[0001] Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug zur Herstellung eines Halbzeugs oder Endprodukts
aus einem Metallblech mit einem ersten Werkzeugteil, das einen Werkzeugoberteil, eine
Matrize und mindestens ein erstes Loslager aufweist, das die Matrize am Werkzeugoberteil
mit Lagerspiel in Lagerebene zum Ausgleich ihrer thermischen Kontraktion oder Expansion
befestigt, mit einem zweiten Werkzeugteil, das ein Werkzeugunterteil, einen Stempel
und mindestens ein zweites Loslager aufweist, das den Stempel am Werkzeugunterteil
mit Lagerspiel in Lagerebene zum Ausgleich seiner thermischen Kontraktion oder Expansion
befestigt, wobei Stempel und Matrize zum Umformen des Metallblechs zusammenwirken.
[0002] Um Wärmedehnungen an einem Umformwerkzeug aufnehmen zu können, schlägt die
EP2548670A1 vor, dessen erwärmte Matrize sowie dessen erwärmten Stempel jeweils über vier kreuzförmig
angeordnete Loslager am Werkzeugoberteil bzw. Werkzeugunterteil zu lagern. Als Loslager
werden in Langlöchern geführte Nutsteine vorgeschlagen, die ein Lagerspiel in Lagerebene
aufweisen, um seitliche thermische Kontraktion oder Expansion von Matrize und Stempel
ausgleichen zu können. Eine lose Lagerung von Matrize und Stempel kann jedoch zu Ungenauigkeiten
in deren relativen Ausrichtung führen und damit die Formgenauigkeit am umgeformten
Blech gefährden. Um dies zu vermeiden, sieht die
EP2548670A1 eine Zentrierführung zwischen Matrize und Stempel vor - was konstruktiv allerdings
vergleichsweise aufwendig ist, zumal diese Zentrierführung gegebenenfalls hohe mechanische
Kräfte aufzunehmen hat, um einen thermischen Versatz von Matrize und Stempel ausgleichen
zu können.
[0003] Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Umformwerkzeug der eingangs
geschilderten Art konstruktiv zu vereinfachen, dennoch aber robust gegenüber thermischer
Expansion oder Kontraktion höchste Formgenauigkeit am umgeformten Blech sicherstellen
zu können.
[0004] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die beiden Werkzeugteile je
mindestens ein weiteres Lager aufweisen, die Matrize und Stempel in Lagerebene spielfrei
am Werkzeugoberteil oder Werkzeugunterteil befestigen.
[0005] Weisen die beiden Werkzeugteile je mindestens ein weiteres Lager auf, die Matrize
und Stempel in Lagerebene spielfrei am Werkzeugoberteil oder Werkzeugunterteil befestigen,
können Matrize und Stempel in der Art einer Fest-Los-Lagerung am jeweiligen Werkzeugteil
konstruktiv vergleichsweise einfach fixiert werden, wobei thermische Expansion/Kontraktion
an Matrize und Stempel von der Lagerung dennoch sicher aufgenommen werden kann. Zudem
kann damit trotz thermischer Expansion/Kontraktion an der Matrize oder am Stempel
vorteilhaft über diese Fixstellen deren gegenseitige Ausrichtung erhalten bleiben,
was die genaue und standfeste Positionierung von Matrize und Stempel relativ zueinander
sicherstellen kann. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist daher das Vorsehen konstruktiv
aufwendiger Zentrierführungen zwischen Matrize und Stempel zur Gewährleistung einer
formgenauen Herstellung mithilfe des Umformwerkzeugs vermeidbar. Mit der erfindungsgemäßen,
konstruktiv vergleichsweise einfachen Lösung kann daher ein gegenüber thermischer
Expansion/Kontraktion unempfindliches Umformwerkzeug geschaffen werden, womit in weiterer
Folge reproduzierbar exakte Halbzeuge oder Endprodukte aus einem Metallblech geformt,
beispielsweise tiefgezogen, werden können. Vorzugsweise können die beiden Werkzeugteile
jeweils nur ein solches, in Lagerebene spielfreies Lager aufweisen. Damit kann beispielsweise
die Konstruktionsanforderung an das Werkzeug gering gehalten werden.
[0006] Im Allgemeinen wird erwähnt, dass unter Umformen ein Blechumformen, beispielsweise
ein Druckumformen oder Zugdruckumformen, verstanden werden kann. Insbesondere kann
es sich auch bei dem gegenständlichen Umformwerkzeug um ein Tiefziehwerkzeug handeln.
[0007] Liegen die normal zu ihrer Lagerebene verlaufenden Lagerachsen der Lager bei geschlossenem
Umformwerkzeug auf einer gemeinsamen Geraden, kann die gegenseitige Ausrichtung von
Matrize und Stempel gegenüber thermischer Expansion/Kontraktion robuster erhalten
werden. Die beiden fluchtenden Lagerachsen zwingen nämlich Matrize und Stempel auf,
thermische Änderung in ihren geometrischen Abmessungen ausschließlich um deren gemeinsame
Fixlage im geschlossenen Werkzeug zuzulassen, was die exakte und standfeste Positionierung
von Matrize und Stempel relativ zueinander stets sicherstellen kann. Ein gegenüber
thermischer Expansion/Kontraktion äußerst unempfindliches Umformwerkzeug kann damit
geschaffen werden, das reproduzierbar die Herstellung formgenauer Halbzeuge oder Endprodukte
sicherstellen kann.
[0008] Die exakte und standfeste Positionierung von Matrize und Stempel relativ zueinander
kann selbst bei erhöhter thermischer Expansion/Kontraktion erhalten bleiben, wenn
die gemeinsame Gerade durch den Massenschwerpunkt von Matrize und Stempel bei geschlossenem
Umformwerkzeug verläuft. Diese Konstruktionsvorschrift orientiert sich daher nicht
am Massenschwerpunkt von Matrize und am Massenschwerpunkt des Stempels, welche beiden
Massenschwerpunkte meist bei geschlossenem Umformwerkzeug nicht fluchten, sondern
am Massenschwerpunkt beider Massen bei geschlossenem Umformwerkzeug. Damit kann eine
eventuell unterschiedliche thermische Expansion/Kontraktion von Matrize und Stempel
aufeinander abgestimmt und ausgeglichen werden - was die Reproduzierbarkeit des Umformwerkzeugs
weiter erhöhen kann.
[0009] Einfache Konstruktionsverhältnisse können sich ergeben, wenn das Lager mittig von
Matrize oder Stempel angeordnet ist.
[0010] Bildet das Lager eine feste Einspannung aus, kann die gegenseitige Ausrichtung von
Matrize und Stempel in ihrer Robustheit gegenüber thermischer Expansion/Kontraktion
weiter erhöht werden.
[0011] Eine derartige feste Einspannung kann beispielsweise durch eine feste Verbindung
- etwa in Form eines Spannstifts oder Zentrierbolzens - ausgebildet werden. Zudem
können diese festen Verbindungen zur Zentrierung der Matrize bzw. des Stempels beitragen
und damit den Zusammenbau des Umformwerkzeugs bzw. auch dessen Wartung erleichtern.
Zudem kann ein Spannstift vergleichsweise hohe Scherkräfte abtragen, was die Standfestigkeit
des Umformwerkzeugs gegenüber thermischer Expansion/Kontraktion weiter erhöhen kann.
[0012] Weisen die Loslager je eine Schraubverbindung mit einem Lagerspiel auf, kann sich
eine konstruktiv einfache Lösung ergeben, um am Loslager Bewegungsfreiheit zu erzeugen.
Insbesondere durch ein radiales Lagerspiel kann - richtungsunabhängig - jede Art von
thermischer Expansion/Kontraktion an Matrize bzw. am Stempel kompensiert werden, was
in weiterer Folge die Robustheit des Umformwerkzeugs erhöhen kann.
[0013] Ein Lagerspiel an der Schraubverbindung kann konstruktiv einfach ermöglicht werden,
wenn die Befestigungsschraube der Schraubverbindung mit Lagerspiel eine Öffnung am
Werkzeugoberteil oder Werkzeugunterteil durchgreift.
[0014] Ist die Befestigungsschraube als Dehnschraube ausgeführt, kann die vom Loslager ausgleichbare
thermische Expansion/Kontraktion über das Maß des Lagerspiels durch die Dehnbarkeit
der Befestigungsschraube vergrößert werden. Dies kann die Standfestigkeit des Umformwerkzeugs
weiter erhöhen.
[0015] Die Energieeffizienz des Umformwerkzeugs kann erhöht werden, wenn zwischen Matrize
und Werkzeugoberteil und/oder Stempel und Werkzeugunterteil je eine Wärmeisolierung
vorgesehen ist. Dabei kann insbesondere eine druckfeste Wärmeisolierung durch eine
Lagestabilisierung von Matrize und Stempel auf die Maßgenauigkeit des Umformen unterstützend
Einfluss haben.
[0016] Werden die Matrize und/oder der Stempel von einer Wärmisolierung seitlich umfasst,
kann dies den Energieverlust des Umformwerkzeugs weiter reduzieren und damit die Energieeffizienz
zusätzlich erhöhen.
[0017] Weist das Umformwerkzeug ein verschließbares Gehäuse auf, das Stempel und Matrize
umfasst, kann dies den Energieverlust des Umformwerkzeugs weiter eindämmen. Insbesondere
kann auf diese Weise bei kurzzeitigem Öffnen des Gehäuses der Temperaturverlust an
Matrize und Stempel minimiert werden.
[0018] Um Stempel und/oder Matrize temperieren zu können, kann vorgesehen sein, dass Umformwerkzeug
eine Temperiereinrichtung zur Kühlung und/oder Erwärmung der Matrize und/oder des
Stempels aufweist.
[0019] Eine unterschiedliche Temperierung über die Werkzeugoberfläche von Matrize und/oder
Stempel kann erreicht werden, wenn Matrize oder Stempel voneinander wärmeisolierte
Formkörper aufweisen.
[0020] Ein für erhöhte Umformgrade vorteilhafter, vergleichsweise hoher Temperaturgradient
kann erreicht werden, wenn ein von der Temperiereinrichtung temperierter Formkörper
an einen nicht temperierten Formkörper angrenzt.
[0021] Weist die Temperiereinrichtung mindestens eine innerhalb von Matrize und/oder Stempel
verlaufende Leitung zu deren Kühlung oder Erwärmung auf, kann die Temperierung der
Werkzeuge verbessert, z. B. beschleunigt oder besser aufeinander abgestimmt, werden.
[0022] In den Figuren ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise anhand einer Ausführungsvariante
näher dargestellt. Es zeigen
- Fig. 1
- eine teilweise aufgerissene Seitenansicht auf ein Umformwerkzeug,
- Fig. 2
- einen abgerissenen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 und
- Fig. 3
- eine aufgerissene Draufsicht auf einen Schnitt durch Matrize bzw. Stempel des Umformwerkzeugs
nach Fig. 1.
[0023] Gemäß Fig. 1 wird beispielsweise ein Umformwerkzeug 1 zur Herstellung eines Halbzeugs
oder Endprodukts aus einem Metallblech 2, beispielsweise mit einem kubisch flächenzentrierten
Kristallgitter, gezeigt. Das Metallblech 2 kann vorzugsweise ein Blech aus einer Aluminiumlegierung
sein. Das Umformwerkzeug 1 besteht im Wesentlichen aus einem ersten Werkzeugteil 3
und einem zweiten Werkzeugteil 4, wobei auf Letzteres das erste Werkzeugteil 3 hin
und von diesem wegbewegt werden kann, um das Umformwerkzeug 1 zu schließen bzw. zu
öffnen. Wie der Fig. 1 weiter zu entnehmen, weist das erste Werkzeugteil 3 ein Werkzeugoberteil
5 auf, an dem eine Matrize 6 befestigt ist - und zwar über mehrere erste Loslager
7. Dieselbe Befestigungsart ist auch beim zweiten Werkzeugteil 4 zwischen Stempel
8 und Werkzeugunterteil 9 zu finden. Hier wird der Stempel 8 über mehrere zweite Loslager
11 an einem Werkzeugunterteil 9 befestigt.
[0024] Des Weiteren weist das Umformwerkzeug 1 eine Temperiereinrichtung 31 zur Kühlung
der Matrize 6 und des Stempels 8 auf. Diese Temperiereinrichtung 31 kühlt diese mit
flüssigem Stickstoff, was beispielsweise - aber nicht dargestellt- durch ein Aufsprühen
des Stickstoffs erfolgt. Dies führt zu einer thermischen Kontraktion von Matrize 6
und Stempel 8, welche durch die Loslager 7, 11 zwischen Matrize 6 bzw. Stempel 8 und
dem Werkzeugoberteil 5 bzw. Werkzeugunterteil 9 standfest aufgenommen wird. Hierzu
befestigen die Loslager 7, 11 die Matrize 6 bzw. den Stempel 8 am Werkzeugoberteil
5 bzw. Werkzeugunterteil 9 mit Lagerspiel 18 bzw. 32 in Lagerebene 33 bzw. 34. Ebenso
vorstellbar ist, dass die Temperiereinrichtung 31 Matrize 6 und Stempel 8 erwärmt,
wodurch es entsprechend gelten würde, eine thermische Expansion an Matrize 6 und Stempel
8 durch die Loslager 7, 11 zu kompensieren.
[0025] Da die Matrize 6 des ersten Werkzeugteils 3 mit dem Stempel 8 des zweiten Werkzeugteils
4 zum Umformen des Metallblechs 2 zusammenwirkt, bedarf es für die Herstellung eines
formgenauen Halbzeugs oder Endprodukts einer vergleichsweise genauen relativen Ausrichtung
dieser. Eine lose Lagerung von Matrize 6 und Stempel 8 kann solch eine geforderte
Ausrichtung jedoch nicht sicherstellen.
[0026] Konstruktiv einfach wird die exakte Positionierung von Matrize 6 und Stempel 8 zueinander
dadurch geschaffen, dass die beiden Werkzeugteilen 3, 4 je mindestens ein weiteres
Lager 12, 13 aufweisen. Diese Lager 12, 13 wirken zu ihren jeweiligen Loslagern 7,
11 parallel und lagern entweder die Matrize 6 am Werkzeugoberteil 5 oder den Stempel
8 am Werkzeugunterteil 9 in Lagerebene 33, 34 spielfrei - sodass sich damit eine Art
Fest-Los-Lagerung ausbildet, was eine gegenüber thermischer Expansion/Kontraktion
besonders standfeste Lagerung darstellt.
[0027] Die erfindungsgemäße Lagerung von Matrize 6 und Stempel 8 zeichnet sich insbesondere
dadurch weiter aus, dass die normal zu ihrer Lagerebene 33, 34 verlaufenden Lagerachsen
33, 34 der Lager 12, 13 bei geschlossenem Umformwerkzeug 1 auf einer gemeinsamen Geraden
14 liegen - wie diese in Fig. 1 strichlierte eingezeichnet ist. Dadurch kann selbst
bei thermischer Expansion/Kontraktion von Matrize 6 und Stempel 8 deren exakte Ausrichtung
beibehalten werden, was stets ein formgenau umgeformtes Metallblech 2 sichergestellt.
[0028] Wie in Fig. 1 und 2 in Zusammenschau mit Fig. 3 zu erkennen, verläuft die gemeinsame
Gerade 14 durch den Massenschwerpunkt M von Matrize 6 und Stempel 8 bei geschlossenem
Umformwerkzeug 1. Damit wird die thermische Expansion/Kontraktion von Matrize 6 und
Stempel 8 auf den geschlossen Werkzeugzustand abgestimmt, was die Robustheit des Umformwerkzeugs
1 gegenüber thermischen Belastungen erheblich steigert. Außerdem ist den Figuren zu
entnehmen, dass das erste Lager 12 mittig von der Matrize 6 und das zweite Lager 13
mittig vom Stempel 8 angeordnet sind.
[0029] Fertigungstoleranzen an den Lagern 12, 13 werden durch die Verwendung je eines Spannstifts
15, 16 ausgeglichen, was zudem den Lagern 12, 13 eine hohe Scherfestigkeit gibt. Außerdem
kann damit auf konstruktiv einfache Weise eine feste Einspannung geschaffen werden,
um damit Matrize 6 und Stempel 8 am diesbezüglichen Werkzeugoberteil 5 bzw. Werkzeugunterteil
9 zu fixieren.
[0030] Die Loslager 7 und 11 an den Werkzeugteilen 3 bzw. 4 weisen Schraubverbindungen 17
mit radialem Lagerspiel 18, 32 auf, wie dies in Fig. 2 beispielsweise anhand des Loslagers
11 oder in Fig. 3 gezeigt ist. Das radiale Lagerspiel 32 des Loslagers 11 bildet sich
durch eine gegenüber dem Schraubenhals 19 einer Befestigungsschraube 20 größeren Öffnung
21 im Werkzeugunterteil 9, welche Öffnung 21 die Befestigungsschraube 20 durchgreift.
Anhand des Maßes des Lagerspiels 32 kann die thermische Kontraktion vom Loslager 11
abgetragen werden - wobei im Falle eines Überschreitens dieses Lagerspiels 32 die
als Dehnschraube ausgeführte Befestigungsschraube 20 eine Dehnung zulässt, um ohne
zu brechen der thermischen Kontraktion weiter standhalten zu können. Dieselbe konstruktive
Ausführung des Loslagers 11 nach Fig. 2 ist entsprechend Fig. 3 auch beim Loslager
7 zu erkennen.
[0031] Wie außerdem in der Fig. 1 zu erkennen, sind die temperierte Matrize 6 sowie der
temperierte Stempel 8 wärmeisoliert, indem einerseits zwischen Matrize 6 bzw. Stempel
8 und Werkzeugoberteil 5 bzw. Werkzeugunterteil 9 je eine druckfeste Wärmeisolierung
22, 23 vorgesehen ist. Zudem sind sowohl Matrize 6 von einer Wärmeisolierung 24 und
auch die Stempel 8 jeweils von einer Wärmeisolierung 25 seitlich umfasst.
[0032] Die Temperiereinrichtung 31 weist zur Führung des flüssigen Stickstoffs Leitungen
26, 27 auf - wobei die Leitung 26 innerhalb der Matrize 6 und Leitung 27 innerhalb
des Stempels 8 verläuft. Anstatt des Stickstoffs ist auch vorstellbar die Leitungen
zur Führung eines Öls zu verwenden, um damit Matrize 6 und Stempel 8 zu erwärmen.
Anstatt des Öls bzw. der Leitungen ist auch eine elektrische Heizung vorstellbar,
was nicht näher dargestellt worden ist.
[0033] Um die Temperierung bzw. Kühlung des Stempels 8 partiell auszuklammern, ist der Stempel
8 in zwei Formkörper 28 und 29 geteilt, die durch eine Wärmeisolierung 30 voneinander
thermisch voneinander getrennt sind. Damit können ein aktiv gekühlter Formkörper 28
und ein ungekühlter Formkörper 29 nebeneinander vorgesehen werden - diese grenzen
also aneinander, um damit beispielsweise hohe Umformgrade am Metallblech 2 zu ermöglichen.
[0034] Außerdem weist das Umformwerkzeug ein verschließbares Gehäuse - u. a. zur Verbesserung
der Energieeffizienz - auf, das Stempel 8 und Matrize 6 umfasst und nicht näher dargestellt
worden ist.
1. Umformwerkzeug zur Herstellung eines Halbzeugs oder Endprodukts aus einem Metallblech
(2) mit einem ersten Werkzeugteil (3), das einen Werkzeugoberteil (5), eine Matrize
(6) und mindestens ein erstes Loslager (7) aufweist, das die Matrize (6) am Werkzeugoberteil
(5) mit Lagerspiel (18) in Lagerebene (33) zum Ausgleich ihrer thermischen Kontraktion
oder Expansion befestigt, mit einem zweiten Werkzeugteil (4), das ein Werkzeugunterteil
(9), einen Stempel (8) und mindestens ein zweites Loslager (11) aufweist, das den
Stempel (8) am Werkzeugunterteil (9) mit Lagerspiel (32) in Lagerebene (34) zum Ausgleich
seiner thermischen Kontraktion oder Expansion befestigt, wobei Stempel (8) und Matrize
(6) zum Umformen des Metallblechs (2) zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Werkzeugteile (3, 4) je mindestens ein weiteres Lager (12, 13) aufweisen,
die Matrize (6) und Stempel (8) in Lagerebene (33, 34) spielfrei am Werkzeugoberteil
(5) oder Werkzeugunterteil (9) befestigen.
2. Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die normal zu ihrer Lagerebene (33, 34) verlaufenden Lagerachsen (33, 34) der Lager
(12, 13) bei geschlossenem Umformwerkzeug (1) auf einer gemeinsamen Geraden (14) liegen.
3. Umformwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Gerade (14) durch den Massenschwerpunkt (M) von Matrize (6) und Stempel
(8) bei geschlossenem Umformwerkzeug (1) verläuft.
4. Umformwerkzeug nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (12, 13) mittig von Matrize (6) oder Stempel (8) angeordnet ist.
5. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (12, 13) eine feste Einspannung ausbildet.
6. Umformwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (12, 13) einen Spannstift (15, 16) oder Zentrierbolzen aufweist.
7. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Loslager (7, 11) je eine Schraubverbindung (17) mit einem, insbesondere radialen,
Lagerspiel (18, 32) aufweisen.
8. Umformwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsschraube (20) der Schraubverbindung (17) mit Lagerspiel (18, 32)
eine Öffnung (21) im Werkzeugoberteil (5) oder Werkzeugunterteil (9) durchgreift.
9. Umformwerkzeug nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsschraube (20) als Dehnschraube ausgeführt ist.
10. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Matrize (6) und Werkzeugoberteil (5) und/oder Stempel (8) und Werkzeugunterteil
(9) je eine, insbesondere druckfeste, Wärmeisolierung (22, 23) vorgesehen ist.
11. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Matrize (6) und/oder Stempel (8) von einer Wärmisolierung (24, 25) seitlich umfasst
werden.
12. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (1) ein verschließbares Gehäuse aufweist, das Stempel (8) und
Matrize (6) umfasst.
13. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (1) eine Temperiereinrichtung (31) zur Kühlung und/oder Erwärmung
der Matrize (6) und/oder des Stempels (8) aufweist.
14. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Matrize (6) oder Stempel (8) voneinander wärmeisolierte Formkörper (28, 29) aufweisen.
15. Umformwerkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Temperiereinrichtung (31) temperierter Formkörper (28) an einen nicht
temperierten Formkörper (29) angrenzt.
16. Umformwerkzeug nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (31) mindestens eine innerhalb von Matrize (6) und/oder
Stempel (8) verlaufende Leitung (24, 27) zu deren Kühlung oder Erwärmung aufweist.