Tiefziehen von konischen Ziehteilen im Gesamtverbundwerkzeug

Abstract

Das Tiefziehen von unzylindrischen Ziehteilen beinhaltet besondere Herausforderungen.

Erschwerend zu den Versagensfällen Falten Erster Art sowie Bodenreiser tritt der Versagensfall Falten Zweiter Art auf. Um letzteres zu verhindern sind entweder mehrere Ziehabstufungen notwendig welche in einem nachfolgenden Kalibriervorgan die Endgeometrie formen. Eine weitere Fertigungsmöglichkeit ist das Umformen im Wasserbad oder die Ziehteile werden in zwei Arbeitsgängen zunächst Tiefgezogen und nachfolgend Fließgedrückt. Die Stückkosten sind bei diesen Verfahrensvarianten bedingt durch die Investitionskosten und hohen Prozesszeiten sehr hoch. Nachfolgend ist die Möglichkeit des Tiefziehens eines konischen Ziehteiles in einem Gesamtverbundwerkzeug vorgestellt, welches insbesondere bei mittleren und grossen Ziehteilen ein hohes Anwendungspotential aufzeigt.

Einleitung

unzylindrische Ziehteile
Abbildung 1  Unzylindrische Ziehteile

Um Ziehteile mit unzylindrischen Zargenformen (1) herstellen zu können werden in mehrerern Arbeitsgängen Ziehteile mit zylindrischen Abstufungen erzeugt welche in einem abschliessenden Kalibriervorgang nachgeschlagen werden (2). [2]

Abb 002
Abbildung 2  Mehrfaches Vorziehen mit abschließendem Kalibrieren nach [2]

Eine Alternative zu den Mehrfachzügen mit Einzelwerkzeugen stellt das Umformen mittels Fluid dar (3). Durch den Aussendruck des Fluids wird das Blech vorzeitig an den Boden und den konischen Teil des Stempels gedrückt. Durch das grossflächige Anlegen des Bleches auf den Stempel wird die einschnürgefährdete Zone am Stempelradius entlastet, sodass sich hohe Umformkräfte in die Umformzone übertragen lassen. Ebenso findet während nahezu jedem Zeitpunkt der Umformung ein membranes Spannen der freien Blechzone statt. Dies verhindert dass Falten zweiter Ordnung bei geeigneter Prozessführung nicht entstehen können. Zur Abdichtung des Prozessdruckes ist in jeder Phase ein Blechflansch notwendig.

Aussenhochdruckumformung
Abbildung 3  Aussenhochdruckumformung nach [2]

Das Entstehen von Falten 2. Art

Nach dem Schließen der Werkzeughälften kommt es zur Berührung des Stempels mit dem Blech. Bei Rundteilen sowie in den Eckenbereichen von Mehreckteilen werden gedachte konzentrische Kreisringe auf der Ausgangsronde bei weiterem Niedergang des Stempels auf Kreisringe mit kleinerem Radius umgeformt, wodurch es durch den geometrischen Materialüberschuss zu tangentialen Druckspannungen kommt. Besteht nun ein zu grosser Abstand f zwischen dem Stempelrücken und dem Ziehradius (4) [1] kommt es in einem großen Flächenbereich zu einer werzeug ungebundenen also freien Umformung, bei der die Druckspannungen zu Falten zweiter Ordnung führen können.

Freie ungebundene Flächenanteile.
Abbildung 4  Umformzonen mit freien, ungebundenen Flächenanteilen

Hierbei ist die Gefahr der Faltenbildung eine Funktion von

  • Fließspannung
  • Blechdicke
  • Senkrechter Anisotropie
  • Durchmesser des Stempels bei rotatorischen Teilen oder
  • Eckenradius bei spiegelsymmetrischen Teilen

Variante im Gesamtverbund mittels Gleichlaufweiterziehen

Eine von obengenannten abweichende Verfahrensvariante insbesondere für hohe Ziehteile mit konischer Teilzarge stellt das "Gleichlaufweiterziehen mit nachgiebiger Matrize im Gesamtverbundwerkzeug" dar.

Gesamtverbundwerkzeuge

Verbundwerkzeuge vereinigen die beiden technologisch verschiedenen Arbeitsverfahren „Schneiden“ und „Umformen“ [3] [4]. In Folgeverbundwerkzeugen liegen die Arbeitsstufen parallel nebeneinander und nach jedem Pressenhub erfolgt ein Werkstückweitertransport. Ähnlich einem Gesamtschneidewerkzeug wird in einem Gesamtverbundwerkzeug das Werkstücl mit einme Stößelhub in untereinander liegenden Arbeitsstufenm geschnitten oder geformt.

Gleichlaufweiterziehen

Das Gleichlaufweiterziehen beschreibt ein Verfahren mittels dem Mehrfachzüge in einem Gesamtverbundwerkzeug in Stösselrichtung erzeugt werden. Die Ziehstempel sind konzentrisch zueinander angeordnet während die Ziehmatritzen hintereinander in der Tiefe versetzt angeordnet sind. Die einzelnen Ziehstufen werden unmittelbar nacheionander ausgeführt. Hierdurch werden die zeitlichen Unterbrechungen des plastischen Verformungvorganges minimiert.

Verfahrensbeschreibung

Die Umformaufgabe wird in einem Geamtverbundwerkzeug in einem dreistufigem Prozess bewätigt. Das Werkzeug besteht aus drei konzentrisch angeordneter Matrizen wobei die letzte Ziehmatrize nachgiebig gestaltet ist. In der ersten Ziehstufe wird aus der Blechronde die Zwischengeometrie 1 (5) tiefgezogen.

Bei weiterem Fertigungsgang fährt die Ziehhülse auf die Matrize 2 auf wodurch die erste Ziehstufe abgeschlossen ist.

In der zweiten Ziehstufe wird das Blech zwischen Ziehhülse und Matrize 2 gehalten und der Endkonturstempel formt das Blech in die Matrize 3 ein. Eine Absolutbewegung der Matrize 3 erfolgt zu diesem Zeitpunkt noch nicht. Um in diesem kritischen Moment Falten 2. Ordnung im Ziehteilboden zu verhindern wird der Einlaufradius ähnlich einer Tractrixkurve gestaltet. Im innern der Matrize 3 befindet sich ein PUR – Element welches das Blech auf den Ziehstempel aufpresst. Hierdurch wird die Reissergefahr an der Stempelkante herabgesetzt. Dies bildet den Abschluss der zweiten Ziehstufe.

Im weiteren Fortgang verdrängt der Endkonturstempel die sich an einem Hydraulikzylinder abstützende Matrize 3 und die Restzarge wird mittels Matrize 2 geformt. Hierbei zeigt sich, dass trotz möglichst langer Gestaltung der Matrize 3 ein Restabstandsmass f zur Matrize 2 bleibt welches im weiteren Fertigungsgang als Falten 2. Ordnung sichtbar wäre. Hier gelingt es allerdings durch lokales Erhöhen der Blechhalterkraft im 2. Zug die drohenden Falten herauszuraffen. Die Erhöhte Blechhalterkraft ist nur durch den erhöhten Anpressdruckes des PUR-Elementes auf den Stempelradius übertragbar. Nach dem durchfahren der Matrize 2 fährt der Endkonturstempel in Ausgangstellung wodurch das Hohlteil an der Matrize 2 abgestreift wird (Durchzug). Der Fertigungszyklus wird durch ein Öffnen eines Einlegespaltes (10 mm) abgeschlossen.

Ziehstufe 1
Abbildung 5  Ziehstufe 1
Ziehstufe 2
Abbildung 6  Ziehstufe 2

Werkzeugmerkmale

  • Besondere Merkmale des Werkzeuges sind für leichte Zugänglichkeit und um unnötigen Arbeitshub zu sparen wird die Ziehmatrize 2 nicht an emem Ziehstuhl abgestützt sondem mittels Keilspannelementen (2) armiert. Dies bietet Vorteile flir die Zugänglichkeit des Werkzeuges sowie die Betriebsspannung des Ziehringes.
  • Um die Blechronde auch bei unterschiedlicher Ziehteilhähe zentrisch einlegen zu können sind im Werkzeug zwei exzentrisch gelagerte Anlageglieder vorgesehen (7), welche für die jeweilige Rondeogröße angepasst werden können.
Anlageglieder
Abbildung 7  Anlageglieder

Maschinenkonzept

Für die beiden Ziehstufen sind jeweils gesondert Stempelkraft und Blechhalterkraft aufzubringen. Hierzu kommt ein dreifachwirkender Hydraulikantrieb zum Einsatz. Dieser erlaubt freie Blechhalterkurven in den jeweiligen Ziehstufen.

Das Gestell ist in Rahmenplattenbauweise ausgeflihrt und nimmt gleichzeitig den Öltank auf. Die Maschine ist liegend ausgeführt um eine Fundamentierung zu ersparen und das Einlege- und Entnahmeniveau auf einer Höhe zu halten.

Gestell
Abildung 8  Gestell, Antrieb und Werkzeug

Prozessmerkmale

Mit Gesamtverbundsystemen ist es möglich ganze Einzelpressen und die hierfur notwendige Automation einzusparen. Durch die Möglichkeit das Hohlteil durchzuziehen wird ein separieren der Entnahmeebene von der Einlegeebene möglich. Hierdurch wird eine Parallelisierung des Entnahme- zum Einlegevorgang möglich. Desweiteren spart dies einen unnötigen Öffnungshub des Blechhalters für das Platineneinlegen.

Seitenansicht Maschine
Abbildung 9  Seitenansicht Maschine
Zwischengeometrie und Ziehteil
Abbildung 10  Zwischengeometrie und Ziehteil

Ausblick

Das Gleichlaufweiterziehen im Gesamtverbund in horizontaler Arbeitsrichtung ist für verschiedenste AufgabensteIlungen implementiert. Insbesondere die Druckbehälterindustrie (Gasflaschen, Feuerlöscher) aber auch der Gastronomiebedarf zeigt sich hier als bevorzugte Kundschaft. Zukünftig wird diese Werkzeugtechnik auch flir Rechteckige Ziehteile mit Flansch möglich sein.

Literatur

[1] Oehler Gestaltung gezogener Blechteile (1931)

[2] Radtke Genaue Hohlkörper durch Blechumformung (1995)

[3] W. Hellwig Spanlose Fertigung: Schneiden-Biegen-Ziehen

[4] VDI-Richtlinie 3351