesogen und das vorgeformte Bauteil durch den oberen Stempel 20 auf die untere Matrize 5 gepresst und verformt (6).
Indem auch Bohrungen 23 für das Wirkmedium im Unterwerkzeug 3 angeordnet sind, ist ebenfalls eine Verformung der Platine zur anderen Seite in Richtung Oberwerkzeug möglich, wobei zur Endformung ein Stempel im Unterwerkzeug nach oben gegen eine Matrize oder gegen einen Gegenstempel bewegt wird.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung und des Verfahrens ist die Herstellung von Umformteilen mit niedrigen Taktzeiten bei reiner Kontaktabdichtung der Platine gegenüber dem Werkzeug wirtschaftlich möglich.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen
2: Platine bzw. Blech
3: Unterwerkzeug
4: Ziehring
5: Matrize
6: Oberwerkzeug
7: Druckerzeugungseinheit
8: Druckerzeugungseinheit
9: Pressenstößel
10: Niederhalterplatte
11: Leitungen
12: Umformbereich
13: Einspannbereich
14: Kontaktfläche der Niederhalterplatte mit der Platine
15: Kontaktfläche des Ziehrings mit der Platine
16: Formraum
17: Niederhalter mit randseitigen Kontaktflächen
18: Kontaktflächen
19: Pressentisch
20: Stempel
21: Zu- und Ableitungen im Niederhalter
22: Bohrungen im Niederhalter
23: Bohrungen im Ziehring
24: Kolben
25: Stempelhalter
26: Zylinderplatte

Claims

Vorrichtung zum hydraulischen Hochdruckumformen (1) einer Platine (2) mit einem Oberwerkzeug (6) und einem Unterwerkzeug (3), bei dem mindestens eine Druckerzeugungseinheit (7, 8) vorgesehen ist und bei der das Druckmedium der Druckerzeugungseinheit (7, 8) als Wirkmedium für die hydraulische Umformung der Platine (2) verwendet wird, dass die Kontaktflächen (14, 15, 18) des Oberwerkzeugs (6) und des Unterwerkzeugs (3) unmittelbar auf der Platinenoberfläche entlang deren Einspannungsbereichs (13) zur Auflage kommen und den mit Wirkmedium beaufschlagten Umformbereich (12) allein durch Kontaktdichtung ohne zusätzliche Dichtungsmittel abdichten, dadurch gekennzeichnet, dass Druckerzeugungseinheit (7, 8) in einer mechanischen Presse integriert ist, wobei die Druckerzeugungseinheit (7, 8) zwischen dem Oberwerkzeug (6) und dem Pressenstößel (9) der mechanischen Presse angeordnet ist, dass das Wirkmedium durch die sich abwärts bewegende Presse aus der Druckerzeugungseinheit (7, 8) in den Umformbereich (12) bringbar ist, so dass die Platine (2) mittels des Wirkmediums vorgeformt wird einerseits und mittels des Wirkmediums oder durch einen beweglich in dem Oberwerkzeug (6) gelagerten Stempel (20) endgeformt wird andererseits.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwerkzeug (6) eine mit der gesamten Platinenoberfläche flächig und planparallel in Kontakt kommende Niederhalterplatte (10) umfasst, in die die in Verbindung mit der jeweiligen Druckerzeugungseinheit (7, 8) stehenden Wirkmedium-Leitungen (11) integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwerkzeug (6) einen Niederhalter (17) mit randseitigen zur Platinenoberflache planparallelen Kontaktflächen (18) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwerkzeug (3) einen Ziehring (4) mit randseitigen planparallelen Kontaktflächen (15) zur Platinenoberfläche umfasst
Verfahren zum hydraulischen Hochdruckumformen einer Platine (2) mit einem Oberwerkzeug (6) und einem Unterwerkzeug (3), bei dem mindestens eine Druckerzeugungseinheit (7, 8) vorgesehen ist und das Druckmedium der Druckerzeugungseinheit (7, 8) als Wirkmedium für die hydraulische Umformung der Platine (2) verwendet wird, wobei durch die Niederbewegung des Oberwerkzeugs (6) und ein Aufeinanderpressen der Kontaktflächen (14, 15, 17) des Oberwerkzeugs (6) und des Unterwerkzeugs (3) entlang des Einspannungsbereichs (13) der Platine diese gehalten wird, dass der mit Wirkmedium beaufschlagte Platinenbereich allein durch die Kontaktdichtung der aufeinander gepressten Kontaktflächen (14, 15, 17) des Oberwerkzeugs (6) und des Unterwerkzeugs (3) auf der Platinenoberfläche ohne zusätzliche Dichtungsmittel abgedichtet wird, dass die Platine (2) mittels des Wirkmediums vorgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend mittels Kalibrierdruck des Wirkmediums die Platine (2) endgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (2) mittels eines hochviskosen Wirkmedium beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zeitpunkt der Vorformung durch das Druckmedium bereits ein Stempel (20) gegen eine Gegenmatrize (5) oder einen Gegenstempel des gegenüberliegenden Werkzeuges in Richtung vorgeformter Platine verfahren wird, anschließend das Wirkmedium aus dem Formraum (16) entfernt wird und dann mittels des Stempels (20) das Bauteil endgeformt wird.