DE10350089A1

DE10350089A1 - Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen eines Werkstückes

Info

Publication number: DE10350089A1
Application number: DE2003150089
Authority: DE
Inventors: Uwe Degenhardt
Original assignee: Alcan Deutschland GmbH
Current assignee: Novelis Deutschland GmbH
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: DE10350089B4; EP1543894A1

Abstract

Eine Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen eines Werkstückes weist eine positive Form und eine negative Form (2) auf, wobei die positive Form eine oder mehrere Erhebungen (18) aufweist und die negative Form eine oder mehrere mit der oder den Erhebungen korrespondierende Ausnehmungen aufweist, in die hinein ein Werkstück bei relativer Bewegung der positiven Form in Richtung der negativen Form tiefgezogen wird. Die Tiefziehvorrichtung weist ferner mindestens einen Randflächenniederhalter (20), der zur Ausbildung eines Kontaktbereichs zwischen dem Randflächenniederhalter und dem niederzuhaltenden Werkstück zumindest eine durchgehende Randniederhaltefläche aufweist, die im wesentlichen mit einer zumindest eine der Ausnehmungen vollständig umgebenden Randfläche korrespondiert, und zumindest einen außerhalb des Randflächenniederhalters oder außerhalb eines jeden der Randflächenniederhalter angeordneten Niederhalters (24), der unabhängig von zumindest einem Randflächenniederhalter (20) bewegbar und/oder mit Kraft belastbar ist, auf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen eines Werkstücks, vorzugsweise eines Werkstücks aus Metall.

Beim Tiefziehen von Folien oder dünnen, plattenförmigen Materialien, wie Blechen, treten in der Regel nicht nur Zugspannungen im Werkstück in Zugrichtung auf, sondern insbesondere im Bereich von konkaven Innenradien der Matrize auch Druckspannungen quer zur Zugrichtung, da im Bereich der Radien, über die das Material gezogen wird, das Material in Umfangsrichtung zusammengezogen wird.

Dadurch kann es im Flanschbereich zu einer Faltenbildung kommen. Der Flanschbereich ist dabei der im wesentlich ebene Bereich des Werkstücks um eine Vertiefung herum, die im Werkstück durch den Tiefziehvorgang ausgebildet wird. Die Faltenbildung kann sich im Seitenwandbereich des tiefzuziehenden Werkstücks fortsetzen, oder unabhängig davon aufgrund von Schubspannungen im Seitenwandbereich entstehen.

Diese ungewünschten Verformungen treten insbesondere bei ungünstigen geometrischen Gegebenheiten auf, etwa, wenn aus einem Blech oder einer Folie ein Werkstück mit mehreren Vertiefungen gezogen wird, in einem schmalen Stegbereich zwischen benachbarten Vertiefungen und hier wiederum insbesondere in dem Bereich des Steges, der zwischen zwei konkaven Seitenwandflächen der Vertiefungen gebildet ist. Besondere Schwierigkeiten sind daher damit verbunden, bei einer Form mit beispielsweise drei Vertiefungen den Mittelbereich des sternförmigen Mittelsteges faltenfrei zu ziehen.

Ebenfalls schwierig ist es, bei Werkstücken, die eine konische Form der Seitenwände aufweisen, also bei Formen, bei denen sich der Stempel oder die Patrize in Richtung der negativen Formhälfte oder der Matrize verjüngt, einen faltenfreien Seitenwandbereich zu erhalten, da es in diesem Fall nicht möglich ist, die Seitenwände des Werkstücks zwischen den Oberflächen der positiven und der negativen Form während des Ziehvorganges zu führen.

Ein typischer Fall für Werkstücke, die tiefgezogen werden, sind Menüschalen, die in der Regel aus plastisch verformbarem Folienmaterial oder dünnen Blechen, vorzugsweise aus Aluminium hergestellt werden, und die anschließend mit Essen befüllt und dann mit einem Deckel dicht verschlossen werden sollen. Dabei wird der zwischen Schale und Deckel gebildete Innenraum üblicherweise im Bereich zwischen einem Flansch der Schale und dem Deckel nach außen hin abgedichtet. Bei Menüschalen mit mehreren Vertiefungen werden zusätzlich auch im Stegbereich zwischen den einzelnen Vertiefungen Dichtflächen vorgesehen, so dass jede Vertiefung durch die Abdichtung zum Deckel hin einen abgeschlossenen Raum bildet, der sowohl nach außen dicht ist als auch von den Räumen, die durch die anderen Vertiefungen gebildet sind, dicht abgeschlossen ist.

Aufgrund der genannten Faltenbildung im Flansch- und Stegbereich beim Tiefziehen besteht bei solchen Menüschalen die Schwierigkeit, die Behälter einwandfrei dicht zu versiegeln, da eine faltige Oberfläche schwieriger abzudichten ist als eine glatte Oberfläche. Außerdem erschwert eine Faltenbildung sowohl im Flanschbereich als auch im Seitenwandbereich eine ästhetische Formgebung der Menüschalen.

Stand der Technik

Um trotz der Unebenheiten eine hinreichend dichte Versiegelung zu ermöglichen, wurden bislang verschiedene Lösungswege beschritten.

Zum einen wurde versucht, die Falten im Behälterflansch nachträglich eben zu drücken. Dazu waren zum einen hohe Anpressdrücke erforderlich zum anderen wurden die Falten in der Regel nur sägezahnartig umgelegt und flach gedrückt, wodurch Hohlräume und Kapillaren entstehen konnten, die wiederum zu einer ungenügenden Dichtigkeit führten.

In der DE 33 37 684 A1 wurde daher vorgeschlagen, anstelle die Falten des Behälterflansches flachzudrücken, sie mit ihren ursprünglichen großen Krümmungsradien beizubehalten, und den Deckel so anzudrücken, dass er in die Falten eingedrückt wird, um so eine dichte Verbindung zwischen Deckel und Behälterrand zu schaffen.

Dagegen schlägt die EP 0 220 997 B1 unter anderem vor, ausreichend Siegelmasse auf die Siegelfläche aufzubringen, um die Unebenheiten aufzufüllen und so eine Dichtung zwischen Behälter und Deckel zu schaffen.

Um auf beim Tiefziehvorgang entstehende Druckspannungen zurückzuführende unterschiedliche Wandstärken von tiefzuziehenden becherförmigen Werkstücken zu vermeiden, schlägt die Patentschrift US 4,745,792 vor, aus mehreren, einzeln ansteuerbaren Segmenten bestehende Niederhalter in konzentrischen Kreisen um die Ausnehmungen der negativen Tiefziehform herum anzuordnen.

Die britische Patentanmeldung GB 2 200 862 A zeigt eine Tiefziehvorrichtung mit einem um eine Tiefziehöffnung herumreichenden, geschlossenen Niederhalter, dessen Niederhaltedruck eingestellt werden kann, und der mit einem Anschlag versehen ist, um eine übermäßige Verdünnung der Materialstärke im Flanschbereich zu vermeiden.

In beiden Fällen ist die Geometrie der Niederhalter nicht auf einen Flansch- und Stegbereich des Werkstückes abgestimmt, der am fertigen Werkstück verbleiben soll. Dadurch kann auch der Niederhaltedruck in diesem Bereich nicht exklusiv und unabhängig vom übrigen Niederhaltebereich optimiert werden.

Bei einer Anordnung der Niederhalter, wie im Stand der Technik beschrieben, befinden sich im Stegbereich zwischen mehreren tiefzuziehenden Vertiefungen eines Werkstücks keine Niederhalter, so dass es dort immer noch zu Faltenbildung kommen kann.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Faltenbildung zu vermeiden, zu der es aufgrund der Beanspruchung des Werkstücks beim Tiefziehvorgang kommen kann, insbesondere in einem flanschartigen Randbereich aber auch im Seitenwandbereich des herzustellenden Teils.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dementsprechend ist eine Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen eines Werkstückes vorgesehen, mit einer positiven Form und einer negativen Form, etwa einer Patrize oder einem Stempel und einer Matrize oder einer Ausnehmung. Die Formhälften sind dabei so gestaltet, dass eine Folie oder ein Blech, das zwischen positiver und negativer Form positioniert wird, umgeformt bzw. tiefgezogen wird, wenn die beiden Formhälften ineinander verfahren werden, wobei eine Relativbewegung zwischen den Formhälften durch eine Bewegung der einen, der anderen oder beider Formhälften erfolgen kann. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist dabei zumindest einen Randflächenniederhalter auf, sowie Niederhalter, die bei einer Betrachtung der zweidimensionalen Werkstückebene von dem Bereich einer der Vertiefungen/Erhebungen aus gesehen, außerhalb des Randflächenniederhalters angeordnet sind.

Dabei weist der Randflächenniederhalter zumindest eine durchgehende Randniederhaltefläche auf, die geometrisch auf einen Randbereich des Werkstücks abgestimmt ist, der bei dem fertigen Werkstück als Flanschbereich um eine ausgeformte Vertiefung herum verbleibt. Ein Vorteil einer durchgehenden Fläche des Werkzeugs ist dabei, dass damit eine hohe Güte insbesondere Ebenheit an der korrespondierenden Fläche des Werkstücks erzeugt werden kann. Die Randniederhaltefläche korrespondiert dabei im wesentlichen mit einer zumindest eine der Ausnehmungen vollständig umgebenden Randfläche der anderen Werkzeughälfte, die beim Niederhalten des Werkstück als Widerlager für den Niederhalter dient. Berührungsflächen des Werkzeugs mit dem Werkstück im Randflächenbereich werden demnach auf beiden Seiten des Werkstücks gebildet: einerseits auf der Seite des Niederhalters zwischen Niederhaltefläche und Werkstück und andererseits auf der anderen Werkstückseite mit der Randfläche der Matrize. Ebenso verhält es sich bei einem Niederhalter, der außerhalb des Randflächenniederhalters angeordnet ist. Dabei sind Niederhalter und Randflächenniederhalter unabhängig voneinander bewegbar und/oder mit Kraft belastbar ist, so dass Niederhaltekraft bzw. Niederhaltedruck in einem Randbereich des Werkstücks und in einem Bereich außerhalb dieses Bereichs unabhängig voneinander einstellbar sind.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Niederhaltedrücke, die auf das tiefzuziehende Werkstück um die tiefzuziehenden Vertiefungen herum aufgebracht werden einerseits auf die sich während des Tiefziehvorganges verändernden geometrischen Randbedingungen und andererseits auf die Materialeigenschaften des Werkstücks abgestimmt werden können und dass dabei die Form des fertigen Werkstücks berücksichtigt werden kann.

Dazu wird die gesamte Niederhaltefläche außerhalb der Ausnehmungen der Form gedanklich in einen Randflächenbereich und einen Bereich außerhalb des Randflächenbereiches aufgeteilt und korrespondierend zu dieser Aufteilung getrennt voneinander Randflächenniederhalter und Niederhalter außerhalb der Randfläche vorgesehen. Ein Randflächenniederhalter wird dabei geometrisch auf den Teil des Flanschbereiches eines Werkstücks abgestimmt, der an einem fertigen Werkstück verbleiben soll (Werkstückflanschbereich) und eine um eine Vertiefung des Werkstücks herumreichende durchgehende Siegelfläche aufweisen soll. Dabei ist Abstimmen nicht so zu verstehen, dass die Randniederhaltefläche des Randflächenniederhalters identisch mit der Siegelfläche oder dem Werkstückflanschbereich sein muss. So kann der Randflächenniederhalter so geformt sein, dass das Material schon etwas außerhalb des Werkstückflanschbereich niedergehalten wird, um eine Faltenbildung, die sich in den Werkstückflanschbereich fortsetzten könnte, schon außerhalb an der Entstehung zu hindern. Genauso kann die Randniederhaltefläche kleiner gewählt werden, z.B. kann es sinnvoll sein, die Randniederhaltefläche korrespondierend mit der Siegelfläche zu wählen, wobei der Werkstückflanschbereich auch größer als die eigentliche Siegelfläche sein kann. Durch eine entsprechende Wahl kann während des Tiefziehvorganges der Werkstückflanschbereich unabhängig von dem Bereich niedergehalten werden, der außerhalb dieses Bereiches liegt. Dadurch kann in dem Randflächenbereich der Niederhaltedruck so eingestellt werden, dass er unterhalb eines gerade noch zulässigen Maximums liegt oder dieses gerade erreicht.

Dieses Maximum wird unter anderem durch zwei wesentliche Parameter definiert. Zum einen durch die Fließgrenze des Werkstoffs, die durch den Niederhaltedruck nicht überschritten werden darf. Zum anderen resultiert aus der Niederhaltekraft des Randflächenniederhalters und der anderen Niederhalter, die eine Normalkraft auf das Werkstück erzeugen, eine Reibkraft senkrecht zu der Normalkraft. Diese Reibkraft wirkt einer Bewegung des Materials entgegen, welche das Material der niedergehaltenen Bereiche während des Tiefziehvorganges in Richtung der Vertiefung vollziehen muss, um ein „Nachfließen" in die Vertiefung hinein zu ermöglichen. Diese Reibkraft darf nicht so groß werden, dass es zum Abreißen des Materials kommt. Dadurch ist der zweite Parameter, von dem gesprochen wurde, dadurch definiert, dass die Komponente der Niederhaltenormalkraft, die von dem Randflächenniederhalter erzeugt wird, nicht so groß ist, dass aus ihr zusammen mit der Komponente der Niederhaltenormalkraft der anderen Niederhalter eine Reibkraft resultieren würde, die zu einem Abreißen des Materials führen würde.

Dadurch kann die Niederhaltekraft bzw. der Niederhaltedruck im Randflächenniederhaltebereich bis hin zu dem genannten Maximum so eingestellt werden, dass einer Tendenz des Werkstoffs den Druckspannungen zu folgen und sich dabei aufzuwerfen und Falten zu bilden, entgegengewirkt wird. Die Niederhaltekraft der außerhalb des Randflächenniederhalters angeordneten Niederhalter kann weitgehend unabhängig davon eingestellt werden. Eine Abhängigkeit besteht nur insoweit, als die Summe der von Randflächenniederhalter und Niederhalter erzeugten Normalkräfte nicht zu einer resultierenden Reibkraft führen darf, die ein ungenügendes Nachfließen des Materials verursachen würde.

Darüber hinaus ermöglicht der durchgehende Randflächenniederhalter, dass beim Tiefziehen nicht nur eine faltenfreie sondern auch eine mit der Randniederhaltefläche korrespondierende durchgehende und glatte Randfläche im Flanschbereich des Werkstücks erzeugt wird.

Weiterhin kann der Niederhalter außerhalb des Randflächenniederhalters eine Niederhaltefläche aufweisen, die zur Ausbildung einer Kontaktfläche entlang des Umfangs des Randflächenniederhalters entweder durchgehend oder unterbrochen gestaltet ist. Dadurch kann einem Materialfluss beim Tiefziehen in verschiedenen Umfangsbereichen je nach Gestaltung des Niederhalters ein unterschiedlicher Widerstand entgegengebracht werden, so dass der Materialfluss so gesteuert werden kann, dass auch in den Seitenwandbereichen eine Faltenbildung zumindest vermindert werden kann.

Die Vorteile der Vorrichtung liegen daher insbesondere darin, dass die als Siegelfläche dienenden Randbereiche einer Menüschale aber auch die Seitenwände der Menüschale faltenfrei gezogen werden können. Infolge dieser Vorteile kann die Fuge zwischen einem fertigen Behälter und einem Deckel leichter abgedichtet und versiegelt werden, das fertige Produkt bietet unter anderem ein ästhetisches Bild, eine nachträgliche Glättung der Siegelfläche entfällt, und es kommt bei Verwendung einer Siegelmasse zu Materialeinspaarungen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Danach besteht der Niederhalter vorteilhaft aus mehreren Segmenten, die unabhängig voneinander bewegbar und/oder mit Kraft belastbar sind. Dadurch kann die Niederhaltekraft und damit die Reibkraft, die dem Nachfließen des Materials in Richtung der Vertiefung entgegensteht, abschnittsweise fein voreingestellt werden, wodurch der Materialfluss gerade in Bereichen (enger) Innenradien am Rand der Vertiefung genau nach den geometrischen Gegebenheiten gesteuert werden kann, so dass eine Faltenbildung im Randbereich und auch im Seitenwandbereich deutlich verringert und sogar ganz vermieden werden kann.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dieser positive Effekt auf den gesamten Umfangsbereich um eine oder mehrere Vertiefungen herum ausgeweitet, weil nach diesem Anspruch der Niederhalter so ausgebildet ist, dass er ein durchgehende äußere Niederhaltefläche aufweist. So kann der Materialfluss an jeder beliebigen Stelle um den gesamten Tiefziehbereich herum kontrolliert und gesteuert werden.

Bevorzugt zeichnet sich eine weitere vorteilhafte Ausführungsform dadurch aus, dass mit der beanspruchten Tiefziehvorrichtung auch Formteile frei gezogen werden können, also ohne Führung der Seitenwände des Werkstücks während des Tiefziehvorgangs. Die so gezogenen fertigen Werkstücke weisen sich zum Boden der Werkstücke hin verjüngende Seitenwände auf, so dass, z. B. wenn die fertigen Werkstücke Menüschalen sind, diese Menüschalen im unbefüllten Zustand ineinander gestellt werden können und platzsparend transportiert oder aufbewahrt werden können. Gerade beim freien Ziehen der Seitenwände kommt die segmentartige Struktur der Niederhalter und damit die feine Steuerbarkeit des Materialflusses beim Tiefziehvorgang voll zum Tragen, so dass auch frei gezogene Seitenwandbereiche, faltenfrei gezogen werden können.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Tiefziehvorrichtung zumindest eine zum Bodenbereich der jeweiligen Ausnehmung und/oder einem Stirnbereich der jeweiligen Erhebung im wesentlichen parallele Randniederhaltefläche auf. Dadurch können z. B. Menüschalen hergestellt werden, bei denen der Flanschbereich, der an der fertigen Menüschale verbleibt, eine ebene Fläche darstellt, die leichter zu versiegeln ist, als wenn die Siegelfläche um die Vertiefung der Schale herum zur Vertiefung hin abfallen oder ansteigen würde.

Einen ähnlichen Vorteil weist bevorzugte Tiefziehvorrichtung auf, bei der zumindest zwei Randniederhalteflächen in einer Ebene verlaufen. Aus optischen Gründen kann es gewünscht sein, dass die Randbereiche von Vertiefungen bei Menüschalen mit mehreren Vertiefungen in unterschiedlichen Ebenen verlaufen, wobei es erforderlich wäre, die Vertiefungen entweder einzeln mit einem Deckel zu verschließen, oder einen Deckel vorzusehen, der korrespondierend mit den Rändern der Vertiefungen in unterschiedlichen Ebenen verläuft. Bestehen solche optischen Gründe nicht, ist es vorteilhaft, wenn die Siegelflächen in einer Ebene liegen. So kann ein ebener Deckel verwendet werden, der einfach herzustellen ist. Außerdem ist für diesen Fall auch eine nicht weiter beschriebene Vorrichtung zum Verschließen der Menüschalen mit einem Deckel leichter herzustellen.

Vorteilhaft ist in bestimmten Anwendungsfällen eine Vorrichtung, bei der zumindest die durchgehenden Randflächen zweier oder mehrerer der Vertiefungen zu einer einheitlichen durchgehenden Randfläche ohne Unterbrechung vereint sind. In Bezug auf die Gestaltung der Randbereiche wäre es denkbar, diese so zu formen, dass die Siegelflächen um die einzelnen Vertiefungen einer fertigen Menüschale herum nicht eine einzelne zusammenhängende Fläche bilden, sondern mehrere voneinander beabstandete Flächen. Das könnte zum Beispiel aus optischen Gründen gewollt sein. Darüber hinaus kann es sein, dass zwischen zwei Vertiefungen eine Fuge vorgesehen werden soll, die als eine Art Scharnier fungieren soll. Dann könnte eine Vertiefung auf die andere Vertiefung geklappt werden, so dass die Deckelflächen aufeinander zu liegen kommen. Das hätte den Vorteil, dass bei Verwendung von dünnen Folien als Deckel diese nicht offen liegen würden und somit im Transport geschützt wären. Ist all das nicht gewünscht, bietet die bevorzugte Vorrichtung den Vorteil, dass eine Vorrichtung mit einer durchgehenden Randniederhaltefläche einfacher herzustellen ist, da z. B. das korrespondierende Niederhalterteil aus einem Stück hergestellt werden kann und auch in einem Arbeitgang bearbeitet werden kann. Darüber hinaus ist eine mit einer solchen Vorrichtung hergestellte Menüschale einfacher zu versiegeln, insbesondere in Stegbereichen zwischen Vertiefungen gibt es dann nur eine Siegelfläche und nicht zwei parallel verlaufende Siegelflächen.

Zur Erklärung des Vorteils einer weiteren bevorzugten Vorrichtung sei ausgeführt, dass sich die Kontaktfläche eines Niederhalters mit dem Werkstück während des Tiefziehvorganges verändern wird, da das Material des Werkstücks, das sich zu Beginn des Tiefziehvorganges in der Ebene um die Ausnehmungen der Form herum befand und dort flächig niedergehalten wird, während des Tiefziehvorganges in die Ausnehmung hineingezogen wird, so dass idealer Weise gegen Ende des Tiefziehvorganges keine unerwünschten Überstände übrigbleiben, diese also auch nicht mehr niedergehalten werden können. Das hat zur Folge, dass während des Tiefziehvorganges die niederzuhaltende Fläche des Werkstücks immer kleiner wird, was bei gleichbleibender Niederhaltekraft zu einem Anstieg des Niederhaltedrucks bis in einen ungewünschten Bereich führen kann. Zudem kann es wünschenswert sein, unabhängig von der niedergehaltenen Fläche, die Niederhaltekraft während des Tiefziehvorganges zu verändern um in bestimmten Abschnitten des Tiefziehvorganges ein leichteres Nachfließen des Materials zu ermöglichen oder dies zu erschweren, da, je nachdem welcher Abschnitt einer Form eines Werkstücks während des Tiefziehvorganges gerade geformt wird, ein unterschiedlicher Materialbedarf bestehen kann. Der Vorteil der bevorzugten Vorrichtung, bei der bei einem Niederhalter und/oder bei einem Segment eines Niederhalters und/oder bei einem der Randflächenniederhalter während des Tiefziehvorganges die Niederhaltekraft veränderbar ist, liegt darin, dass zum einen der Materialfluss während des Tiefziehvorganges beeinflusst werden kann und auf die sich während des Tiefziehvorganges ändernden geometrischen Gegebenheiten abgestimmt werden kann.

Einen weiteren Vorteil weist eine bevorzugte Ausführungsform auf, gemäß der ein Scherelement zum Ausstanzen des fertig tiefgezogenen Werkstücks vorgesehen wird, so dass das fertige Teil nicht in einem weiteren Arbeitsgang beschnitten werden muss. Vorteilhaft ist hierbei weiterhin, dass nicht nur ein weiterer Arbeitsschritt des Beschneidens entfällt, sondern dass auch kein zweites Werkzeug zum Ausstanzen gefertigt werden muss. So kann z. B. ein Scherelement aus je einem zusätzlichen Teil auf Seiten der positiven und negativen Formhälfte der Tiefziehvorrichtung bestehen, es kann aber auch aus nur einem zusätzlichen Teil auf einer Seite einer der Formhälften bestehen, das dann z.B. mit der Kante des Teils der Matrize eine Scherpaarung bildet, welches die mit der Randniederhaltefläche korrespondierende Randfläche aufweist. Denkbar wäre sogar, dass das Scherelement gänzlich ohne zusätzliche Teile dadurch geschaffen wird, dass die äußere Kante von einem Randflächenniederhalter und die Kante von einem auf der anderen Formhälfte angeordneten, mit einem Niederhalter korrespondierenden Teil eine Scherpaarung bilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beispielhaft in den beigefügten Figuren gezeigten Ausführungsform beschrieben. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer unteren Formhälfte einer bevorzugten Ausführungsform einer Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen einer Menüschale mit drei Vertiefungen, und
2 eine Schnittansicht eines Zusammenbaus einer Tiefziehvorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist eine Formhälfte einer Tiefziehvorrichtung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die dargestellte Formhälfte entspricht der unteren Formhälfte der in 2 in einer Schnittansicht gezeigten Tiefziehvorrichtung.
Die dargestellte Formhälfte wird in einer Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen von Menüschalen mit drei Vertiefungen verwendet. Die drei Centerblöcke, welche die drei Erhebungen der positiven Formhälfte der Tiefziehvorrichtung darstellen und den drei Vertiefungen der herzustellenden Menüschale entsprechen, sind in der Zeichnung mit den Bezugszeichen 18a, 18b und 18c bezeichnet. Diese drei Centerblöcke sind in den drei Ausnehmungen eines als Schulterring 20 bezeichneten Randflächenniederhalters angeordnet. Eine werkstückseitige Randniederhaltefläche (in 2 mit Bezugszeichen 14 bezeichnet) des Schulterrings 20 verläuft, wie in der Zeichnung ersichtlich, in einer Ebene parallel zu Stirnbereichen (in 2 mit Bezugszeichen 12 bezeichnet) der drei Centerblöcke 18a, 18b und 18c. Dabei umgibt diese einheitliche, durchgehende Randniederhaltefläche 14 ohne Unterbrechung alle drei Centerblöcke 18a, b und c. Der Form des Schulterrings entsprechend kann eine Menüschale hergestellt werden, die an ihrem Rand eine durchgehende, ebene und glatte Siegelfläche aufweist.
Um den Schulterring herum ist der Niederhalter 24 angeordnet, der vorliegend aus acht Niederhaltesegmenten 24a, 24b, ..., 24h besteht, die werkstückseitig eine gemeinsame äußere Niederhaltefläche (in 2 mit Bezugszeichen 16 bezeichnet) aufweisen. Die Niederhaltesegmente 24a, 24b, ..., 24h können jeweils einzeln und unabhängig voneinander von je einem (nicht dargestellten) Luftzylinder mit Kraft beaufschlagt werden, wobei die Kraft insbesondere auch während des Tiefziehvorganges veränderlich gesteuert werden kann. Wiederum um die Niederhaltesegmente 24a, 24b, ..., 24h herum ist ein Segmenthalter 26 angeordnet, mit dem die Segmente zusammengehalten und in dem sie geführt werden.
Am äußeren Umfang des Schulterrings 20 wird zwischen dem Schulterring 20 und dem inneren Umfang des Niederhalters 24 eine Fuge gebildet. Diese Fuge weist eine Spaltbreite auf, die ausreicht, damit die oberen Enden eines Scherstempels 22, wie in 2 gezeigt, hindurchreichen können. Der äußere Umfang des Schulterrings 20 entspricht daher in dieser Ausführungsform einer Schnittkante 28, entlang der ein tiefgezogenes Werkstücks am Ende eines Tiefziehvorganges ausgestanzt wird.
In 2 wird eine Tiefziehvorrichtung, wie sie auf einer Presse montiert ist, dargestellt. Dabei zeigt die linke Hälfte der Zeichnung die Tiefziehvorrichtung in einem geöffneten Zustand und die rechte Hälfte der Zeichnung die Tiefziehvorrichtung in einem geschlossenen Zustand. Natürlich ist eine geöffnete und eine geschlossene Position in Wirklichkeit gleichzeitig nicht möglich, sondern die Tiefziehvorrichtung kann zum selben Zeitpunkt nur entweder geöffnet oder geschlossen sein. Erkenntlich ist dies z.B. daran, dass der Schulterring 20 in der Zeichnung sowohl in einer oberen als auch einer unteren Position gezeigt ist, tatsächlich aber aus einem Stück besteht. Der in der 2 dargestellte Schnitt läuft entlang einer Linie, die durch die beiden in 1 gezeigten vorderen Centerblöcke verläuft.
In 2 wird die negative Formhälfte mit dem Bezugszeichen 2, die positive Formhälfte mit 3 bezeichnet. Die positive Formhälfte 3 besteht unter anderem aus den Centerblöcken 18a, 18b und 18c, wobei der Centerblock 18c in der Zeichnung nicht dargestellt ist und von den beiden dargestellten Centerblöcken nur ein Centerblock stellvertretend mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet ist. Die Centerblöcke verjüngen sich in Richtung ihrer jeweiligen Stirnbereiche, so dass die schrägen Seitenwände einer herzustellenden Menüschale beim Tiefziehvorgang frei gezogen werden. Die so hergestellten fertigen Menüschalen können ineinander gesteckt und so gestapelt werden.
Weiterhin ist der Schulterring 20 mit einer Randniederhaltefläche 14 und der Niederhalter 24 mit einer äußere Niederhaltefläche 16 dargestellt. Wie in 1 ersichtlich, reicht die Niederhaltefläche 16 komplett um den Schulterring 20 herum und besteht aus Segmenten.
Weiterhin sind dargestellt der Schulterring 20, der aus Niederhaltersegmenten 24a, b, ..., h (von denen im Schnitt nur zwei zu sehen sind und nur eines stellvertretend mit 24 bezeichnet ist) bestehende Niederhalter 24 und ein Scherstempel 22, der zwischen dem Schulterring 20 und dem Niederhalter 24 angeordnet ist.
Die negative Formhälfte 2 weist unter anderem ein negatives Formelement 8 und ein Niederhalterwiderlager 4 auf. An dem negativen Formelement 8 ist in jeder der mit den Centerblöcken 18 korrespondierenden Ausnehmungen ein Bodenbereich 10 gebildet, und das negative Formelement 8 weist werkstückseitig eine Randfläche 6 auf. Auch das Niederhalterwiderlager 4 weist werkstückseitig eine äußere Fläche 5 auf. Dabei korrespondiert die Randfläche 6 mit der Randniederhaltefläche 14 des Schulterrings 20 der positiven Formhälfte 3 und die äußere Fläche 5 mit der äußeren Niederhaltefläche 16 des Niederhalters 24 der positiven Formhälfte 3.
Außerdem weist das Niederhalterwiderlager 4 auf der Seite der äußeren Fläche 5 an der Fuge zwischen dem Niederhalterwiderlager 4 und dem negativen Formelement 8 eine Nut auf, die komplett um den äußeren Umfangsbereich des negativen Formelementes herumreicht, und die etwas breiter ist als das Ende des Scherstempels 22, das sich auf dessen werkstückzugewandter Seite befindet. Demnach kann der Scherstempel in diese Nut hineinverfahren. Dabei weisen die innere Umfangskante des Scherstempels 22 und die äußere Umfangskante des negativen Formelementes 8 eine Scherpassung auf, so dass diese beiden die Schnittkante 28 bilden, entlang der ein fertig tiefgezogenes Werkstück am Ende des Tiefziehvorganges ausgestanzt wird.
Im Weiteren wird die Funktionsweise der beschriebenen Tiefziehvorrichtung beschrieben.
Zu Beginn des Arbeitsvorganges ist die Tiefziehvorrichtung geöffnet, und es wird ein Werkstück zwischen die negative Formhälfte 2 und die positive Formhälfte 3 eingeführt. Das betreffende Werkstück besteht vorzugsweise aus einem dünnen Aluminiumblech oder aus einer stabilen Aluminiumfolie. Dann wird die Form geschlossen und somit der Tiefziehvorgang eingeleitet. Dabei wird bei dem Verfahrweg der Formhälften 2 und 3 aufeinanderzu das Werkstück zunächst zwischen bestimmten Bereichen der beiden Formhälften eingespannt. Diese Bereiche entsprechen der Randniederhaltefläche 14 bzw. der auf der anderen Seite des Werkstücks liegenden korrespondierenden Randfläche 6 und außerhalb dieser beiden Flächen der äußeren Niederhaltefläche 16 bzw. der mit dieser korrespondierenden äußeren Fläche 5 auf der anderen Seite des Werkstückes.
Ist dieser Berührungskontakt zwischen der Werkstückoberfläche und den entsprechenden Oberflächen der beiden Formhälften hergestellt, tritt während des nun folgenden Verfahrweges der beiden Formhälften aufeinanderzu zunächst lediglich eine Relativbewegung zwischen den Centerblöcken 18 und den restlichen Teilen auf. Keine Relativbewegung tritt dagegen zwischen dem Schulterring 20, dem Scherstempel 22, dem Niederhalter 24, dem Niederhalterwiderlager 4 und dem negativen Formelement 8 auf. In anderen Worten: Die Centerblöcke 18 bewegen sich in die korrespondierenden Ausnehmungen des negativen Formelementes 8 hinein, bzw. die Centerblöcke stehen fest, und die anderen Teile bewegen sich. Dabei kann das negative Formelement 8 über die Randfläche 6 und das Niederhalterwiderlager 4 über die äußere Fläche 5 auf das Werkstück und über dieses auf die Randniederhaltefläche 14 bzw. die äußere Niederhaltefläche 16 eine Kraft ausüben. Die beiden Teile können somit gleichzeitig mit ihrer eigenen Bewegung den Schulterring 20, den Scherstempel 22 und den Niederhalter 24 nach unten drücken. Da das Werkstück, wie beschrieben, zwischen den betreffenden Elementen der negativen Formhälfte 2 und der positiven Formhälfte 3 eingespannt ist, werden die eingespannten Bereiche des Werkstückes ebenfalls nach unten bewegt, so dass der Stirnbereich 12 der Centerblöcke 18 in das Werkstück eintaucht. Dabei fließt Material des Werkstücks zum einen aus den eingespannten Flanschbereichen und zum anderen aus dem Kontaktbereich des Werkstückes mit dem Stirnbereich 12 der Centerblöcke 18 in die entstehenden Seitenwandbereiche des Werkstückes.
Während bei der beschriebenen Ausführungsform Material aus den eingespannten Flanschbereichen des Werkstücks nur wie nachfolgend beschrieben dosiert in den Seitenwandbereich fließen kann, befindet sich der Bodenbereich 10 der negativen Formhälfte zunächst nicht in Kontakt mit der Werkstückoberfläche, so dass Material aus dem Bodenbereich des Werkstückes zunächst nur an dem Stirnbereich 12 der Centerblöcke 18 anliegt und frei in die Seitenwandbereiche fließen kann. Dadurch, dass das Material hier über konvexe Außenradien der Centerblöcke fließt, wird die Fläche, über die das Material verteilt wird, auseinander gezogen, wodurch keine Schubkräfte in diesem Bereich in dem Material entstehen, so dass eine Gefahr der Faltenbildung in diesem Seitenwandbereich nicht besteht.
Dagegen kann die Menge des nachfließenden Materials aus den jeweiligen Flanschbereichen des Werkstückes über eine Einstellung der Einspann- bzw. Niederhaltedrücke der Niederhaltersegmente 24a, b, ..., h und des Schulterrings 20 eingestellt werden. Eine entsprechende Einstellung der Niederhalterkräfte kann entweder über Federelemente erzeugt werden oder über pneumatische oder hydraulische Mittel. Da bei den herzustellenden Menüschalen vorzugsweise eine Aluminiumfolie tiefgezogen wird, die verhältnismäßig leicht verformbar ist, werden die Niederhaltersegmente in der Ausführungsform jeweils über (nicht dargestellte) Luftdruckzylinder mit Kraft beaufschlagt. Durch Verwendung von verschiedenen Luftdruckzylindern können die Niederhalterkräfte zum einen für jedes Niederhaltersegment einzeln eingestellt werden, zum zweiten können die Niederhalterkräfte während des jeweiligen Tiefziehvorganges verändert werden, zum dritten können die einzelnen Niederhalterkräfte (und deren Verlauf) jederzeit neu eingestellt oder verändert werden, so dass in derselben Tiefziehvorrichtung unterschiedliche Materialien verwendet werden können. Darüber hinaus bietet eine jederzeitige Einstellbarkeit des Kraftverlaufs den Vorteil, dass dieser nicht schon bei Konstruktion der Vorrichtung festgelegt werden muss, was insofern problematisch wäre, als eine genaue Vorhersage des Materialverhaltens und der Fließvorgänge bei einem solchen Tiefziehvorgang nur schwer möglich ist. Durch die Einstellbarkeit der Niederhalterkräfte kann daher eine Feineinstellung der einzelnen Kraftverläufe durch Ausprobieren ermittelt werden.
Eine Einstellung muss dabei so erfolgen, dass die Niederhaltedrücke an keiner Stelle des Werkstücks die Fließgrenze des Werkstückmaterials überschreiten, und dass weiterhin die aus den Niederhaltedrücken resultierenden Einspannkräfte nicht so groß sind, dass das Material beim Tiefziehvorgang abreißen würde. Unterhalb dieser Grenzen werden die Niederhaltekräfte so eingestellt, dass der Materialfluss aus den unterschiedlichen niedergehaltenen Bereichen so dosiert wird, dass es zu keiner Faltenbildung im Randbereich oder im Seitenwandbereich kommt. Eine Faltenbildung im Randbereich kann dabei zusätzlich durch eine geeignete Einstellung der Niederhaltekraft des Schulterrings 20 verhindert werden. Dadurch, dass der Schulterring 20 eine durchgehende, ebene Fläche aufweist, wird zudem gewährleistet, dass auch der Randbereich des fertigen Werkstücks eben und glatt ist und eine geeignete Siegelfläche bildet.
Bei einem weiteren Verfahren der negativen Formhälfte 2 in Richtung der positiven Formhälfte 3 wird nun auch ein Kontakt zwischen dem Bodenbereich des Werkstückes und dem Bodenbereich 10 der negativen Formhälfte hergestellt, so dass der Bodenbereich des Werkstücks zwischen dem Bodenbereich 10 und dem Stirnbereich 12 eingespannt wird. Auch hier kann eine Kraft entweder konstant gewählt oder über entsprechende Elemente einstellbar vorgesehen werden, so dass auch der Materialfluss aus dem Bodenbereich in Richtung der Seitenwände gesteuert werden kann.
Gegen Ende des Tiefziehvorgangs kommen die Centerblöcke 18 über das Werkstück an den Wandungen des negativen Formelementes 8 der negativen Formhälfte zum Anliegen, so dass nun auch zwischen den Centerblöcken und den Teilen der negativen Formhälfte 2 keine Relativbewegung mehr möglich ist. In dieser Position kann nun entweder der Scherstempel 22 nach oben bewegt werden, oder die negative Formhälfte 2 zusammen mit dem Werkstück, den Centerblöcken 18, dem Schulterring 20 und dem Niederhalter 24 nach unten bewegt werden, während der Scherstempel 22 auf einen Anschlag läuft, und der Scherstempel somit bei einem weiteren Verfahren der restlichen Teile eine Relativbewegung in Bezug auf diese ausführt, so dass das nun fertig tiefgezogene Werkstück entlang der Schnittkante 28 beschnitten wird.

Claims

Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen eines Werkstückes mit einer positiven Form (3) und einer negativen Form (2) wobei die positive Form (3) eine oder mehrere Erhebungen (18) aufweist und die negative Form (2) eine oder mehrere mit der oder den Erhebungen korrespondierende Ausnehmungen aufweist, in die hinein ein Werkstück bei relativer Bewegung der positiven Form in Richtung der negativen Form tiefgezogen wird, mit mindestens einem Randflächenniederhalter (20), der zur Ausbildung eines Kontaktbereichs zwischen dem Randflächenniederhalter (20) und dem niederzuhaltenden Werkstück zumindest eine durchgehende Randniederhaltefläche (16) aufweist, die im wesentlichen mit einer zumindest eine der Ausnehmungen vollständig umgebenden Randfläche (6) korrespondiert, und zumindest einem außerhalb des Randflächenniederhalters (20) oder außerhalb eines jeden der Randflächenniederhalter angeordneten Niederhalter (24), der unabhängig von zumindest einem Randflächenniederhalter (20) bewegbar und/oder mit Kraft belastbar ist.
Tiefziehvorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Niederhalter (24) aus mehreren Segmenten (24a, b, ..., h) besteht, von denen zumindest eines unabhängig von dem oder den anderen Segmenten bewegbar und/oder mit Kraft belastbar ist.
Tiefziehvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Segmente zur Ausbildung eines Kontaktbereiches zwischen den Segmenten und dem niederzuhaltenden Werkstück eine gemeinsame äußere Niederhaltefläche aufweisen, die im wesentlichen mit einer äußeren Fläche korrespondiert, die zumindest eine Randfläche vollständig umgibt.
Tiefziehvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer positiven Form, bei der sich zumindest eine Erhebung in Richtung auf die negative Form hin verjüngt.
Tiefziehvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Randniederhaltefläche (14) im wesentlichen parallel zu einem Bodenbereich (10) der jeweiligen Ausnehmung und/oder einem Stirnbereich (12) der jeweiligen Erhebung (18) verläuft.
Tiefziehvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei durchgehende Randniederhalteflächen (14) im wesentlichen in einer Ebene verlaufen.
Tiefziehvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwei oder mehrere durchgehende Randniederhalteflächen, die mit den Randflächen zweier oder mehrerer Ausnehmungen korrespondieren, zu einer einheitlichen durchgehenden Randniederhaltefläche (14) ohne Unterbrechung vereint sind.
Tiefziehvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der zumindest bei einem Niederhalter und/oder bei einem Segment eines Niederhalters und/oder bei einem der Randflächenniederhalter während des Tiefziehvorganges die Niederhaltekraft veränderbar ist.
Tiefziehvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit zumindest einem Scherelement (20) mit einer zumindest eine der Randniederhalteflächen umgebenden Schnittkante.