DE3111148A1

DE3111148A1 - Verfahren und vorrichtung zur formaenderung bei blechen und tafeln

Info

Publication number: DE3111148A1
Application number: DE19813111148
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Dipl.-Ing. 5100 Aachen Hornauer; Reiner Prof. Dr.-Ing. Kopp
Original assignee: HORNAUER KLAUS PETER DIPL ING; Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: KOPP, REINER, PROF. DR.-ING. HORNAUER, KLAUS-PETER
Priority date: 1981-03-21
Filing date: 1981-03-21
Publication date: 1982-10-07
Also published as: DE3111148C2; EP0074967A1; EP0074967B1; WO1982003192A1

Description

BESCHREIBUNG:
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens.
Ein Verfahren dieser Art ist nach der- DE-OS 29 06 509 bekannt. Dabei werden Strahlmittel, insbesondere Kugeln, in einem Druckstrahl beschleunigt und mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 90 m/s auf die Oberfläche vün Werk#tücken gerichtet, um eine neformation hell)eizufüllren, die derjenigen des Biegens überlegen ist. Die einzelnen Kugeln sind innerhalb bestimmter Durchmesserbereiche klassiert und treffen aufgrund ihrer Förderung im Stoffstrahl statistisch verteilt auf die Aufschlagfläche auf. Man kann sie im übrigen auch unter einem Winkel auftreffen lassen und eine sie fördernde Düse in Längsrichtung über beispielsweise einer Blechoberfläche führen, die sich daraufhin quer durchwölbt, so daß man Krümmungen verwirklichen kann, wie sie zum Beispiel Beplankungsbleche im Flugszeugbau erforderlich machen. Ubereinstimmend ist es bei dieser Umformtechnik stets, daß die Krümmuna oder Wölbung nicht, wie beim Tiefziehen, in der Beaufschlagungsrichtung erfolgt, sondern entgegengesetzt zu ihr. Die Beaufschlagung führt dabei grundsätzlich zu einem Fließen in sämtlichen Richtungen des Raumes so daß man gerichtete Krümmungen nur durch die vorstehend genannte Uberlagerung einer Vielzahl von Aufschlagstellen herbeiführen kann, so daß sich schließlich bevorzugte Richtungen der Umformung einstellen, wobei die Umformung in den nicht gewünschten Richtungen überdeckt wird.
Von dem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine von vorneherein gezielte Umformung, und zwar insbesondere eine gezielte Krümmung, bei Blechen und Tafeln zu erreichen, ohne die Möglichkeit zur Formgebung des Werkstoffes aufgrund unbeabsichtigter Umformrichtungen nur begrenzt nutzen zu können. Dadurch soll vor allem eine gesteigerte Maßgenauigkeit der Umformung erzielt werden, wobei auch ungewünschte Werkstückdehnungen weitgehend vermieden werden sollen. Die Formänderung soll noch ausgeprägter in einer Ebene verlaufen, wobei die Voraussetzungen für die Vermeidung oder zumindest die Herabsetzung einer Dickenä nderung der Bleche bzw. Tafeln erfüllt sein sollen. Schließlich soll der erhebliche maschinelle Aufwand, wie er bei der bisherigen Umformung mittels Stoffstrahlung notwendig war, erheblich herabgesetzt werden.
Gelöst wird diese Aufgabenstellung durch den Vorschlag gemäß Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1, für den die Vorschläge aus den Unteransprüchen 2 bis 16 vorteilhafte Ausgestaltungen treffen, während sich die Unteransprüche 17 bis 24 auf die zweckmäßige Gestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens beziehen.
Aufgrund des Vorschlages der Erfindung kommt es bei jedem einzelnen, vom Stempel ausgeübten Schlag zu einer geometrisch exakten Beaufschlagung innerhalb eines länglichen Aufschlagbereiches, bei welchem die Länge mindestens den dreifachen und zweckmäßig mindestens den sechsfachen Wert der Breite besitzt. Somit läßt sich eine gezielte Krümmung in Richtung der schmalen Breite der Aufschlagfläche sicherstellen, weil die Fließwiderstände in dieser Richtung wesentlich kleiner als in Längsrichtung der Beaufschlagungsfläche sind. Eine Umformung des Werkstoffes tritt. in Längsrichtung aer Aufschlagbereiche somit praktisch nicht ein, so daß nicht nur eine genau bemessene Krümmung erzielt wird, sondern auch eine Ausdehnung in Längsrichtung, also quer zur Krümmungsrichtung, praktisch ausgeschlossen wird. Die Ausbildung einer geometrisch genau vorherbestimmten Krümmung läßt sich noch erheblich dadurch erleichtern, daß das Werkstück mit zwei sich gegenüberliegenden Kanten zunächst eingespannt und sodann unter Annäherung der Einspannmittel elastisch im Ausmaß der vorgesehenen Formänderung bzw. Krümmung gebogen wird, woraufhin die dynamische Beaufschlagung der Werkstückoberfläche erfolgt. Auf diese Weise gelingt es, die zunächst nur elastische Umformung in eine plastische Umformung zu überführen, so daß man während der Umformung auf eine Rückführung des jeweiligen Umformergebnisses zur laufenden Steuerung des Prozesses verzichten kann. Es ist dann vielmehr ausreichend, lediglich die bei der Werkstück durchbiegung zunächst aufgetretene Spannkraft zu überwachen und die dynamische Belastung der Werkstückoberfläche solange vorzunehmen, bis die Spannkraft auf den Wert 0 zurückgegangen ist. In jedem Falle ist somit die erzielte Formänderung praktisch frei von Rückfederungen.
Der weiteren Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Umformung dient die Führung des Stempels über die Werkstück oberfläche in im wesentlichen parallelen Zeilen sowie die Uberdeckung der Aufschlagbereiche innerhalb der zeilenweisen Aufschlagspuren in Längsrichtung. Man kann die Querabstände der Zeilen einerseits so regeln, daß sie etwa gleich mit der Breite der Aufschlagspur sind. Wenn man die Formänderung vergrößern, also stärker krümmen will, ist es zweckmäßig, die Aufschlagspuren einander auch quer zu ihrer Längsrichtung zur ttberdeckung zu bringen. In diesem Falle wird der Kb stand der einzelnen Zeilen entsprechend herabgesetzt.
Sehr gute Formänderungen lassen sich mit Stempeln erzielen, bei welchen die Werkzeugflä.che eine Breite im Bereich von 1 bis 5 mm aufweist, während man die Länge zweckmäßig mit zunehmender Blechdicke größer wäl.ilt.
Das Ausmaß der Länge läßt sich durch Interpolation und Extrapolation ermitteln, wenn man von zwei vorteilhaften Zuordnungen ausgeht, von denen die eine für Werkstückdicken zwischen 5 bis 8 mm eine Werkzeugfläche von etwa 2 x 12 mm vorsieht, wohingegen die andere bei einer Werkstückdicke von 8 bis 20 mm eine Werkzeugfläche von 2 x 27 mm vorsieht.
Wenngleich sich der oder die Stempel bzw. Werkzeuge unmittelbar für die Schlagbelastung der Werkstückoberfläche -verwenden lassen, liegt es im Interesse einer verbesserten Steuerung des Formänderungsprozesses, die Werkzeuge selbst auf der Werkstückoberfläche aufliegend zu führen und sie mittels eines Schlagkolbens dynamisch zu belasten. In diesem Falle übertragen die Werkzeuge den Impuls des Schlagkolbens, wobei die Einhaltung der relativen Lage zwischen Werkstückoberfläche und Werkzeug besonders zuverlässig gesichert ist.
Somit-wird die kinetische Energie über den Kolben aufgebracht. Dabei ist seine Masse von geringerer Auswirkung als die Geschwindigkeit, die er beim Aufschlag auf den Stempel besitzt. Letzter£ wiederum hängt bei Beaufschlagung des Kolbens mit einem unter Druck stehenden Fluid von seiner Beaufschlagungsfläche sowie vom Hub ab. Man erzielt eine befriedigende Formänderung, wenn man den Querschnitt sowie auch den Hub des Kolbens bei Zunahme der Blechdicke proportional vergrößert, wobei sich einer Blechdicke von 5 bis 8 mm ein Kolbenquerschnitt von etwa 200 mm2 zuordnen läßt.
Der Kolben ist zweckmäßig innerhalb eines Druckluft zylinders beidseitig beaufschlagbar, und zwar zweckmäßig mit Druckluft, die im Bereich von 2 bis 10 bar steuerbar ist. Die Länge des Hubes liegt zwischen etwa 40 bis 120 mm.
Unter den beschriebenen Bedingungen kann mit unterschiedlichen Kolbengeschwindigkeiten gearbeitet werden, die im allgemeinen kleiner als die Geschwindigkeiten der beim Strahlen mit Kugeln auftretenden Kugelgeschwindigkeiten sind. Für die Kolben kann man mit Geschwindigkeiten zwischen 0,5 bis 15 m/s rechnen, in welchem Bereich die niedrigeren Geschwindigkeiten den dickeren Werkstücken und die höheren Geschwindigkeiten den dünneren Werkstücken zugeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere einen Stempel mit einem zylindrischen Schaft auf, der geführt ist und durch einen Kolben in an sich bekannter Weise beaufschlagt werden kann. An seinem der Beaufclagun gegenüberliegenden Ende ist dieser Schaft als Werkzeugfläche ausgebildet. Letztere ist mit Vorteil an einen sich verbreiternden Sockel des Schaftes ausgeführt sowie rechteckig mit angerundeten Ecken gestaltet.
Anstelle der angerundeten Ecken können auch schmalseitig angesetzte Halbkreisflächen treten. Von besonderem Vorteil ist es, die Werkzeugfläche unmittelbar durch eine Saumfläche zu umgeben, deren Ebene in der Beaufschlagungsrichtung gegenüber der Ebene der#Werkzeugfläche um etwa 0,05 bis 0,5 mm zurückgesetzt ist.
Diese Art der zurückgesetzten Saumfläche führt dann, wenn die Werkzeugfläche in das Material eindringen sollte, dazu, daß sich bei einer Eindringtiefe von mehr als 0,05 bis 0,5 mm die Saumfläche an die Werkstückoberfläche anlegt. Damit geht sofort die spezifische Flächenbelastung zurück, so daß ein weiteres Eindringen in das Werkstück verhindert wird. Dies ist unter dem-bereits behandelten Gesichtspunkt der Vermeidung großer Rauhtiefen im Werkstück von erheblicher Bedeutung. Die Saumfläche ist daher zweckmäßig auf jeder Längsseite der Werkzeugfläche ausgebildet und besitzt dort jeweils etwa die gleiche Breite wie die Werkzeugfläche.
Die Werkzeugfläche bzw. die Saumfläche geht weiterhin zweckmäßig über eine angerundete Kante in den Stempel bzw. in dessen Sockel über. Somit läßt sich mit Sicherheit die Ausbildung scharfkantiger Oberflächenstörungen vermeiden. Der Ubergangsbereich im Anschluß an die Werkzeugfläche bzw. die Saumfläche verbreitert sich im iibrigen zweckmäßig trapezförmig in Richtung auf den breiteren -Sockel des Stempels.
Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die schematischen Zeichnungen Bezug genommen. Darin zeigen: Figur 1 ein Werkstück mit einer erfindungsgemäß vorgenommenen Formänderung, Figur 2 die zeilenweise Beaufschlagung eines Werkstückes nach der Erfindung und Figur 3 einen erfindungsgemäß gestalteten Stempel.
Figur 1 zeigt ein Blech 1, das in seiner Längsrichtung 2 mit einem Stempel dynamisch belastet wurde, indem dieser Stempel entlang der Längsrichtung 2 geführt wurde. Er wurde weiterhin in mehreren, hierzu parallelen Bahnen geführt.
Als Ergebnis dieser dynamischen Belastung ist es zu einer Krümmung gemäß der Krümmungslinie 3 gekommen, die sich über die gesamte Länge des Bleches 1 gleichmäßig herstellen ließ.
Die zeilenweise Beaufschlagung des Bleches 1 entlang seiner Längsrichtung 2 zeigt Figur 2. Man erkennt die einzelnen Beaufschlagungsflächen 4, deren eine im oberen Teil der Figur 2 schraffiert dargestellt ist.
Diese Beaufschlagungsflächen überdecken sich in der Längsrichtung 2 mit Abschnitten, die durch gestrichelte Darstellung erkennbar sind. Sie haben eine Länge 5, die von der Geschwindigkeit des Vorschubes sowie von der Schlagfrequenz abhängig ist. Je nach Länge der Oberdeckung ist die Formänderung mehr oder weniger stark ausgeprägt.
Die einzelne Beaufschlagungsfläche besitzt eine Breite 6 sowie eine sich in Längsrichtung 2 erstreckende Länge 7, welchletztere vorzugsweise von der sechsfachen Breite ist. Die einander überdeckenden Aufschlagflächen bilden Aufschlagspuren 8, 9 aus, deren AL-stand 10 voneinander bei der Darstellung in Figur 2 von etwa gleicher Breite wie die Breite 6 der Aufschlagfläche bzw. der Aufschlagspur 8 ist. Man kann indes auch die einzelnen Aufschlagspuren einander annähern und sich sogar überdecken lassen, desgleichen läßt sich bei nur sehr schwacher Formänderung der Vorschub vergrößern bzw. die Schlagfrequenz verringern, so daß die einzelnen Aufschlagflächen 4 einander schließlich nicht mehr überdecken.
Den Stempel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt Figur 3. Man erkennt zunächst einen zylindrischen Schaft 11, dessen unteres Ende als Werkzeugfläche 12 ausgeführt ist, welchletztere im unteren Teil der Figur 3 in Draufsicht wiedergegeben wurde. Die Werkzeugfläche 12 ist an dem sich verbreiternden Sockel 13 des Schaftes 11 ausgebildet und von im wesentlichen rechteckiger Gestalt. Ihre Länge 7 erfüllt die Bedingung, etwa sechsmal so groß wie die Breite 5 zu sein. An die schmalen Seiten der Werkzeugfläche 12 sind Halbkreisflächen 14 angesetzt.
Die Werkzeugfläche 12 ist unmittelbar von einer Saumfläche 15 umgeben, die parallel zur Ebene der Werkzeugfläche 12 entgegengesetzt zur Schlagrichtung 16 versetzt ist. Das Ausmaß 17 dieser Versetzung liegt zwischen 0,05 bis 0,5 mm. Die Saumfläche erstreckt sich zu beiden Längsseiten der Werkzeugfläche 12 und ist dort von einer Breite 18, die etwa der Breite 5 der Werkzeugfläche 12 gleich ist. Somit kommt es bei zu starker Deformation in Schlagrichtung 16 zu der doppelten Vergrößerung der Aufschlagfläche, woraufhin die spezifische Belastung stark herabgesetzt wird, so daß eine weitere Verformung in der Schlagrichtung 16, die senkrecht zur Richtung 3 verläuft, unterbleibt.
Wenngleich die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Möglichkeiten der Schlagumformung denjenigen der bekannt gewesenen Stoffstrahlen überlegen sind, so schließt dies nicht aus, die erfindungsgemäße Schlagumformung für bestimmte Umformungen mit den Stoffstrahlen zu kombinieren.
Sofern zum Beispiel bei einem Werkstück dünne Bereiche, die aus Gründen der Materialersparnis häufig mit rückseitigen Verstärkungsrippen ausgebildet sind, umzufonnen sind, kann dies noch mit den genannten Stoffstrahlen (Jeschehen, wohingegen beim gleichen Werkstück vorhandene dickere Bereiche in vorteilhafter Weise nach der vorliegenden Erfindung eine Schlagumformung erhalten.
Während der Umformung wird allgemein zu beachten sein, daß die der Beaufschlagung gegenüberliegende Rückseite der Werkstücke keine Belastung erfahren, die derjenigen ihrer Beaufschlagung von der Oberfläche her vergleichbar ist. Demnach kann ein Werkstück durchaus großflächig auf weichem, nachgebenden Material, wie Schumstoff oder dergleichen, während der erfindungsgemäßen Behandlung auflieyeii.
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Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Formänderung bei Blechen und Tafeln PATENTANSPRÜCHE: 0Verfahren zur Formänderung bei Blechen und Tafeln aus Werkstoffen mit elastischem und plastischem Umformverhalten, wobei das Werkstück oberflächlich einseitig dynamisch mit starrbleibenden Körpern örtlich begrenzbar beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung mittels wenigstens eines Stempels von definierter Werkzeugfläche erfolgt, der durch Schläge auf die Oberfläche des Werkstückes in einem Aufschlagbereich mit einer Länge von wenigstens der dreifachen Breite zur Einwirkung gebracht wird, wobei die Längsrichtung des Aufschlagbereiches quer zur Umformrichtung liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Stempel in einem Aufschlagbereich mit einer Länge von wenigstens der sechsfachen Breite zur Einwirkung auf die Werkstoffoberfläche gebracht wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Stempel in im wesentlichen parallelen Zeilen über die Werkstoffoberfläche geführt werden, während sie ihre Schlagbelastung ausführen, wobei sich die Aufschlagbereiche der einzelnen Aufschläge unter Ausbildung einer Aufschlagspur in deren Längsrichtung einander überdecken.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbelastung entlang Zeilen mit Querabständen von etwa der Breite der Aufschlagspur vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbelastung zeilenweise mit sich quer zu ihrer Längsrichtung überdeckenden Aufschlagspuren vorgenommen wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbelastung mit an den Stempeln bestehenden Werkzeugflächen von einer Breite von 1 bis 5 mm vorgenommen wird, wobei die Länge der Werkzeugfläche bei zunehmender Blechdicke größer gewählt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Werkstückdicken zwischen 5 bis 8 mm eine Werkzeugfläche von etwa 2 mm x 12 mm und bei Werkstückdicken von 8 bis 20 mm eine Werkzeugfläche von etwa 2 x 27 mm verwendet wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn--zeichnet, daß der oder die Stempel auf der Werkstückoberfläche aufliegend geführt und dabei mittels Schlagkolben dynamisch belastet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenquerschnittsflächen, beginnend bei einer Blechstärke von 5 bis 8 mm zugeordneten Querschnitts-2 fläche von etwa 200 mm2, sowie der Hub für die Schläge der Kolben mit Zunahme der Blechdicke etwa proportional vergrößert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben in einem beidseitig beaufschlagbaren Druckluftzylinder mit Druckluft einer Pressung von 2 bis 10 bar entlang eines Hubes von etwa 40 bis 120 mm beaufschlagt und beschleunigt werden.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Stempel in einem maqnetischon Wechselfeld beaufschlagt und beschleunigt werden, dessen Wechselfrequenz der Schlagfrequenz gleich ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagfrequenz gleich der Wechselstromfrequenz des Stromversorgungsnetzes gewählt wird.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für den oder die Stempel eine Frequenz von etwa 1500 min 1 gewählt wird.
14. Verfahren nach den Ansprüchen l bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Stempel mit einem Vorschub von 5 bis 15 m/min geführt werden.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzcicet, daß das Werkstück mit zwei sich gegenüberliegenden Kanten eingespannt und sodann unter Annäherung der EinspannmitteL elastisch im Ausmaß der vorgesehenen Formänderung gebogen wird, und daß die dynamische Aufschlagung der Werkstückoberfläche sodann vorgenommen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der elastischen Werkstückdurchbiegung auftretende Spannkraft überwacht und die dynamische Belastung bis zum Rückgang der Spannkraft vorgenommen wird.
17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Stempel mit einem zylindrischen Schaft aufweist, der einendig als Werkzeugfläche (12) ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugfläche (12) an einem sich verbreiternden Sockel (13) des Schaftes (11) ausgeführt ist.
19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugfläche (12) rechteckig mit angerundeten Ecken ausgebildet ist.
20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugfläche (12) mit schmalseitig angesetzten Halbkreisflachen (14) ausgeführt ist.
21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugfläche (12) über angerundete Kanten in den Stempel bzw. in dessen Sockel (13) übergeht.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Ubergangsbereich im Anschluß an die Werkzeugfläche eine trapezförmige Verbreiterung aufweist.
23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugfläche (12) unmittelbar von einer Saumfläche (15) umgeben ist, deren Ebene in Schlagrichtung (16) gegenüber der Ebene der Werkzeugfläche (12) um 0,05 bis 0,5 mm zurückgesetzt ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Saumfläche (15) auf jeder Längsseite der Werkzeugfläche ausgebildet und dort von jeweils etwa gleicher Breite (18) wie die Werkzeugfläche ist.