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Die Erfindung betrifft eine Gesenkbiegeanlage und ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks, insbesondere eines Bleches.
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Das Gesenkbiegen gehört nach DIN 8586 zum Biegeumformen, d. h. zum Umformen eines festen Körpers, wobei der plastische Zustand im Wesentlichen durch eine Biegebeanspruchung herbeigeführt wird. Die dabei wirkenden Spannungen nennen sich Biegespannungen.
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Das Gesenkbiegen dient insbesondere zur Herstellung von Profilen als Vor- oder Fertigprodukte, insbesondere near net shape Fertigprodukte, für den Einsatz beispielsweise im Transport- und Verkehrswesen, im Maschinenbau und dem Bauwesen sowie in der produzierenden Industrie.
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Gesenkbiegeanlagen sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, so z. B. aus der europäischen Patentanmeldung
EP 1 495 816 A1 . Die dort offenbarte Gesenkbiegeanlage umfasst ein Biegegesenk mit einer Biegekante und einer Biegefläche und einen Stempel zum Einfahren in das Biegegesenk, wobei der Stempel ebenfalls eine Biegekante und eine Biegefläche aufweist. Beim Einfahren des Stempels in die Öffnung des Biegegesenkes wird ein zu biegendes Werkstück umgeformt. Der Stempel und das Biegegesenk sind in der besagten europäischen Patentanmeldung segmentiert.
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Die Biegekanten des Stempels und des Biegegesenkes sind linear und komplementär zueinander ausgebildet.
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In der Praxis entsteht zunehmend häufiger eine Forderung nach Querschnittsanpassungen in dem zu biegenden Werkstück über eine Längsachse. Traditionell werden solche Querschnittsanpassungen mittels vor- oder nachgeschalteter Fertigungsverfahren trennend, fügend oder umformend in das Werkstück eingebracht, weil solche Querschnittsanpassungen bei den traditionellen Gesenkbiegeanlagen mit gerader Biegekante nicht realisiert werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Anlage und ein bekanntes Verfahren zum Gesenkbiegen eines Werkstückes dahingehend weiterzubilden, dass variable Querschnittsübergänge bzw. Querschnittsanpassungen bereits während des Umformens des Werkstückes beim Gesenkbiegen in das Werkstück mit eingebracht werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die Gesenkbiegeanlage gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Diese Gesenkbiegeanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Biegekante und / oder die Biegefläche des Biegegesenkes und / oder des Stempels zumindest abschnittsweise nicht linear ausgebildet sind.
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Die beanspruchten nicht-linearen Biegekanten bzw. Biegeflächen bieten den Vorteil, dass sie die Realisierung von Querschnittsanpassungen beispielsweise in Form von Verjüngungen oder Ausweitungen des geometrischen Längsverlaufs in dem durch die Umformung gebildeten Profil ermöglichen. Damit kann bereits während des Gesenkbiegens geometrischen und funktionalen Anforderungen an das umgeformte Werkstück genügt werden, wie sie beispielsweise bei komplexen oder beschränkten Bauräumen gegeben sein können. Auch Leichtbauanforderungen in Form von variabler Steifigkeit über der Länge der Biegekante in dem Werkstück kann entsprochen werden. Weil diese besagten Querschnittsanforderungen bereits während des erfindungsgemäßen Gesenkbiegens mit nicht-linearer Biegekante bzw. nicht-linearer Biegefläche realisiert werden können, sind traditionell notwendige vor- oder nachgeschaltete Fertigungsschritte zum Einbringen der Querschnittsanpassungen vorteilhafterweise entbehrlich. Damit geht eine erhebliche Kosteneinsparung einher.
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Die erfindungsgemäße Verfahrensvariante des Gesenkbiegens mit nicht-linearer Biegekante bewirkt neben den Biegespannungen, wie sie bei linearer Biegekante auftreten, je nach Konturierung der Biegekante bzw. der Biegeflächen zweifache Biegespannungen sowie Zug- und / oder Druckspannungen, wodurch die aufgezeigten Grenzen des traditionellen Gesenkbiegens maßgeblich erweitert werden, eben im Hinblick auf die Möglichkeit zur Vornahme von Querschnittsanpassungen bereits während des Gesenkbiegens.
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Der Begriff „nicht-linear“ bedeutet eine zwei- oder dreidimensionale Formgebung. Grundsätzlich können sowohl die vordere als auch die hintere Seite (bezogen auf die x-Richtung) des Stempels und / oder Biegegesenks nicht-lineare Biegeflächen aufweisen. Die nicht-lineare Biegekante weist dementsprechend zwei- oder dreidimensionale Anteile auf.
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Die erfindungsgemäße Gesenkbiegeanlage kann einen Niederhalter aufweisen. Dieser dient zum einen zum Fixieren des Werkstückes während des Biegevorganges und zum anderen verhindert er, durch eine Steuerung bzw. Regelung des Werkstoffflusses, eine Faltenbildung bei dem umzuformenden Werkstück, was insbesondere bei dem beanspruchten Gesenkbiegen mit nicht-linearer Biegekante relevant ist.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Gesenkbiegeanlage einen Gegenhalter aufweisen zum Führen des Werkstückes während seiner Umformung. Dabei übernimmt der Gegenhalter die Funktion des Biegegesenkes. Das Mitlaufen wird z. B. über (federnd) gelagerte und / oder aktiv ansteuerbare Segmente des Biegegesenkes oder des Stempels realisiert.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch das Verfahren nach Anspruch 17 gelöst. Die Vorteile dieser Lösung entsprechen den oben mit Bezug auf die beanspruchte Gesenkbiegeanlage genannten Vorteilen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Gesenkbiegeanlage und des beanspruchten Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der Beschreibung sind zehn Figuren beigefügt, wobei
- 1 das Grundprinzip des Gesenkbiegens gemäß dem Stand der Technik;
- 2 den Aufbau der erfindungsgemäßen Gesenkbiegeanlage mit nicht-linearer Biegekante in einer ersten Seitenansicht;
- 3-8 die erfindungsgemäße Gesenkbiegeanlage in verschiedenen Ausführungsformen für ihre Biegekante und / oder ihre Biegefläche;
- 9 den Aufbau der erfindungsgemäßen Gesenkbiegeanlage in einer segmentierten Ausführung mit nicht-linearen Biegeflächen, nicht-linearer Biegekante des Stempels und zusätzlich geteiltem Biegegesenk; und
- 10 ein Ausführungsbeispiel der Segmente 110-i, 120-i nach 9 mit Freiheitsgraden,
veranschau licht.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 veranschaulicht das Grundprinzip einer jeden Gesenkbiegeanlage. Sie besteht aus einem Stempel 120, der vorzugsweise mit Hilfe eines Antriebs das umzuformende Werkstück 200, typischerweise ein Blech, in ein Biegegesenk 110 eindrückt. Auf diese Weise wird das Werkstück umgeformt. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel hat das Biegegesenk einen V-förmigen Querschnitt und der Stempel 120 hat eine keilförmige Spitze. Die in 1 gezeigte Endposition der Biegewerkzeuge, Stempel 120 und Biegegesenk 110, wird durch eine minimale Beabstandung der Biegekanten von Stempel und Biegegesenk um die Dicke s des zu biegenden Bleches definiert.
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Im Unterschied zu diesem bekannten Gesenkbiegen gemäß 1 erfolgt die Umformung des Werkstückes 200 in der erfindungsgemäßen Gesenkbiegeanlage 100 durch nicht-linear ausgebildete Biegekanten 112 und / oder Biegeflächen 114 des Biegegesenkes 110 und / oder durch nicht-linear ausgebildete Biegekanten 122 und / oder Biegeflächen 124 des Stempels 120. Nicht-linear bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Biegekanten und / oder Biegeflächen zwei- oder dreidimensional geformt ausgebildet sind, wie in den 2 bis 9 gezeigt.
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Die Biegekanten und / oder Biegeflächen sind nach dem erfindungsgemäß ausgebildeten Biegegesenk und Stempel so geformt, dass sich bei vollständig auf den Biegewinkel zugefahrenen Biegewerkzeugen, d. h. im Biegeendzustand, mindestens die Biegeflächen und / oder die Biegekanten in einer auf die Dicke s des Werkstückes angenäherten parallelen Distanz befinden. Die Biegelinie der nicht-linearen Biegekante verläuft in dem Stempel 120 und / oder in dem Biegegesenk 110 zumindest abschnittsweise zwei- oder dreidimensional. Der Werkzeugaufbau und das Verfahrensprinzip des erfindungsgemäßen Gesenkbiegens mit nicht-linearer Biegekante wird in einer Vorder-Seiten-Ansicht in 2 dargestellt. Typischerweise wird ein Koordinatensystem definiert, dessen Koordinatenursprung in dem Biegegesenk 110 in horizontaler x-Richtung am hintersten Punkt des Verlaufes der nicht-linearen Biegekante 112 sowie in vertikaler, d. h. in z-Richtung am höchsten Punkt der nicht-linearen Biegekante 112 liegt. Die kinematische Verfahrweg des Stempels liegt vorzugsweise in vertikaler, d. h. in z-Richtung des Koordinatensystems. Das zu biegende Werkstück 200 wird so auf dem Biegegesenk 110 positioniert, dass durch das Biegen des Bleches 200 durch den Stempel 120 die gewünschte Blechschenkelhöhe eingeformt wird. Dazu wird der Stempel 120 auf dem zu biegenden Blech geeignet positioniert. Der Stempel 120 führt durch seine Verfahrbewegung entlang eines Verfahrweges die Biegung des Bleches 200 in das Biegegesenk 110 hinein durch. Die Endstellung des Stempels wird durch den parallelen Abstand der Biegekante 122 und / oder Biegefläche 124 des Stempels 120 und der Biegekante 112 und / oder der Biegefläche 114 des Biegegesenkes 110 entsprechend der Dicke s des Werkstückes definiert. Um eine fixierte Positionierung des Werkstücks 200 zu gewährleisten, ist der Einsatz eines oder mehrerer Niederhalter 140 empfehlenswert. Gleichzeitig kann durch den Einsatz von Niederhaltern 140 der Werkstofffluss gesteuert bzw. geregelt werden, um Faltenbildung in dem Werkstück 200 zu verringern bzw. sogar ganz zu verhindern. Dazu werden Niederhalter vorzugsweise mit einem eigenen Antrieb betrieben. Des Weiteren ist der senkrechte Abstand v zwischen dem höchsten Punkt hP und dem niedrigsten Punkt nP der Biegekante des Stempels in einem möglichen Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Versatz beträgt beispielsweise 30 mm bei einer Profillänge von 300 mm. Der Versatz bezieht sich dabei, aufgrund der Anbindung linearer Anteile an die nicht-lineare Biegekante, auf einen nicht-linearen y-Profillängenabschnitt von 243,104 mm. Dies entspricht einem Verhältnis von > 0,12. Die Erfindung betrifft daher insbesondere Verhältnisse > 0,1. Die Erfindung betrifft grundsätzlich Verhältnisse dieser Größenordnung oder größer.
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An dem Biegegesenk 110, insbesondere an seinen äußeren Kanten, können ein oder mehrere Einläufe 130 angeordnet sein, vorzugsweise in Form von Kantenverrundungen ausgeführt, um den Werkstofffluss während der Umformung zu begünstigen.
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Die 3 bis 8 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäß nicht-linear ausgebildete Biegekante 112 und / oder Biegefläche 114 des Biegegesenkes 110 und / oder für die nicht-linear ausgebildete Biegekante 122 und / oder Biegefläche 124 des Stempels 120. Nicht-linear bedeutet, dass die Biegekanten zwei- oder dreidimensional verlaufend ausgebildet sind bzw. dass die Biegeflächen zwei- oder dreidimensional ausgeformt sind. Anschaulich gesprochen bedeutet nicht-linear, dass die Biegekanten und / oder die Biegeflächen zumindest abschnittsweise wellenförmig, konkav, konvex und / oder mit stetigen oder nicht stetigen Übergängen ausgebildet sind.
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4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Gesenkbiegeanlage mit nicht-linearer Biegekante in einer Seitenansicht. Die Biegekante ist hier über einen zentralen Abschnitt in ihrer gesamten Breite nicht-linear ausgebildet. An ihrem rechten und linken Rand läuft die zentrale nicht-linear ausgebildete Biegekante jedoch linear, d. h. geradlinig aus. Insofern dient der zentrale nicht-lineare Biegekantenabschnitt als Übergang zwischen zwei geraden Biegekantenabschnitten. Grundsätzlich kann, wie bereits oben erwähnt, die Biegekante beliebig konturiert ausgebildet sein, das bedeutet insbesondere auch, dass die Biegekante nicht stetig in vertikaler (z-) Richtung verlaufen muss.
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Im Unterschied zu 4 zeigt 5 den Werkzeugaufbau einer erfindungsgemäßen Gesenkbiegeanlage 100 mit nicht-linearer Biegekante in einer Draufsicht. In der Draufsicht weist das Biegegesenk 110 die nicht-lineare Biegekante 112, und der Stempel 120 die nicht-lineare Biegekante 122 auf. Während des Gesenkbiegens wird die nicht-lineare Biegekante gleichermaßen in das umzuformende Werkstück 200 eingebracht.
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In den 3 bis 8 sind die Biegekanten 122 und / oder die Biegefläche 124 des Stempels 120 zumindest abschnittsweise komplementär zu der nicht-linearen Biegekante 112 und / oder zu der unebenen Biegefläche 114 des Biegegesenks 110 ausgebildet. Die komplementäre Ausbildung ist vorteilhaft, jedoch keineswegs zwingend notwendig für die Realisierung des Gesenkbiegens mit nicht-linearer Biegekante.
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6 zeigt die Ausbildung einer erfindungsgemäßen Gesenkbiegeanlage 100 und des entsprechenden Verfahrens zum Einbringen von konkaven oder konvexen Biegekanten in das umzuformende Werkstück. Dazu sind die Biegekanten 122, 112 und die Biegeflächen 114, 124 an dem Biegegesenk 110 und dem Stempel 120 entsprechend konkav bzw. konvex ausgebildet.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem die Biegekanten und Biegeflächen wellenförmig ausgebildet sind.
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Während bei den in den 3 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispielen der Querschnitt des Biegegesenkes 110 V-förmig ausgebildet ist, zeigt 8 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Gesenkbiegeanlage 100, bei welchem der Querschnitt des Biegegesenkes 110 U-förmig ausgebildet ist. Der Stempel 120 ist dazu komplementär im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet. Die Erfindung umfasst insofern sowohl Gesenkbiegeanlagen mit V-förmigem (bzw. mehrfach V-förmigem) wie auch U-förmigem (bzw. mehrfach U-förmigem) Querschnitt. Der U-förmige Querschnitt bietet den Vorteil, dass auch geschlossene oder teilgeschlossene Profilformen mit nicht-linearer Biegekante in das Werkstück eingebracht werden können.
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Der Stempel 120 und / oder das Biegegesenk 110 können über zumindest einem Abschnitt ihrer Länge in einzelne Segmente i unterteilt sein, wie in 9 dargestellt. Mit diesen Segmenten sind die Biegekanten des segmentierten Stempels 120-i und / oder des segmentierten Biegegesenkes 110-i variabel an jeweils im Einzelfall gewünschte Konturen anpassbar. So können die Segmente ihrerseits jeweils beliebig konturierte Biegekantenabschnitte repräsentieren. Beispielsweise können die Segmente eine gerade Biegekante mit definierter Segmentbreite oder kreisbogenförmige Biegekantenabschnitte darstellen. Die Spitzen bzw. die Biegeflächen der Segmente 110-i, 120-i können beispielsweise dreidimensional, d. h. sphärisch geformt ausgebildet sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 9 kann das Biegegesenk 110-i und / oder der Stempel 120-i bzw. können deren Segmente i in entlang seiner / ihrer Biegekante 112, 122 geteilt und / oder verstellbar ausgebildet sein. Weiter alternativ können die Biegekanten 112, 122 und / oder die Biegeflächen 114, 124 des Biegegesenks 110 und / oder des Stempels 120 und / oder von deren Segmenten 110-i, 120-i federnd gelagert sein.
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10 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Segmente 110-i, 120-i, nach 9, wobei zumindest eines der Segmente 110-i, 120-i des Biegegesenkes 110 und / oder des Stempels 120 in beliebige Richtung im dreidimensionalen Raum, gemäß der Freiheitsgrade fi-x, fi-y und / oder fi-z, verschiebbar ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Segment drehbar und / oder neigbar, gemäß der Freiheitsgrade ri-x, ri-y und / oder ri-z, gelagert sein. Diese Verschiebung, Drehung und / oder Neigung ist vorzugweise variabel einstellbar, weiter vorzugsweise auch während des Umformvorganges. Weiterhin können die Segmente 110-i des Biegegesenks 110, so wie in 10 einseitig angedeutet, (federnd) gelagert ausgeführt sein, um eine mitlaufende Gegenhalterfunktion zu übernehmen, zum Führen des Werkstückes 200 während seiner Umformung. Dabei übernimmt der Gegenhalter die Funktion des Biegegesenkes 110 bzw. 110-i. Das Mitlaufen wird z. B. über (federnd) gelagerte und / oder aktiv ansteuerbare Segmente des Biegegesenkes oder des Stempels realisiert.
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An dem Biegesenk 110 und / oder an dem Stempel 120 oder an dem mindestens einen Segment kann eine lösbar befestigte Biegeschiene vorgesehen sein, an welcher die zumindest abschnittsweise nicht-lineare Biegekante ausgebildet ist. Das Vorsehen der Biegeschiene ermöglicht eine flexible Variation der Biegekanten im Hinblick auf einen jeweiligen Einzelfall. Außerdem kann sie im Verschleißfalle einfach ausgetauscht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Gesenkbiegeanlage
- 110
- Biegegesenk
- 110-i
- Segment des Biegegesenks
- 112
- Biegekante des Biegegesenks
- 114
- Biegefläche des Biegegesenks
- 120
- Stempel
- 120-i
- Segment des Stempels
- 122
- Biegekante des Stempels
- 124
- Biegefläche des Stempels
- 130
- Einlauf
- 140
- Niederhalter
- 200
- Werkstück
- fi-x
- Freiheitsgrad eines Segmentes i, translatorisch entlang der x-Achse
- fi-y
- Freiheitsgrad eines Segmentes i, translatorisch entlang der y-Achse
- fi-z
- Freiheitsgrad eines Segmentes i, translatorisch entlang der z-Achse
- i
- Segment
- v
- senkrechter Abstand zwischen hP und nP
- hP
- höchster Punkt der nicht-linearen Biegekante
- nP
- höchster Punkt der nicht-linearen Biegekante
- ri-x
- Freiheitsgrad eines Segmentes i, rotatorisch um die x-Achse
- ri-y
- Freiheitsgrad eines Segmentes i, rotatorisch um die y-Achse
- ri-z
- Freiheitsgrad eines Segmentes i, rotatorisch um die z-Achse
- s
- Werkstückdicke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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