DE4034625A1 - Ziehverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ziehverfahren der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Vorrichtung zur Werkstückbearbeitung im Ziehverfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Art.

Bei der Blechbearbeitung unterscheidet man zwischen Streckziehen und Tiefziehen. Bei beiden Verfahren wird das auszuformende Blech an seinem Umfang eingespannt und durch einen quer zur Einspannebene bewegten Werk­ zeugstempel verformt. Während beim Tiefziehen der Blechrand so eingespannt ist, daß Blechmaterial aus dem Randbereich heraus in den Verformungsbereich nach­ fließen kann, ist beim Streckziehverfahren die Rand­ einspannung fest. Bei beiden Verfahren wird außer dem Werkzeugstempel eine Matrizenform mit Ziehkante be­ nutzt. Die beiden Werkzeuge, nämlich der Werkzeug­ stempel und die Matrizenform sind formgebundene Werk­ zeuge, d. h. sie müssen der herzustellenden Ausformung angepaßt sein. Dies bedeutet, daß für jedes Ziehteil entsprechende Werkzeuge hergestellt werden müssen. Da solche Werkzeuge sehr teuer sind, eignen sich die be­ kannten Ziehverfahren wegen des hohen Werkzeugaufwandes ausschließlich für die Serienfertigung.

Aus der Stanztechnik ist ferner ein Stanznibbler be­ kannt, bei dem ein eingespanntes Blech örtlich der Ein­ wirkung eines Stanzwerkzeugs und eines Matrizenwerk­ zeugs ausgesetzt wird, die in dem Blech einen kleinen Schlitz erzeugen. Durch eine Bahnsteuerung wird das Blech entsprechend einer vorgegebenen Stanzkontur der­ art bewegt, daß der Schlitz fortlaufend verlängert wird. Auf diese Weise können beliebige Werkstück­ konturen schrittweise ausgestanzt werden, wobei das Ausstanzen in einem einmaligen Umlauf des Bleches rela­ tiv zu den Werkzeugen erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ziehver­ fahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ange­ gebenen Art derart weiterzubilden, daß zur Herstellung von Ausformungen keine werkstückspezifischen formge­ bundenen Werkzeuge benötigt werden, so daß mit einem Werkzeugpaar Ausformungen von unterschiedlicher Form und Größe hergestellt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Ziehverfahren erfolgt eine örtliche Verformung des Blechs durch den sich relativ zur Ziehkante bewegenden Stempelkopf, dessen Größe viel kleiner ist als diejenige der herzustellenden Ausfor­ mung. Die örtliche Bearbeitung kann entlang der herzu­ stellenden Werkstückkontur fortschreiten, so daß das Ziehen mit Werkzeugen erfolgt, die nur lokal die Geo­ metrie der Ausformung bestimmen und in vielen kleinen Schritten weitergeführt werden. Hierbei kann der Stem­ pelkopf Schwingungen senkrecht zum Werkstück ausführen, also in Richtung der herzustellenden Ausformung, während die Ziehkante sich seitlich vom Stempelkopf befindet und das Matrizenwerkzeug den die Ausformung umgebenden Rand abstützt. Eine spezielle Eigenart dieses Ziehverfahren ist es, daß das Ziehen nicht in einem einzigen Schritt oder einem einzigen Umlauf durchgeführt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Um­ formung tafelförmiger Werkstücke, d. h. von Werkstücken, die aus Blech oder einem anderen Flächenmaterial, auch aus Kunststoff bestehen. Das Verfahren kann als Tief­ ziehverfahren oder als Streckziehverfahren ausgeführt werden.

Bei Vertikalbewegung des Stempelkopfes ist der Stempel­ weg dadurch begrenzt, daß bei zu großem Weg das Werk­ stück überbeansprucht wird. Derartig kleine Bewegungs­ amplituden reichen zur Herstellung der Ausformung in aller Regel nicht aus, so daß das Ziehverfahren in mehreren Stufen durchgeführt wird, bei denen die Aus­ formung zunehmend vervollständigt wird. Diese Stufen können entweder dadurch ausgeführt werden, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umläufen die Ausformung ver­ tieft wird, oder dadurch, daß die Vertiefung der Aus­ formung kontinuierlich erfolgt, indem die Absenkung des Stempelkopfes kontinuierlich erfolgt, so daß eine schraubenförmige Bewegung des Stempelkopfes erfolgt.

Ferner kann die Ausformung auch ohne hin- und her­ gehende Bewegung des Stempelkopfes ausgeführt werden, wobei Stempelkopf und Matrizenwerkzeug relativ zu­ einander festgehalten werden und der Spannrahmen relativ zu diesen beiden Teilen bewegt wird.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Kontursteuerung dadurch, daß ein Spannrahmen, in den das Werkstück eingespannt ist, entsprechend der Form der herzustellenden Aus­ formung in der Spannrahmenebene unter Steuerung durch ein Kontursteuergerät bewegt wird. Dabei werden der Stempelkopf und ggf. das Matrizenwerkzeug quer zur Spannrahmenebene verstellt, um die Tiefe des jeweiligen Ausformungsschritts zu verändern. Es ist aber auch mög­ lich, den Spannrahmen feststehend anzuordnen und die beiden Werkzeuge mit einer Kontursteuerung zu bewegen.

Schließlich kann auch der Spannrahmen die vertikalen Bewegungen ausführen. Wichtig ist in jedem Fall nur, daß Relativbewegungen zwischen dem Spannrahmen und den beiden Werkzeugen (Stempelkopf und Matrizenwerkzeug) zur fortlaufenden Veränderung des Bearbeitungsortes am Werkstück ausgeführt werden. Wenn Bewegungen des Stempelkopfes relativ zum Werkstück ausgeführt werden, sorgt die Kontursteuerung dafür, daß der Stempelkopf bei zwei aufeinanderfolgenden Bewegungen auf unter­ schiedliche Stellen des Werkstücks örtlich einwirkt.

Obwohl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängig­ keit von den jeweiligen Anforderungen, wie Material­ stärke, Materialbeschaffenheit und Kontur der her­ zustellenden Ausformung, unterschiedliche Stempelköpfe und Matrizenwerkzeuge eingesetzt werden können, ist keine spezielle Anpassung der jeweiligen Werkzeuge an die Form der Ausformung erforderlich. Es ist daher nicht erforderlich, Werkzeuge anzufertigen, die speziell der Kontur der Ausformung entsprechen und nur für eine derartige Ausformung geeignet sind. Das Ver­ fahren eignet sich daher besonders für Kleinserien oder für die Bearbeitung von Einzelstücken, wobei lediglich in die Steuerung die herzustellende Werkstückkontur übergeben werden muß und die Steuerung dann eine ge­ steuerte Werkzeugmaschine, die den Spannrahmen und die Werkzeuge bewegt, derart steuert, daß die Werkstück­ bearbeitung in zahlreichen kleinen Schritten aufein­ anderfolgend durchgeführt wird. Das Ziehverfahren arbeitet mit Werkzeugen, die nur lokal die Werkstück­ geometrie bestimmen und die Werkstückbearbeitung in zahlreichen kleinen Schritten ohne Werkzeugwechsel durchführen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Ziehteilen ohne Benötigung eines produktspezi­ fischen Werkzeugs.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens und der dazu benötigten Komponenten, und

Fig. 2 und 3 zwei Stufen eines mehrstufigen Bearbeitungs­ verfahrens.

Bei den in den Zeichnungen dargestellten Verfahren handelt es sich um ein Streckziehverfahren, bei dem der Werkstückrand fest eingespannt wird, jedoch ist hierauf die Erfindung nicht beschränkt.

Gemäß Fig. 1 ist das zu bearbeitende Werkstück, nämlich ein aus Metall bestehendes ebenes Blech 10, mit seinem Rand in einen Spannrahmen 11 eingespannt, der ein Unterteil 12 und ein Oberteil 13 aufweist, welche unter Einschluß des Blechrandes so fest gegeneinandergedrückt sind, daß das Blechmaterial aus dem Spalt des Spann­ rahmens heraus nicht nachfließen kann. Der Spannrahmen 11 kann unter Steuerung durch ein Steuergerät 14 in seiner Ebene in X- und Y-Richtung bewegt werden.

Über dem in dem Spannrahmen 11 befindlichen Blech 10 ist ein Stempelkopf 15 angeordnet, der das Oberwerkzeug bildet und bei dem hier beschriebenen Ausführungsbei­ spiel einen Kugelkopf 16 aufweist. Der Durchmesser des Kugelkopfes 16 ist wesentlich kleiner als der Durch­ messer der herzustellenden Ausformung des Bleches 10. Der Stempelkopf 15 ist von einem Schwingantrieb 17 in der Weise angetrieben, daß er Schwingbewegungen recht­ winklig zur XY-Ebene ausführen kann. Der Schwingantrieb 17 ist für den Bearbeitungsvorgang nicht unbedingt er­ forderlich, da die Bewegung des Stempelkofes 15 auch ausschließlich von einer nichtschwingenden Antriebs­ einrichtung 18 durchgeführt werden kann.

Unter dem Spannrahmen 11 ist das Matrizenwerkzeug 19 angeordnet, das ein aufragendes Matrizenelement 20 mit einer abgerundeten Ziehkante 21 aufweist. Das Matrizen­ element 20 ist an einem Halter 22 in Richtung des Doppelpfeiles 27 verschiebbar befestigt, der um eine Achse 23 schwenkbar ist, welche sich in axialer Aus­ richtung mit der Stempelkopfachse befindet. Der Schwenkantrieb wird ebenfalls von dem Steuergerät 14 entsprechend einem vorgegebenen Programm gesteuert, ebenso wie die Höhenverstellung des Matrizenwerkzeugs 19 in Richtung des Doppelpfeiles 27.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die abge­ rundete Ziehkante 21 einen geradlinigen Verlauf. Es kann auch ein Matrizenelement 20 benutzt werden, dessen Ziehkante gekrümmt ist. Wichtig ist, daß sowohl die Ziehkante 21 als auch der Stempelkopf 15 jeweils eine Abrundung aufweist, da im Falle scharfer Kanten Ein­ schnitte im Blech 10 erzeugt würden. Die Ziehkante 21 hat von der Achse 23 einen seitlichen Abstand, der in der Regel mindestens gleich der Blechstärke ist. Als Stempelkopf oder als Matrizenwerkzeug können auch dreh­ baren Rollen benutzt werden.

Gemäß Fig. 2 erfolgt eine gezielte Vorstreckung des mit seinem Flansch 25 im Spannrahmen 11 fest eingespannten Werkstücks 10 mit Stempelkopf 15 und dem Matrizenwerk­ zeug 19. Dabei wird das Matritzenelement 20 mit seiner Oberseite von unten her gegen das Werkstück gelegt und der Stempelkopf 15 zieht bei seiner vertikalen Bewegung das Blech 10 über die Ziehkante 21, wobei der Spann­ rahmen 11 in dem ortsfesten XY-Koordinatensystem ge­ steuert so bewegt wird, daß der Ziehspalt entsprechend der Seitenkontur der zu bildenden Ausformung bewegt wird. Dies bedeutet, daß der Stempelkopf 15 entlang der inneren Hüllkurve der Ausformung und das Matrizenwerk­ zeug 19 entlang der äußeren Hüllkurve der Ausformung (relativ zum Spannrahmen 11) bewegt wird. Dabei werden zahlreiche Umläufe, d. h. Umdrehungen, durchgeführt, wobei während jedes Umlaufs nur eine weitere Tiefe im Blech 10 ausgeformt wird.

Fig. 2 zeigt einen Zustand, in dem bereits zahlreiche Umläufe stattgefunden haben, wobei der Stempelkopf 15 nach jedem Umlauf oder Ziehschritt weiter abgesenkt wird, um den nächsten Ziehschritt auszuführen. Würde bei einem Ziehschritt eine zu große Verformung statt­ finden, würde die Gefahr bestehen, daß sich der in Fig. 2 bereits verformte (rechte) Teil des Blechs 10 zu­ rückbildet und daß das Blech somit nicht über die Zieh­ kante 21 gestreckt wird. Da sich der Werkstoff durch seine plastische Verformung verfestigt, kann durch ge­ zielt lokal eingebrachte Verformung eine solche Ver­ festigung erreicht werden, daß bei fortschreitender Bearbeitung Formrückbildungen verhindert werden.

Es sei angenommen, daß die herzustellende Ausformung rotationssymmetrisch ist und daß beispielsweise eine Schale oder Schüssel hergestellt werden soll. In diesem Fall verläuft die Vertikalachse des Stempelkopfes 15 außermittig zum Spannrahmen 11 und der Spannrahmen wird kontinuierlich gedreht, wobei die Ziehkante 21 stets tangential zur Ausformung verläuft. Die Ausformung muß aber nicht rotationssymmetrisch sein. Vielmehr kann durch entsprechende Bewegungssteuerung des Spannrahmens 11 auch erreicht werden, daß rechteckige oder anders­ geformte Ausformungen entstehen.

Fig. 3 zeigt den Zustand der Endbearbeitung des Werk­ stücks, wobei der Stempelkopf 15 durch einen Stempel­ kopf 15a mit geringerem Arbeitsdurchmesser und kleinerem Stempelkantenradius ersetzt ist und das Matrizenwerkzeug 19 durch ein Matrizenwerkzeug 19a mit einer Arbeitskante 21a von kleinerem Krümmungsradius ersetzt ist. Die generelle Regel besagt, daß Stempel­ kopf und Ziehkante zunächst mit relativ großen Krüm­ mungsradien verwendet werden und daß bei der End­ bearbeitung mit Werkzeugen mit immer kleineren Krüm­ mungsradien gearbeitet werden sollte. Auch bei der Bearbeitungsstufe von Fig. 3 führt der Stempelkopf 15a vertikale Bewegungen aus, während der Spannrahmen 11 der XY-Ebene so bewegt wird, daß die gesamte Umfangs­ fläche des Werkstücks den Ziehspalt zwischen Stempel­ kopf und Matrizenwerkzeug durchläuft. Auch die in Fig. 3 gezeigte Bearbeitung kann sich über zahlreiche Um­ läufe des Spannrahmens 11 erstrecken.

Dadurch, daß Stempelkopf 15 und Ziehkante 21 seitlich gegeneinander versetzt sind, erfolgt die Krafteinlei­ tung in das Werkstück indirekt, d. h. an anderer Stelle als die Umformung erfolgt.

Claims (12)

1. Ziehverfahren, bei dem ein an seinem Umfang ein­ gespanntes tafelförmiges Werkstück (10) durch einen Werkzeugstempel aus der Einspannebene heraus verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkzeugstempel ein Stempelkopf (15) be­ nutzt wird, dessen Ausdehnung parallel zur Ein­ spannebene viel kleiner ist als die Größe der her­ zustellenden Ausformung, daß auf der dem Stempel­ kopf (15) gegenüberliegenden Seite ein Matrizen­ werkzeug (19) angeordnet wird, das seitlich neben dem Stempelkopf (15) eine abgerundete Ziehkante (21) aufweist, und daß Stempelkopf (15) und Matrizenwerkzeug (19) relativ zu dem Werkstück (10) bewegt werden, derart, daß die an nur einem Teilbereich des Werkstücks erfolgende örtliche Be­ arbeitung entlang einer durch eine Steuerung be­ stimmten Bahn fortschreitet.

2. Ziehverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stempelkopf (15) relativ zum Matrizenwerkzeug (19) hin- und hergehende Ver­ tikalbewegungen ausführt.

3. Ziehverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Werkstück (10) an seinem Umfang in einen Spannrahmen (11) eingespannt wird und daß der Spannrahmen (11), der Stempelkopf (15) und das Matrizenwerkzeug (19) relativ zueinander in einem Koordinatensystem gesteuert bewegt werden.

4. Ziehverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die örtliche Blechbe­ arbeitung in mehreren Stufen in aufeinanderfolgend größer werdender Tiefe erfolgt.

5. Ziehverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der seitliche Abstand des Matrizen­ werkzeugs von dem Stempelkopf zwischen den oder während der Stufen verändert wird.

6. Ziehverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrizenwerkzeug (19) derart gesteuert um seine Vertikalachse gedreht wird, daß seine Ziehkante (21) stets tangential zu der Seitenwand der herzustellenden Ausformung verläuft.

7. Ziehverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Vertikalbewegungen des Stempelkopfes (15) eine Schwingung überlagert wird.

8. Vorrichtung zur Bearbeitung tafelförmiger Werk­ stücke im Ziehverfahren, mit einer Einspannvor­ richtung für das Werkstück und einem auf das ein­ gespannte Werkstück einwirkenden Werkzeugstempel, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einspannvorrichtung ein Spannrahmen (11) ist, der den Werkstückrand einspannt, daß der Werkzeugstempel ein Stempelkopf (15) ist, dessen Ausdehnung parallel zur Einspannebene viel kleiner ist als die Größe der herzustellenden Ausformung,
daß dem Stempelkopf gegenüber ein Matrizenwerkzeug (19) angeordnet ist, das seitlich neben dem Stempelkopf eine abgerundete Ziehkante (21) auf­ weist,
und daß eine Steuerung vorgesehen ist, die eine Relativbewegung zwischen Stempelkopf (15) und Matrizenwerkzeug (19) einerseits und Spannrahmen (11) andererseits zur Veränderung des Bear­ beitungsortes am Werkstück bewirkt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Schwingvorrichtung (17) den Stempelkopf (15) relativ zum Spannrahmen (11) in Schwingungen versetzt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Stempelkopf (15) und/oder das Matrizenwerkzeug einen Kugelkopf oder eine Rolle (16) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß das Matrizenwerkzeug (19) gesteuert um die Längsachse des Stempelkopfes (15) drehbar und zur Veränderung der Ziehspalt­ weite verschiebbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß Stempelkopf (15) und Matrizenwerkzeug (19) gemeinsam in der Höhe rela­ tiv zum Spannrahmen (11) verstellbar sind.