WO2014047669A1 - Verfahren zum biegen eines werkstücks - Google Patents

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WO2014047669A1
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heating
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temperature
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Gerhard Sperrer
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Trumpf Maschinen Austria Gmbh & Co. Kg.
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    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0294—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips involving a localised treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for folding workpieces made of sheet metal, wherein before and / or during the bending process, a bending strip containing, in particular strip-shaped forming on the workpiece to locally increase the formability is heated to a forming temperature below the melting temperature of the metal.
  • a bending strip containing, in particular strip-shaped forming on the workpiece to locally increase the formability is heated to a forming temperature below the melting temperature of the metal.
  • brittle materials such as magnesium, titanium, spring steels, high-strength Al alloys, high-strength steels or other known as brittle materials
  • breaking elongation ie the value of the plastic deformation that a work piece to be reshaped can endure up to the occurrence of a break.
  • yield ratio which sets the required tension in a workpiece at the beginning of a noticeable plastic deformation in relation to the maximum tolerable stress at break load from the workpiece.
  • the formability can be too low if bending radii are to be produced which are very small in relation to the sheet thickness, e.g. if the bending radius lies approximately in the area of the sheet metal thickness or is even smaller, as a result of which the tolerable material stress can be exceeded on the tension side of the forming zone.
  • EP 0 993 345 A1 discloses a method for bending a workpiece by mechanical force under selective heating of the workpiece along a bending line by laser radiation, in which an elongate radiation field is formed from one or more laser beams and through which Radiation field the workpiece is heated at all points along the bending line.
  • the object of the invention is to provide a generic bending method which avoids or at least reduces the mentioned adverse effects of heating the forming zone.
  • the object of the invention is achieved by a method according to claim 1.
  • the fact that the workpiece is heated before and / or during and / or after the bending process in at least one of the forming zone different heating zone by energy input from outside the workpiece, starting from an initial temperature to a treatment temperature below the melting temperature of the metal, which can be at a Distribution of the shrinkage stresses occurring alone heating the forming zone are influenced in such a way that gentler voltage curves result and the shrinkage stresses occurring are at least partially compensated.
  • the cooling of the forming zone can thereby be slowed down in a simple manner, since the outflow of heat from the forming zone is due to the increased temperature of the adjacent heating zone. ne is reduced and the propagation of internal stresses in the bending edge of the workpiece adjacent to the produced bending edge can be reduced.
  • a mathematical estimation of the thermal stresses resulting from the temperature changes on the workpiece and deformations caused thereby is achieved by means of constantly improved simulation calculations, e.g. FE methods, feasible and it is also possible based on computational models and possibly also inclusion of measurements during the process application before and / or during and / or after the actual forming process by need-based energy input to produce a temperature distribution in the workpiece, with the unwanted, after the cooling process remaining deformations can be reduced or eliminated.
  • simulation calculations e.g. FE methods
  • An advantageous method for the energy input into the heating zone can be selected from a group comprising heat transfer, heat conduction, heat radiation, convection, electromagnetic induction, electrical resistance heating, laser radiation, high-energy electromagnetic radiation, or a combination.
  • the use of laser radiation allows a rapid and precise increase in temperature in the heating zone, since the radiation emitted by a laser light source is flexibly adaptable in its intensity and by suitable means for beam guidance in its point of action.
  • the energy input into the heating zone can be carried out at a distance from the forming zone, whereby more options are available through a greater distance in the choice of the means used for the energy input. This facilitates simultaneous heating of the forming zone and the heating zone.
  • the treatment temperature has a predetermined temperature distribution with different temperature values.
  • the energy input may advantageously be from both sides of the sheet. In particular, with thicker sheets so can be saved heating time. By the energy input from both sides of the sheet is available for more area and can be increased at the same held intensity of the energy input, the heating power. The risk of local overheating up to reaching the melting temperature of the sheet can be kept low.
  • a simple and optionally calculable or definable temperature distribution in the workpiece can be effected if the heating zone is set oriented parallel to the bending edge or forming zone.
  • Treatment temperature within the heating zone is not required to make the energy input uniformly throughout the heating zone, but it is also possible to carry out the energy input into the heating zone in several spaced apart heating sab sections. This allows the use of one or more locally acting heat sources to heat the heating zone rather than using a full-surface heat source. For example, it can be replaced by a controllable laser beam a surface-adjacent resistance heating.
  • the heating sections are set substantially uniformly distributed within the heating zone. This not only includes the spatial distribution and expansion, but may also provide a largely identical energy input into the heating sections.
  • a simple and possibly mathematically plannable or definable temperature distribution in the workpiece can be effected if the energy input in at least one heating section is performed essentially along a line or alternatively at one point.
  • a uniform temperature distribution and a well predictable or calculable temporal temperature profile are achieved if, within the heating zone, the energy input occurs simultaneously in all heating sections of the heating zone. Any calculation models used to determine the energy input can be simplified as a result.
  • the energy input can be made successively in time in individual heating sections, whereby a planar heating zone can be heated with a spatially locally acting energy source.
  • a planar heating zone can be heated with a spatially locally acting energy source.
  • the heating of the forming zone to the forming temperature can further be done by means of energy input into the heating zone and thereby effected heat conduction within the workpiece, if thereby the required forming temperature is achieved, whereby a separate heating device for the forming zone can be omitted.
  • the energy source used for the heating of the forming zone offset in time and for the energy input into the heating zone Since there are comparable requirements when heating the forming zone and the heating zone, this can be used in many cases.
  • At least one process parameter selected from a group including location, shape, extent, treatment temperature or temperature distribution of the heating zone, distribution, duration or intensity of energy input by means of a programmable controller device .
  • models for the cooling behavior and the associated thermal stresses or thermally induced deformations are stored in the control device, which are adapted to the respective application.
  • a process parameter may be determined using a finite element method.
  • a further development of the method can be to determine the process parameters after measuring the geometry and / or the temperature of the workpiece before and / or during and / or after the forming process, whereby the process results can be optimized by returning controlled variables. The process is thus so controlled that unwanted thermally induced deformations after cooling of the workpiece are minimized.
  • An effective minimization of shape errors on the workpiece can be achieved if the intensity and the duration of the energy input is selected so that in the heating zone and / or the heating sections a treatment temperature in a range between 220 ° C and 600 ° C substantially over the entire Thickness of the sheet is reached.
  • the intensity and the duration of the energy input in such a way that in the heating zone and / or the heating sections a treatment temperature is reached at which a microstructural change of the sheet is effected in relation to the starting temperature.
  • Such structural changes may affect the stress distribution within the workpiece such that the absolute values of the shape errors on the workpiece are reduced. For example, it can be caused by several inhomogeneities of the structure in the sheet that due to the shrinkage stresses not a large warp on the workpiece is formed, but form several smaller faults or sets a slight ripple, which represent tolerable errors if necessary.
  • a particularly rational implementation of the method is possible if at least part of the energy input into the heating zone takes place by means of a bending tool involved in the bending process.
  • a bending tool involved in the bending process For example, it may be provided that in a bending die, on which the workpiece is placed before the forming process, a possibility for discharging high-energy radiation, in particular laser radiation is provided and the workpiece is positioned by means of a robot on the exiting radiation, that the intended heating in the forming zone and / or the heating zone takes place.
  • the energy input into the heating zone takes place in a cutting process upstream of the bending process on the laser cutting machine.
  • the application of the method is particularly advantageous for bending workpieces made of zinc-based, titanium-based, aluminum-based metal sheets, as well as composite materials with such components or for workpieces in which the ratio of the smallest bending radius and sheet thickness is less than or equal to 1.0.
  • Fig. 1 A method for folding of workpieces during the heating of the forming zone and the heating zone;
  • Fig. 2 A method for folding of workpieces at the completion of the forming process
  • Fig. 3 is a partially sectioned view in the direction III of a finished bent workpiece in Fig. 2;
  • FIG. 5 shows a representation of a possible temperature distribution within a workpiece to be formed after heating of the heating zone
  • Fig. 6 shows a section through a usable in the application of the method bending die.
  • a method described in consequence for bending a workpiece 1 is shown from a metal sheet.
  • a workpiece 1 is introduced into a bending tool arrangement 2 prior to the forming process, which comprises a bending die 3, for example in the form of a V-die, and a bending punch 4, which by means of a non-illustrated Asked guide and drive assembly of a bending machine are movable relative to each other and thereby produce a bending edge 5 on the workpiece 1 by plastic deformation.
  • a forming zone 6 containing the subsequent bending edge 5 is heated by means of a heating device 7 to a forming temperature below the melting temperature of the metal of the workpiece 1.
  • forming steps can be achieved on the workpiece 1 which would not be possible, for example, at room temperature, since the workpiece 1 would possibly break or break.
  • the voltage from which a plastic deformation begins in the workpiece 1 reduced, which is why the optimum forming temperature is determined depending on the material used of the workpiece 1.
  • the application of the method is particularly advantageous for zinc-based, titanium-based, aluminum-based metal sheets, or for workpieces in which the ratio of the smallest bending radius and sheet thickness is less than or equal to 1.0.
  • the heating device 7 causes an energy input into the forming zone 6 of the workpiece and may use a mechanism selected from a group comprising heat transfer, heat conduction, heat radiation, convection, electromagnetic induction, electrical resistance heating, laser radiation, high-energy electromagnetic radiation or a combination thereof.
  • FIG. 1 shows that the heating device 7 and the later bending edge 5 are positioned in the bending plane 8, which also coincides with the direction of movement of the adjustable bending punch 4.
  • the heater 7 is removed from the immediate work area of the bending tool assembly 2 and the workpiece 1 is placed in the intended for the forming process position. Normally, it is placed on the top 9 of the bending die 3, which also represents a support plane 10.
  • the heating of the forming zone 6 is performed distanced from the bending tool assembly 2 and the workpiece 1 is spent in a short path in the required position for the forming process, in which the subsequent bending edge 5 is in the bending plane 8.
  • the heating of the deformation zone 6 is carried out so that the workpiece 1, even after a short positioning the desired increased Um- moldability is given.
  • the cooling process occurring after the end of the heating can be estimated and the deformation zone 6 can be heated to a correspondingly higher temperature.
  • at least one heating zone 11 is heated on the workpiece 1 in addition to the forming zone 6 by means of energy input from outside the workpiece 1, starting from an initial temperature to a treatment temperature below the melting temperature of the workpiece 1.
  • two, with respect to the bending plane 8 approximately symmetrical lying heating zones 11 are heated.
  • the energy input takes place here by heating devices 12, which are arranged adjacent to the heating device 7 for the forming zone 5 and also act on the underside of the workpiece 1, but it is also possible that are positioned by further heaters 12, which are positioned above the workpiece 1, the Heating zones 11 are heated simultaneously from both sides of the workpiece to the treatment temperature.
  • the energy input takes place in this case from both sides of the workpiece 1 and thereby also the time for the heating process can be reduced.
  • the heating devices 12 for heating the heating zones 11 can also be arranged at a distance from the bending tool arrangement 2 and the workpiece 1 can be brought into the position required for the forming process after heating has taken place.
  • a source of high-energy radiation in particular laser radiation
  • the heating of the heating zones 11 can also take place in such a way that, with a time offset, the heating device 7 used for heating the deformation zone 6 is used. In this case, the construction work for the implementation of the method is reduced.
  • the heaters 7, 12 are preferably controlled by a programmable controller 13, with which the heating operations are controlled so that the required temperatures, ie the forming temperature in the forming zone 6 and the treatment temperature in the heating zone 11 are achieved or maintained as accurately as possible.
  • the control device 13 may also be connected to a control device, not shown, of the bending machine containing the bending train 2 or be part of such.
  • the energy input into the heating zone 11 is activated with the control device 13 and thereby selected from a group comprising the position, shape, extent or treatment temperature of the heating zone or also the distribution, duration and intensity of the energy input.
  • the control device 13 can also influence the energy input into the heating zone 11 by automatically adjusting the position of the heating devices 7, 12, and this automatic adjustment can additionally include the removal of the heating devices 7, 12 from the working area of the bending tool arrangement 2 ,
  • the determination of the process parameters by the control device 13 can in particular also be carried out using a finite element method, with which the resulting in the heating and cooling of the workpiece 1 in the forming zone 6 voltages are estimated or calculated in advance and based on the Energy input into the heating zones 11 is set so that the occurring during the cooling of the workpiece 1 after the forming process stresses in the workpiece are minimized or compensated.
  • the determination of process parameters also takes place based on a measurement of the geometry of the workpiece 1 or the temperature of the workpiece 1 in the forming zone 6 or in the heating zone 11.
  • the heating process can take place with a temperature measuring device activated during the heating process, for example a non-contact radiation thermometer, and a control device. So that in the forming the required for the unproblematic execution of a bending process formability of the workpiece 1 is given, a certain temperature is required at the end of the heating in the forming zone 6, taking into account that due to heat conduction within the workpiece 1 and heat dissipation the environment the temperature in the forming zone 6 drops. Therefore, it is advantageous if the shortest possible time elapses between the completion of the heating process and the completion of the forming process, which is why an implementation of the heating process in the vicinity of the bending tool assembly or within the bending tool assembly 2 is advantageous.
  • An embodiment of the method can also be that the heating of the forming zone 6 takes place on the forming temperature by heat conduction during or after the effected by the heater 12 energy input into the heating zone 11.
  • a separate heating device 7 for heating the forming zone 6 omitted.
  • the intensity and the duration of the energy input by means of the heaters 7, 12 are selected so that in the heating zone 11, a treatment temperature is achieved in a range between 220 ° C and 600 ° C. This temperature should prevail over substantially the entire thickness of the workpiece 1.
  • Fig. 2 the action of the bending tool assembly 2 is shown on the workpiece 1, in which case, for example, the completion of the forming process is shown.
  • the forming zone 6 has a relation to non-heated parts of the workpiece 1 increased temperature and continues as a result of the temperature compensation within the workpiece 1 and the heat output to the environment or the bending tool assembly 2 on.
  • this cooling process is advantageously influenced by the heating zones 11 different from the forming zone 6, wherein the heating of the heating zone 11 can take place before and / or during and / or after the actual forming process.
  • Fig. 3 shows a view according to the direction III of a folded workpiece 1, wherein the right bending leg in Fig. 2 is shown in section along line A-A.
  • the strip-shaped forming zone 6 and the local increase in the temperature of the material undergoes a thermal expansion in this area, but which is more or less hindered by the adjacent, less strongly or not heated workpiece sections.
  • compressive stresses occur in the region of the deformation zone 6, resulting in a subsequent cooling of the workpiece 1 and associated therewith
  • FIG. 4 possible temperature distributions within a workpiece 1 are shown when carrying out the method.
  • T in the region of the later bending edge 5 containing forming zone 6 is a region with greatly elevated temperature T, since the workpiece 1 is heated before or during the forming process here on the relation to the ambient temperature significantly higher, already described above forming temperature.
  • this relatively narrow and pointed temperature profile 17 in the forming zone 6 widens as a result of the heat conduction taking place in the workpiece 1 after the end of the heating process.
  • a significantly elevated temperature which cause the previously described shrinkage stresses and related undesirable changes in shape of the finished workpiece 1.
  • the work piece 1 is heated to a treatment temperature below the melting temperature of the metal on the workpiece 1 in addition to the forming zone 6 in a heating zone 11 -in FIG. 4, two heating zones 11 symmetrically to the bending edge 5, whereby each isolated further temperature distributions 18 result to change the cooling behavior of the workpiece 1 as a result.
  • This additional increase in temperature in the heating zones 11 causes the forming zone 6 to cool much more slowly after reaching the forming temperature and, as a result, the rapid heat flow into the remaining workpiece 1 is substantially reduced.
  • the original without any heating zones 11 original temperature distribution 17 is replaced in this case by a much wider temperature distribution 19, which due to the much lower temperature gradient and due to much lower cooling rate, the internal stresses due to the cooling process are much lower and thereby significantly lower undesirable thermal deformations occur on the curved workpiece 1.
  • FIG. 4 it is indicated that the forming temperature 20 in the forming zone 6 is chosen to be much higher than the treatment temperature 21 in the heating zones 11, but it is also possible that treatment temperature 21 and forming temperature 20 are about the same or that the treatment temperature 21st is greater than the forming temperature 20.
  • the forming zone 6 is not specially heated, but is brought by heat conduction within the workpiece 1, starting from the heating zones 11 to the appropriate forming temperature.
  • FIG. 5 shows possible embodiments of heating zones 11 on a view of an unbent workpiece 1. In the region of the bending plane 8, the forming zone 6 containing the later bending edge 5 is identified by dashed lines.
  • a heating zone 11 is shown, in which the energy input takes place by means of two heating sections 22 which are distanced from one another. Accordingly, the energy input need not occur uniformly or over the entire heating zone 11, but due to the already occurring heat conduction and distribution of the temperature after completion of the heating process, the heating at a plurality of spaced apart heating sections 22 done.
  • the energy input in the heating sections 22 takes place along lines 23 which extend approximately parallel to the bending plane 8, as a result of which the heating zone 11 also extends approximately parallel to the bending edge 5.
  • a modified second heating zone 11 is shown, in which the heating sections 22 are formed by a series of points 24 in which substantially the energy input takes place.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the method for folding a workpiece 1, which is possibly independent of itself, wherein the same reference numerals or component designations are again used for the same parts as in the preceding FIGS. 1 to 5. To avoid unnecessary repetition, reference is made to the detailed description in the preceding Figs. 1 to 5 or reference.
  • the heating of the subsequent bending edge 5 containing forming zone 6 and the mutually arranged heating zones 11 by means of a bending die 3 integrated heater 7, preferably a laser light source 25 or means for distributing generated outside of the bending die 3 and introduced into this laser radiation includes.
  • the positioning and handling of the workpiece is done manually or as shown by means of a programmable handling device 26, which is equipped with gripping tongs 27, for example.
  • a programmable handling device 26 which is equipped with gripping tongs 27, for example.
  • the bottom of the workpiece 1 rests against the support surface 10 of the bending die 3, a deformation due to the dead weight of the workpiece 1 is reduced while a potentially dangerous leakage of laser radiation is largely prevented.
  • the forming zone 6 and the two heating zones 11 are heated sequentially in time with the same heating device 7, wherein the order can be chosen freely.
  • the forming zone 6 is heated only after the heating zones 11.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkanten eines Werkstückes (1) aus Metallblech, wobei vor und/oder während des Biegevorganges eine die herzustellende Biegekante (5) enthaltende, insbesondere streifenförmige Umformzone (6) am Werkstück (1) zur lokalen Erhöhung der Umformbarkeit auf eine Umformtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls erwärmt wird. Zur Reduktion von unerwünschten Verformungen aufgrund von Schrumpf Spannungen wird das Werkstück (1) vor und/oder während und/oder nach dem Biegevorgang in zumindest einer von der Umformzone (6) verschiedenen Erwärmungszone (11) mittels Energieeintrag von außerhalb des Werkstücks (1) ausgehend von einer Ausgangstemperatur auf eine Behandlungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls erwärmt.

Description

Verfahren zum Biegen eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkanten von Werkstücken aus Metallblech, wobei vor und/oder während des Biegevorganges eine die herzustellende Biegekante enthaltende, insbesondere streifenförmige Umformzone am Werkstück zur lokalen Erhöhung der Um- formbarkeit auf eine Umformtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls erwärmt wird. Das Biegen von Werkstücken mittels Biegepressen ist ein häufig und schon seit langem angewendetes zuverlässiges Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken durch Umformen. Der Anwendungsbereich von Biegeverfahren ist jedoch teilweise durch die Materialeigenschaften, insbesondere durch mechanisch-technologische Eigenschaften begrenzt. So besteht bei spröden Materialien wie Magnesium, Titan, Federstählen, hochfesten AI-Legierungen, hochfesten Stählen oder sonstigen als spröde bekannten Materialien das Problem, dass bei einer Verformung durch Biegen diese Materialien keine ausreichende plastische Verformbarkeit aufweisen und deshalb während des Biegevorganges brechen oder entlang der Umformzone Risse oder andere unerwünschte Umformungen auftreten. Eine Kenngröße, die das diesbezügliche Verhalten von Materialien kennzeichnen kann, ist die so genannte Bruchdehnung, also der Wert der plastischen Verformung, die ein umzuformendes Werkstück bis zum Auftreten eines Bruchs maximal ertragen kann. Eine alternative Kenngröße für dieses Verhalten ist auch das so genannte Streckgrenzenverhältnis, das die in einem Werkstück erforderliche Spannung bei Beginn einer merkbaren plastischen Verformung ins Verhältnis zu der vom Werkstück maximal ertragbaren Spannung bei Bruchbelastung setzt.
Auch bei Werkstücken aus gut umformbaren Werkstoffen kann die Umformbarkeit zu gering sein, wenn Biegeradien herzustellen sind, die im Verhältnis zur Blechdicke sehr klein sind, z.B. wenn der Biegeradius etwa im Bereich der Blechdicke liegt oder noch kleiner ist, wodurch an der Zugseite der Umformzone die ertragbare Materialbeanspruchung überschrit- ten werden kann.
Ein häufig angewendetes Verfahren, um auch derartige Materialien mit niedriger Bruchdehnung bzw. Werkstücke mit relativ großen Blechdicken der Anwendung eines Umformverfah- rens, insbesondere für Biegen zugänglich zu machen, besteht darin, zu biegende Werkstücke im Bereich der Umformzone zu erwärmen, wodurch in diesem erwärmten Bereich die zum Erzielen der erforderlichen plastischen Verformung erforderliche Spannung lokal gesenkt werden kann.
Als Beispiel für ein derartiges Verfahren offenbart EP 0 993 345 AI ein Verfahren zum Biegen eines Werkstücks durch mechanische Krafteinwirkung unter selektiver Erwärmung des Werkstücks entlang einer Biegelinie durch Laserstrahlung, bei dem aus einem Laserstrahl oder mehreren Laserstrahlen ein längliches Strahlenfeld geformt wird und bei dem durch das Strahlenfeld das Werkstück an allen Punkten entlang der Biegelinie erwärmt wird.
Durch die lokal begrenzte Erwärmung der Umformzone am Werkstück, die die herzustellende Biegekante enthält, kann zwar das Umformen erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht werden, bei der nachfolgenden Abkühlung der Umformzone ergeben sich jedoch häufig
Schrumpfspannungen, die am Werkstück unerwünschte Formänderungen, insbesondere thermischen Verzug, Verwerfungen , Wellen oder Beulen bewirken und solche Werkstücke entweder unbrauchbar sind oder aufwändige Nacharbeit erfordern.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Biegeverfahren bereitzustel- len, das die angeführten nachteiligen Auswirkungen der Erwärmung der Umformzone vermeidet oder zumindest reduziert.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Dadurch, dass das Werkstück vor und/oder während und/oder nach dem Biegevorgang in zumindest einer von der Umformzone verschiedenen Erwärmungszone mittels Energieeintrag von außerhalb des Werkstücks ausgehend von einer Ausgangstemperatur auf eine Behandlungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls erwärmt wird, kann die sich bei einer alleinigen Erwärmung der Umformzone auftretende Verteilung der Schrumpfspan- nungen in der Weise beeinflusst werden, dass sich sanftere Spannungsverläufe ergeben und die auftretenden Schrumpfspannungen zumindest teilweise kompensiert werden. Die Abkühlung der Umformzone kann dadurch auf einfache Weise verlangsamt werden, da der Wärme- abfluss aus der Umformzone durch die erhöhte Temperatur der benachbarten Erwärmungszo- ne reduziert wird und die Ausbreitung von inneren Spannungen in die an die hergestellte Biegekante anschließenden Biegeschenkel des Werkstücks reduziert werden.
Aufgrund der innerhalb eines Werkstückes stattfindenden Wärmeleitung finden während der Anwendung des Verfahrens hauptsächlich instationäre Wärmetransportprozesse statt, wobei jedoch bei spezieller Steuerung der Verfahrensparameter des Energieeintrages in die Erwärmungszone oder auch in die Umformzone zumindest vorübergehend annähernd quasistationäre Zustände hergestellt werden können. Durch Wärmeleitungsvorgänge innerhalb des Werkstücks gleichen sich Temperaturunterschiede nach Beendigung eines Energieeintrages natür- lieh aus, weshalb die Begriffe Umformzone und Erwärmungszone auf einen Zeitpunkt bezogen sind, in dem in diesen Zonen die Umformtemperatur bzw. die Behandlungstemperatur deutlich höher als in nicht erwärmten Abschnitten des Werkstückes ist.
Eine rechnerische Abschätzung der durch die Temperaturänderungen am Werkstück entste- henden Wärmespannungen und dadurch bewirkten Verformungen ist mit Hilfe von ständig verbesserten Simulationsrechnungen, z.B. FE-Methoden, durchführbar und ist es weiters möglich basierend auf Rechenmodellen und evtl. auch Einbeziehung von Messungen während der Verfahrensanwendung also vor und/oder während und/oder nach dem eigentlichen Umformvorgang durch bedarfsgerechten Energieeintrag eine Temperaturverteilung im Werkstück herzustellen, mit der unerwünschte, nach dem Abkühlvorgang verbleibende Verformungen reduziert oder eliminiert werden können.
Durch die zusätzliche Erwärmungszone neben der eigentlichen Umformzone können auch bereits vor dem Umformvorgang auftretende thermische Verformungen und Verwerfungen reduziert werden, da das innerhalb des Werkstück auftretende Spannungsgefälle geringer ist. Die Positionierung des Werkstücks auf dem Biegegesenk wird aufgrund der geringeren Verformungen auch erleichtert bzw. weniger gestört.
Eine vorteilhafte Methode für den Energieeintrag in die Erwärmungszone kann aus einer Gruppe umfassend Wärmeübertragung, Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Konvektion, elektromagnetische Induktion, elektrische Widerstandserwärmung, Laserstrahlung, energiereiche elektromagnetische Strahlung, benutzt oder eine Kombination gewählt sein. Insbesondere die Verwendung von Laserstrahlung ermöglicht ein rasches und präzises Erhöhen der Temperatur in der Erwärmungszone, da die von einer Laserlichtquelle ausgehende Strahlung in ihrer Intensität und durch geeignete Mittel zur Strahlführung in ihrem Einwirkungsort flexibel anpassbar ist. Der Energieeintrag in die Erwärmungszone kann distanziert von der Umformzone durchgeführt werden, wobei durch einen größeren Abstand bei der Wahl der für den Energieeintrag verwendeten Mittel mehr Möglichkeiten zur Verfügung stehen. Dadurch wird ein gleichzeitiges Erwärmen von Umformzone und Erwärmungszone erleichtert. Bei Werkstücken, in denen an die Biegekante beidseitig Abschnitte mit gleichen Abmessungen anschließen, ist es von Vorteil, wenn zwei oder mehrere Erwärmungszonen im Wesentlichen symmetrisch zur Umformzone hergestellt werden und damit durch asymmetrische Schrumpfspannungen bewirkte Verformungen vermieden werden. Unter Berücksichtigung der durch Wärmeleitung verursachten zeitlichen Entwicklung des
Temperaturverlaufs kann es von Vorteil sein, wenn bei Beendigung des Energieeintrages innerhalb einer Erwärmungszone die Behandlungstemperatur eine vorbestimmte Temperaturverteilung mit unterschiedlichen Temperaturwerten aufweist. Um die für die Erwärmung des Werkstücks in der Erwärmungszone nötige Zeit zu reduzieren, kann der Energieeintrag vorteilhafterweise von beiden Seiten des Blechs erfolgen. Insbesondere bei dickeren Blechen kann so Aufheizzeit eingespart werden. Durch den Energieeintrag von beiden Seiten des Blechs steht dafür mehr Fläche zur Verfügung und kann bei gleich gehaltener Intensität des Energieeintrages die Aufheizleistung erhöht werden. Die Gefahr von lokalen Überhitzungen bis hin zum Erreichen der Schmelztemperatur des Blechs kann dadurch niedrig gehalten werden.
Eine einfache und gegebenenfalls rechnerisch planbare bzw. festlegbare Temperaturverteilung im Werkstück kann bewirkt werden, wenn die Erwärmungszone parallel zur Biegekante bzw. Umformzone orientiert festgelegt wird.
Wenn eine Länge der Erwärmungszone in Richtung parallel zur Biegekante kürzer als die Biegekantenlänge festgelegt wird, erfährt die nicht unmittelbar vom Energieeintrag erwärmte Randzone nahe dem Ende der Biegekante eine geringere Ausdehnung und Schrumpfung als die benachbarte Umformzone und Erwärmungszone, weshalb hier ein sanfterer Übergang im Spannungsverlauf zu den thermisch nicht beeinflussten Werkstückabschnitten gegeben ist. Durch die im Werkstück stattfindende Wärmeleitung ist es zur Erzielung einer bestimmten
Behandlungstemperatur innerhalb der Erwärmungszone nicht erforderlich den Energieeintrag gleichmäßig in der gesamten Erwärmungszone vorzunehmen, sondern ist es auch möglich, den Energieeintrag in die Erwärmungszone in mehreren voneinander distanzierten Erwärmung sab schnitten durchzuführen. Dies ermöglicht die Verwendung von einer oder von meh- rerer lokal wirkenden Wärmequellen zur Aufheizung der Erwärmungszone anstatt der Verwendung einer vollflächig wirkenden Wärmequelle. Beispielsweise kann dadurch ein flächig anliegendes Widerstandsheizelement durch einen steuerbaren Laserstrahl ersetzt werden.
Da in den meisten Fällen eine gleichmäßige Behandlungstemperatur innerhalb der Erwär- mungszonen gewünscht ist, ist es von Vorteil, wenn die Erwärmungsabschnitte innerhalb der Erwärmungszone im Wesentlichen gleichmäßig verteilt festgelegt werden. Dies umfasst nicht nur die räumliche Verteilung und Ausdehnung, sondern kann auch einen weitgehend identischen Energieeintrag in die Erwärmungsabschnitte vorsehen. Eine einfache und gegebenenfalls rechnerisch planbare bzw. festlegbare Temperaturverteilung im Werkstück kann bewirkt werden, wenn der Energieeintrag in zumindest einem Erwärmung sab schnitt im Wesentlichen entlang einer Linie oder alternativ in einem Punkt durchgeführt wird. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung und ein gut abschätzbarer oder berechenbarer zeitlicher Temperaturverlauf werden erzielt, wenn innerhalb der Erwärmungszone der Energieeintrag gleichzeitig in allen Erwärmungsabschnitten der Erwärmungszone erfolgt. Allfällige zur Festlegung des Energieeintrages verwendete Rechenmodelle können dadurch vereinfacht werden.
Alternativ dazu kann der Energieeintrag zeitlich nacheinander in einzelnen Erwärmungsabschnitten erfolgten, wodurch mit einer räumlich lokal wirkenden Energiequelle eine flächige Erwärmungszone aufgeheizt werden kann. Um auch bei zeitlich nacheinander aufgeheizten Erwärmungsabschnitten eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung erzielen zu können, ist es möglich, sich überlappende Erwärmungsabschnitte festzulegen.
Die Erwärmung der Umformzone auf die Umformtemperatur kann weiters mittels Energieeintrag in die Erwärmungszone und dadurch bewirkte Wärmeleitung innerhalb des Werkstücks erfolgen, wenn dadurch die erforderliche Umformtemperatur erreicht wird, wodurch eine eigene Heizvorrichtung für die Umformzone entfallen kann.
Um den maschinellen Aufwand für die Durchführung des Verfahrens zu reduzieren, ist es von Vorteil, die für die Erwärmung der Umformzone verwendete Energiequelle zeitlich versetzt auch für den Energieeintrag in die Erwärmungszone zu verwenden. Da beim Aufheizen der Umformzone und der Erwärmungszone vergleichbare Anforderungen vorliegen kann dies in vielen Fällen angewendet werden.
Bei sehr dünnen Blechen, die an der Umgebungsluft sehr rasch auskühlen können, kann es hilfreich sein, die Erwärmungszone und die Umformzone jeweils mittels einer gesonderten Energiequelle zu erwärmen.
Wie bereits zuvor erwähnt, kann es zur Minimierung unerwünschter Werkstückverformungen von Vorteil sein, zumindest einen Verfahrensparameter ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Lage, Form, Ausdehnung, Behandlungstemperatur oder Temperaturverteilung der Erwärmungszone, Verteilung, Dauer oder Intensität des Energieeintrags mittels einer program- mierbaren Steuerungs Vorrichtung festzulegen. Dazu sind in der Steuerungsvorrichtung Modelle für das Abkühlverhalten und die damit zusammenhängenden Wärmespannungen bzw. thermisch induzierten Verformungen hinterlegt, die an den jeweiligen Anwendungsfall ange- passt werden. Insbesondere kann ein solcher Verfahrensparameter unter Verwendung einer Finite-Elemente- Methode festgelegt werden. Eine weitere Fortbildung des Verfahrens kann darin bestehen, den Verfahrensparameter nach Vermessung der Geometrie und/oder der Temperatur des Werkstücks vor und/oder während und/oder nach dem Umformvorgang festzulegen, wodurch die Verfahrensergebnisse durch Rückführung von Regelgrößen optimiert werden können. Das Verfahren wird damit gewis- sermaßen derart geregelt, dass unerwünschte thermisch induzierte Verformungen nach dem Abkühlen des Werkstücks minimiert werden.
Eine effektive Minimierung von Formfehlern am Werkstück kann erzielt werden, wenn die Intensität und die Dauer des Energieeintrags so gewählt wird, dass in der Erwärmungszone und/oder den Erwärmungsabschnitten eine Behandlungstemperatur aus einem Bereich zwischen 220°C und 600°C im Wesentlichen über die gesamte Dicke des Blechs erreicht wird.
Weiters ist es möglich, die Intensität und die Dauer des Energieeintrags so zu wählen, dass in der Erwärmungszone und/oder den Erwärmungsabschnitten eine Behandlungstemperatur er- reicht wird, bei der gegenüber der Ausgangstemperatur eine Gefügeveränderung des Blechs bewirkt wird. Derartige Gefügeveränderungen können die Spannungsverteilung innerhalb des Werkstücks so beeinflussen, dass die Absolutwerte der Formfehler am Werkstück reduziert werden. Zum Beispiel kann durch mehrere Inhomogenitäten des Gefüges im Blech bewirkt werden, dass sich aufgrund der Schrumpfspannungen nicht eine große Verwerfung am Werk- stück ausbildet, sondern mehrere kleinere Verwerfungen ausbilden oder sich eine leichte Welligkeit einstellt, die gegebenenfalls tolerierbare Fehler darstellen.
Eine besonders rationelle Durchführung des Verfahrens ist möglich, wenn zumindest ein Teil des Energieeintrages in die Erwärmungszone mittels eines am Biegevorgang beteiligten Bie- gewerkzeuges erfolgt. So kann etwa vorgesehen sein, dass in einem Biegegesenk, auf dem das Werkstück vor dem Umformvorgang aufgelegt wird eine Möglichkeit zur Ausleitung von energiereicher Strahlung, insbesondere Laserstrahlung vorgesehen ist und das Werkstück mittels eines Roboters über die austretende Strahlung positioniert wird, dass der vorgesehene Aufheizvorgang in der Umformzone und/oder der Erwärmungszone erfolgt.
Bei Verkettung einer Laserschneidanlage und einer Abkantpresse ist es auch möglich, dass zumindest ein Teil des Energieeintrages in die Erwärmungszone in einem dem Biegevorgang vorgeordneten Zuschnittvorgang auf der Laserschneidanlage erfolgt. Die Anwendung des Verfahrens ist besonders vorteilhaft zur Biegebearbeitung von Werkstücken aus Metallblechen auf Zinkbasis, Titanbasis, Aluminiumbasis, sowie Verbundmaterialien mit derartigen Bestandteilen oder bei Werkstücken, bei denen das Verhältnis aus kleinstem Biegeradius und Blechdicke kleiner gleich 1,0 ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in stark schematisch vereinfachter Darstellung:
Fig. 1 Ein Verfahren zum Abkanten von Werkstücken während des Aufheizens der Umformzone und der Erwärmungszone;
Fig. 2 Ein Verfahren zum Abkanten von Werkstücken bei Beendigung des Umformvorganges;
Fig. 3 Eine teilweise geschnittene Ansicht in Richtung III eines fertig gebogenen Werkstückes in Fig. 2;
Fig. 4 Eine Ansicht eines zu biegenden Werkstückes mit möglichen Varianten der Erwärmungszone;
Fig. 5 Eine Darstellung einer möglichen Temperaturverteilung innerhalb eines umzuformenden Werkstückes nach Aufheizen der Erwärmungszone;
Fig. 6 Einen Schnitt durch ein bei der Anwendung des Verfahrens einsetzbares Biegegesenk.
In den Figuren 1 und 2 ist ein in Folge beschriebenes Verfahren zum Abkanten eines Werkstückes 1 aus einem Metallblech dargestellt. Dabei wird ein Werkstück 1 vor dem Umformvorgang in eine Biegewerkzeuganordnung 2 eingebracht, die ein Biegegesenk 3, beispielsweise in Form eines V-Gesenks sowie einen Biegestempel 4 umfasst, die mittels einer nicht dar- gestellten Führungs- und Antriebsanordnung einer Biegemaschine relativ zueinander bewegbar sind und dadurch am Werkstück 1 durch plastische Umformung eine Biegekante 5 erzeugen. Zur Erhöhung der Umformbarkeit des Werkstückes 1 wird eine, die spätere Biegekante 5 enthaltende Umformzone 6 mittels einer Heizvorrichtung 7 auf eine Umformtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls des Werkstückes 1 erwärmt. Durch diese Erwärmung der Umformzone 6 können am Werkstück 1 Umformgrade erreicht werden, die beispielsweise bei Raumtemperatur nicht möglich wären, da dabei das Werkstück 1 möglicherweise einrei- ßen oder brechen würde. Durch die Erwärmung wird die Spannung, ab der im Werkstück 1 eine plastische Verformung einsetzt, herabgesetzt, weshalb die jeweils optimale Umformtemperatur in Abhängigkeit vom verwendeten Material des Werkstückes 1 festgelegt wird. Die Anwendung des Verfahrens ist besonders von Vorteil bei Metallblechen auf Zinkbasis, Titanbasis, Aluminiumbasis, oder bei Werkstücken, bei denen das Verhältnis aus kleinstem Biege- radius und Blechdicke kleiner gleich 1,0 ist.
Die Heizvorrichtung 7 bewirkt einen Energieeintrag in die Umformzone 6 des Werkstückes und kann dabei einen Mechanismus ausgewählt einer Gruppe umfassend Wärmeübertragung, Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Konvektion, elektromagnetische Induktion, elektrische Wi- derstandserwärmung, Laserstrahlung, energiereiche elektromagnetische Strahlung benutzen oder eine Kombination aus diesen umfassen.
In Fig. 1 ist dargestellt, dass die Heizvorrichtung 7 und die spätere Biegekante 5 in der Biegeebene 8 positioniert sind, die auch mit der Bewegungsrichtung des verstellbaren Biegestem- pels 4 zusammenfällt. Nach Abschluss des Aufheizvorganges wird die Heizvorrichtung 7 aus dem unmittelbaren Arbeitsbereich der Biegewerkzeuganordnung 2 entfernt und das Werkstück 1 in die für den Umformvorgang vorgesehene Position verbracht. Im Normalfall wird es dazu auf der Oberseite 9 des Biegegesenks 3 aufgelegt, die auch eine Auflageebene 10 darstellt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Erwärmung der Umformzone 6 distanziert von der Biegewerkzeuganordnung 2 durchgeführt wird und das Werkstück 1 auf kurzem Wege in die für den Umformvorgang erforderliche Position verbracht wird, bei der die spätere Biegekante 5 in der Biegeebene 8 liegt. Die Erwärmung der Umformzone 6 wird dazu so durchgeführt, dass das Werkstück 1 auch nach einem kurzen Positionierweg die gewünschte erhöhte Um- formbarkeit gegeben ist. Dazu kann der nach dem Ende der Erwärmung eintretende Abkühlvorgang abgeschätzt werden und die Umformzone 6 auf eine dementsprechend höhere Temperatur erwärmt werden. Erfindungsgemäß wird am Werkstück 1 zusätzlich zur Umformzone 6 auch zumindest eine Erwärmungszone 11 mittels Energieeintrag von außerhalb des Werkstücks 1 ausgehend von einer Ausgangstemperatur auf eine Behandlungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstücks 1 erwärmt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwei, bezüglich der Biegeebene 8 etwa symmetrisch liegende Erwärmungszonen 11 erwärmt. Der Energieeintrag erfolgt hier durch Heizvorrichtungen 12, die benachbart zur Heizvorrichtung 7 für die Umformzone 5 angeordnet sind und auch auf die Unterseite des Werkstücks 1 einwirken, es ist jedoch auch möglich, dass durch weitere Heizvorrichtungen 12, die oberhalb des Werkstücks 1 positioniert werden, die Erwärmungszonen 11 gleichzeitig von beiden Seiten des Werkstücks auf die Behandlungstemperatur erwärmt werden. Der Energieeintrag erfolgt in diesem Fall von beiden Seiten des Werkstückes 1 und kann dadurch auch die Zeit für den Aufheizvorgang reduziert werden.
Die Heizvorrichtungen 12 für das Aufheizen der Erwärmungszonen 11 können auch distanziert von der Biegewerkzeuganordnung 2 angeordnet sein und das Werkstück 1 nach erfolgter Erwärmung in die für den Umformvorgang erforderliche Position verbracht werden.
Als Heizvorrichtung 7, 12 kann wie in Fig. 1 dargestellt eine Quelle für energiereiche Strahlung, insbesondere Laserstrahlung vorgesehen sein, wobei jedoch auch alternative Wärmeenergiequellen zum Einsatz kommen können, wie z.B. Widerstandsheizelemente, Infrarot- strahier, Heißluftgeräte mit konzentriertem Luftaustritt, usw..
Das Aufheizen der Erwärmungszonen 11 kann auch in der Weise erfolgen, dass dazu zeitlich versetzt, die für die Erwärmung der Umformzone 6 eingesetzte Heizvorrichtung 7 verwendet wird. In diesem Fall ist der bauliche Aufwand für die Durchführung des Verfahrens verrin- gert.
Die Heizvorrichtungen 7, 12 werden vorzugsweise von einer programmierbaren Steuerungsvorrichtung 13 angesteuert, mit der die Erwärmungsvorgänge so gesteuert werden, dass die erforderlichen Temperaturen, also die Umformtemperatur in der Umformzone 6 sowie die Behandlungstemperatur in der Erwärmungszone 11 möglichst genau erreicht bzw. eingehalten werden. Die Steuerungsvorrichtung 13 kann auch mit einer nicht dargestellten Steuerungsvorrichtung der die Biegewerkezuganordnung 2 enthaltenden Biegemaschine verbunden sein oder Bestandteil einer solchen sein.
Mit der Steuerungsvorrichtung 13 wird der Energieeintrag in die Erwärmungszone 11 aktiviert und dabei ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Lage, Form, Ausdehnung oder Behandlungstemperatur der Erwärmungszone oder auch Verteilung, Dauer und Intensität des Energieeintrages festgelegt. Die Steuerungs Vorrichtung 13 kann auch eine Beeinflussung des Energieeintrages in die Erwärmungszone 11 bewirken, indem eine automatische Positionsverstellung der Heizvorrichtungen 7, 12 erfolgt und kann diese automatische Verstellung zusätzlich auch das Entfernen der Heiz Vorrichtungen 7, 12 aus dem Arbeitsbereich der Biegewerk- zeuganordnung 2 umfassen.
Die Festlegung der Verfahrensparameter durch die Steuerungs Vorrichtung 13 kann insbesondere auch unter Anwendung einer Finite-Elemente-Methode erfolgen, mit der die bei der Erwärmung und Abkühlung des Werkstücks 1 in der Umformzone 6 entstehenden Spannungen im Voraus abgeschätzt bzw. berechnet werden und basierend darauf der Energieeintrag in die Erwärmungszonen 11 so festgelegt wird, dass die bei der Abkühlung des Werkstücks 1 nach dem Umformvorgang auftretenden Spannungen im Werkstück minimiert oder kompensiert werden.
Weiters ist es möglich, dass die Festlegung von Verfahrensparametern auch basierend auf einer Vermessung der Geometrie des Werkstückes 1 oder der Temperatur des Werkstückes 1 in der Umformzone 6 bzw. in der Erwärmungszone 11 erfolgt. Insbesondere kann der Aufheizvorgang mit einer während des Aufheizvorgangs aktivierten Temperaturmessvorrichtung, z.B. eines berührungslosen Strahlungsthermometers, und einer Regelvorrichtung erfolgen. Damit in der Umformzone die für die unproblematische Durchführung eines Abkantvorganges erforderliche Umformbarkeit des Werkstück 1 gegeben ist, ist am Ende des Aufheizvorganges in der Umformzone 6 eine bestimmte Temperatur erforderlich, wobei zu berücksichtigen ist, dass aufgrund von Wärmeleitung innerhalb des Werkstücks 1 und Wärmeabgabe an die Umgebung die Temperatur in der Umformzone 6 absinkt. Daher ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Abschluss des Aufheizvorganges und der Beendigung des Umformvorganges ein möglichst kurzer Zeitraum vergeht, weshalb eine Durchführung des Aufheizvorganges in der Nähe der Biegewerkzeuganordnung oder innerhalb der Biegewerkzeuganordnung 2 von Vorteil ist.
Eine Ausführungsform des Verfahrens kann auch darin bestehen, dass die Erwärmung der Umformzone 6 auf die Umformtemperatur durch Wärmeleitung während oder nach dem durch die Heizvorrichtung 12 bewirkten Energieeintrag in die Erwärmungszone 11 erfolgt. In diesem Fall kann eine eigene Heizvorrichtung 7 für die Erwärmung der Umformzone 6 entfallen.
Zur Vermeidung von unerwünschten Formfehlern am Werkstück wird die Intensität und die Dauer des Energieeintrags mittels der Heizvorrichtungen 7, 12 so gewählt, dass in der Er- wärmungszone 11 eine Behandlungstemperatur aus einem Bereich zwischen 220° C und 600° C erreicht wird. Diese Temperatur soll dabei im Wesentlichen über die gesamte Dicke des Werkstücks 1 vorherrschen.
In Fig. 2 ist das Einwirken der Biegewerkzeuganordnung 2 auf das Werkstück 1 dargestellt, wobei hier beispielsweise der Abschluss des Umformvorganges dargestellt ist. Zu diesem
Zeitpunkt weist die Umformzone 6 eine gegenüber nicht erwärmten Teilen des Werkstücks 1 erhöhte Temperatur auf und setzt sich in Folge der Temperaturausgleich innerhalb des Werkstückes 1 sowie die Wärmeangabe an die Umgebung bzw. die Biegewerkzeuganordnung 2 fort.
Die nach Abschluss des Umformvorganges im Werkstück 1 vorliegende Temperaturverteilung bestimmt in weiterer Folge das Entstehen von Schrumpfspannungen im Werkstück 1 und die dadurch induzierten unerwünschten Verformungen. Erfindungsgemäß wird dieser Abkühlvorgang durch die von der Umformzone 6 verschiedenen Erwärmungszonen 11 vorteil- haft beeinflusst, wobei die Aufheizung der Erwärmungszone 11 vor und/oder während und/oder nach dem eigentlichen Umformvorgang stattfinden kann. Anhand der Figuren 3, 4 und 5 wird in Folge die erfindungsgemäße Beeinflussung der im Werkstück 1 entstehenden Schrumpfspannungen erläutert.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht gemäß Richtung III eines abgekanteten Werkstücks 1, wobei der rechte Biegeschenkel in Fig. 2 geschnitten gemäß Linie A-A dargestellt ist. Wie bereits zuvor beschrieben, wird bei einem gattungsgemäßen Biegeverfahren die Umformzone 6, die die spätere Biegekante 5 enthält, vor und/oder während des Umformvorganges erwärmt, wodurch das Werkstück 1 lokal im Bereich der Biegekante 5 die erforderliche Umformbarkeit erreicht. Bei der Erwärmung der streifenförmigen Umformzone 6 und der lokalen Erhöhung der Temperatur erfährt das Material in diesem Bereich eine thermische Ausdehnung, die jedoch mehr oder weniger von den angrenzenden, weniger stark oder gar nicht erwärmten Werkstückabschnitten behindert wird. Dadurch entstehen im Bereich der Umformzone 6 Druckspannungen, die sich bei einer späteren Abkühlung des Werkstücks 1 und damit verbundener
Schrumpfung der Umformzone 6 wieder zurückbilden würden. Da das Werkstück 1 jedoch im erhitzten Zustand umgeformt wird und im Bereich der Biegekante 5 plastische Verformungen auftreten, durch die die inneren Spannungen in Längsrichtung der Biegekante 5 weitgehend abgebaut werden, bewirkt bei einem umgeformten Werkstück 1 die nachfolgende Abkühlung der Umformzone 6 ein Schrumpfen in Längsrichtung der Biegekante 5, die mehr oder weni- ger von den angrenzenden Werkstückabschnitten behindert wird. Dadurch entstehen im Bereich der Umformzone 6 nach dem Abkühlen des Werkstückes 1 auf Umgebungstemperatur Zugspannungen (Schrumpfspannungen), die unerwünschte Verformungen der angrenzenden Werkstückabschnitte bzw. der angrenzenden Biegeschenkel 14 und 15 oder aber auch der Biegekante 5 bewirken. In Fig. 3 sind derartige Verformungen als Welligkeit 16 maßstäblich übertrieben dargestellt. Selbstverständlich können auch andere Formen, zum Beispiel eine einfache Verwölbung oder Krümmung oder ähnliche unerwünschte Formfehler auftreten, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich reduziert oder verhindert werden können. In Fig. 4 sind bei Durchführung des Verfahrens mögliche Temperaturverteilungen innerhalb eines Werkstücks 1 dargestellt. Dabei ist im Bereich der, die spätere Biegekante 5 enthaltenden, Umformzone 6 ein Bereich mit stark erhöhter Temperatur T, da das Werkstück 1 vor oder während des Umformvorganges hier auf die gegenüber der Umgebungstemperatur wesentliche höhere, bereits zuvor beschriebene Umformtemperatur erwärmt wird. Dieser relativ eng begrenzte und spitze Tempe- raturverlauf 17 in der Umformzone 6 verbreitert sich durch die im Werkstück 1 stattfindende Wärmeleitung selbstverständlich nach Beendigung des Erwärmungsvorganges. Es besteht jedoch auch nach Beendigung des Umformvorganges in diesem Bereich eine deutlich erhöhte Temperatur, die die zuvor beschriebenen Schrumpfspannungen und damit zusammenhängende unerwünschte Formänderungen am fertigen Werkstück 1 bewirken.
Erfindungsgemäß wird am Werkstück 1 zusätzlich zur Umformzone 6 in einer Erwärmungszone 11 - in Fig. 4 zwei Erwärmungszonen 11 symmetrisch zur Biegekante 5 - das Werkstück 1 auf eine Behandlungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls erwärmt, wodurch sich jeweils isoliert betrachtet weitere Temperaturverteilungen 18 ergeben, die in Folge das Abkühlverhalten des Werkstücks 1 verändern. Diese zusätzliche Temperaturerhöhung in den Erwärmungszonen 11 bewirkt, dass die Umformzone 6 nach Erreichen der Umformtemperatur wesentlich langsamer auskühlt und, dadurch der rasche Wärmeabfluss in das restliche Werkstück 1 wesentlich reduziert ist. Die ohne Erwärmungszonen 11 wesentlich spitzere ursprüngliche Temperaturverteilung 17 wird in diesem Fall durch eine wesentlich breitere Temperaturverteilung 19 ersetzt, wodurch aufgrund des wesentlich geringeren Temperaturgefälles und aufgrund von wesentlich geringerer Abkühlgeschwindigkeit die inneren Spannungen aufgrund des Abkühlvorgangs wesentlich geringer sind und dadurch auch wesentlich geringere unerwünschte thermische Verformungen am gebogenen Werkstück 1 auftreten.
In Fig. 4 ist angedeutet, dass die Umformtemperatur 20 in der Umformzone 6 wesentlich höher gewählt ist als die Behandlungstemperatur 21 in den Erwärmungszonen 11, es ist jedoch auch möglich, dass Behandlungstemperatur 21 und Umformtemperatur 20 etwa gleich hoch sind oder auch dass die Behandlungstemperatur 21 größer ist als die Umformtemperatur 20. Wie bereits zuvor beschrieben ist es auch möglich, dass die Umformzone 6 nicht eigens erwärmt wird, sondern durch Wärmeleitung innerhalb des Werkstücks 1 ausgehend von den Erwärmungszonen 11 auf die entsprechende Umformtemperatur gebracht wird. In Fig. 5 sind an einer Ansicht eines ungebogenen Werkstückes 1 mögliche Ausführungsformen von Erwärmungszonen 11 dargestellt. Im Bereich der Biegeebene 8 ist dabei mit strich- lierten Linien die die spätere Biegekante 5 enthaltende Umformzone 6 gekennzeichnet. Dazu distanziert ist auf der linken Seite eine Erwärmungszone 11 dargestellt, bei der der Energie- eintrag durch zwei voneinander distanzierte Erwärmungsabschnitte 22 erfolgt. Der Energieeintrag muss demnach nicht gleichmäßig oder auf der gesamten Erwärmungszone 11 erfolgen, sondern kann aufgrund der ohnedies eintretenden Wärmeleitung und Verteilung der Temperatur nach Beendigung des Aufheizvorganges die Erwärmung an mehreren voneinander distanzierten Erwärmungsabschnitten 22 erfolgen. In diesem Beispiel erfolgt der Energie- eintrag in den Erwärmungsabschnitten 22 entlang von Linien 23, die etwa parallel zur Biegeebene 8 verlaufen, wodurch auch die Erwärmungszone 11 etwa parallel zur Biegekante 5 orientiert verläuft. Rechts der Biegekante 5 ist eine abgewandelte zweite Erwärmungszone 11 dargestellt, bei der die Erwärmungsabschnitte 22 durch eine Reihe von Punkten 24 gebildet sind, in denen im Wesentlichen der Energieeintrag erfolgt. Um eine möglichst einfache und auch rechnerisch erfassbare Temperaturverteilung innerhalb einer Erwärmungszone 11 zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn mehrere Erwärmungsabschnitte 22 in regelmäßiger Abfolge oder gleichmäßig angeordnet sind. Mit der in Fig. 5 dargestellten Anordnung der Erwärmungszonen 11 würde sich etwa eine anhand der Fig. 4 beschriebene Temperaturverteilung ergeben, die am fertigen Werkstück 1 reduzierte unerwünschte thermische Verformungen bewirkt.
In der Fig. 6 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform des Verfahrens zum Abkanten eines Werkstücks 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen Fig. 1 bis 5 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den vorangegangenen Fig. 1 bis 5 hingewiesen bzw. Bezug genommen.
In dieser Ausführungsform erfolgt die Erwärmung der die spätere Biegekante 5 enthaltenden Umformzone 6 sowie der beiderseitig dazu angeordneten Erwärmungszonen 11 mittels einer im Biegegesenk 3 integrierten Heizvorrichtung 7, die vorzugsweise eine Laserlichtquelle 25 oder Mittel zur Verteilung von außerhalb des Biegegesenks 3 erzeugter und in dieses eingeleiteter Laserstrahlung umfasst. Die Positionierung und Handhabung des Werkstücks erfolgt hierbei manuell oder wie dargestellt mittels einer programmierbaren Handhabungsvorrichtung 26, die z.B. mit einer Greifzange 27 ausgestattet ist. Wenn dabei, wie dargestellt, die Unterseite des Werkstücks 1 an der Auflagefläche 10 des Biegegesenks 3 aufliegt, wird eine Verformung aufgrund des Eigengewichts des Werkstücks 1 reduziert und gleichzeitig ein möglicherweise gefährlicher Austritt von Laserstrahlung weitgehend unterbunden.
Die Umformzone 6 sowie die beiden Erwärmungszonen 11 werden dabei zeitlich nacheinander mit derselben Heizvorrichtung 7 erwärmt, wobei die Reihenfolge frei gewählt sein kann. Damit in der Umformzone 6 die Erreichung und Aufrechterhaltung der Umformtemperatur 20 bis zum Abschluss des Umformvorgangs erleichtert ist, ist es vorteilhaft, wenn die Um- formzone 6 erst nach den Erwärmungszonen 11 aufgeheizt wird. Durch die Integration in eines der Biegewerkzeuge der Biegewerkzeuganordnung 2 kann der Energieeintrag sogar während des eigentlichen Umformvorganges erfolgen.
Abschließend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Verfahrens, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der ein- zelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. Es sind also auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvariante möglich sind, vom Schutzumfang mit umfasst.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis der beim Verfahren verwendeten Vorrichtungen diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden. Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1, 2; 3; 4; 5; 6 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verste- hen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mitumfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10.
Bezugszeichenaufstellung Werkstück
Biegewerkzeuganordnung
Biegegesenk
Biegestempel
Biegekante Umformzone
Heizvorrichtung
Biegeebene
Oberseite
Auflageebene Erwärmungszone
Heizvorrichtung
Steuerungsvorrichtung
Biegeschenkel
Biegeschenkel Welligkeit
Temperaturverteilung
Temperaturverteilung
Temperaturverteilung
Umformtemperatur Behandlungstemperatur
Erwärmungsabschnitt
Linie
Punkt
Laserlichtquelle Handhabungsvorrichtung
Greifzange

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Abkanten eines Werkstückes (1) aus Metallblech, wobei vor und/oder während des Biegevorganges eine die herzustellende Biegekante (5) enthaltende, insbesondere streifenförmige Umformzone (6) am Werkstück (1) zur lokalen Erhöhung der Umformbarkeit auf eine Umformtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) vor und/oder während und/oder nach dem Biegevorgang in zumindest einer von der Umformzone (6) verschiedenen Erwärmungszone (11) mittels Energieeintrag von außerhalb des Werkstücks (1) ausgehend von einer Ausgangstemperatur auf eine Behandlungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag einen Mechanismus ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Wärmeübertragung, Wärmelei- tung, Wärmestrahlung, Konvektion, elektromagnetische Induktion, elektrische Widerstandserwärmung, Laserstrahlung, energiereiche elektromagnetische Strahlung, benutzt oder eine Kombination daraus umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieein- trag in die Erwärmungszone (11) distanziert von der Umformzone (6) durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Erwärmungszonen (11) im Wesentlichen symmetrisch zur Umformzone (6) angeordnet sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Erwärmungszone (11) die Behandlungstemperatur auf eine vorbestimmte Temperaturverteilung mit lokal unterschiedlichen Temperaturwerten gebracht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag von beiden Seiten des Werkstücks (1) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungszone (11) parallel zur Biegekante (5) orientiert festgelegt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag in die Erwärmungszone (11) in mehreren voneinander distanzierten
Erwärmungsabschnitten (22) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsabschnitte (22) innerhalb der Erwärmungszone (11) im Wesentlichen gleichmäßig verteilt fest- gelegt werden
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag in zumindest einem Erwärmungsabschnitt (22) im Wesentlichen entlang einer Linie (23) durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag in zumindest einem Erwärmungsabschnitt (22) im Wesentlichen in einem Punkt (24) durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der
Energieeintrag gleichzeitig in allen Erwärmungsabschnitten (22) der Erwärmungszone (11) erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag zeitlich nacheinander in einzelnen Erwärmungsabschnitten (22) erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich Erwärmungsabschnitte (22) überlappen.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Umformzone (6) auf die Umformtemperatur mittels Energieeintrag in die Erwärmungszone (11) und dadurch bewirkte Wärmeleitung innerhalb des Werkstücks (1) erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Erwärmung der Umformzone (6) verwendete Heizeinrichtung (7) zeitlich versetzt auch für den Energieeintrag in die Erwärmungszone (11) verwendet wird.
17. Verfahren nach der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungszone (11) und die Umformzone (6) jeweils mittels einer gesonderten Heizeinrichtung (7, 12) erwärmt werden.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verfahrensparameter ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Lage, Form, Ausdehnung oder Behandlungstemperatur der Erwärmungszone, Verteilung, Dauer oder Intensität des Energieeintrags mittels einer programmierbaren Steuerungs Vorrichtung (13) festgelegt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensparameter unter Verwendung einer Finite-Elemente-Methode festgelegt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfah- rensparameter nach Vermessung der Geometrie und/oder der Temperatur des Werkstücks (1) vor und/oder nach dem Umformvorgang festgelegt wird.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität und die Dauer des Energieeintrags so gewählt wird, dass in der Erwär- mungszone (11) und/oder den Erwärmungsabschnitten (22) eine Behandlungstemperatur aus einem Bereich zwischen 220°C und 600°C im Wesentlichen über die gesamte Dicke des Werkstücks erreicht wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität und die Dauer des Energieeintrags so gewählt wird, dass in der Erwärmungszone (11) und/oder den Erwärmungsabschnitten (22) eine Behandlungstemperatur erreicht wird, bei der gegenüber der Ausgangstemperatur eine Gefügeveränderung des Werkstücks (1) bewirkt wird.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Energieeintrages in die Erwärmungszone (11) mittels eines am Biegevorgang beteiligten Biegewerkzeuges (3, 4) erfolgt.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Energieeintrages in die Erwärmungszone (11) in einem dem Biegevorgang vorgeordneten Zuschnittvorgang auf einer Laserschneidanlage erfolgt.
25. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 24 zur Biegebearbeitung von Werkstücken (1) aus Metallblechen auf Zinkbasis, Titanbasis, Aluminiumbasis, Verbundwerkstoffen mit derartigen Materialien oder bei Werkstücken, bei denen das Verhältnis aus kleinstem Biegeradius und Blechdicke kleiner gleich 1,0 ist.
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