FORMVERFAHREN SOWIE INSBESONDERE MAGNETORHEOLOGISCHES SCHMIERMITTEL UND VORRICHTUNG HIERFÜR

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Formverfahren, bei dem ein Material eines Werkstückes mittels wenigstens eines Formwerkzeuges umgeformt wird, wobei zwischen dem Material und dem wenigstens einen Formwerkzeug ein Schmiermittel verwendet wird, wie dies in der JP 01293925 offenbart ist, auf die nachfolgend noch näher eingegangen wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

[0002] Ein solches Verfahren, und eine zum Durchführen desselben verwendbare Formvorrichtung sind aus dem Buch "Die Schmierung in der Metallbearbeitung", Theo Mang, ISBN 3-8023-0682 bekannt. Demnach ist es bekannt, bei Metallumformverfahren, wie beispielsweise einem Tiefziehen von Metallblechen, Schmiermittel einzusetzen. Dadurch wird der Reibkoeffizient zwischen dem wenigstens einen Formwerkzeug und dem Material verändert, um das Formverfahren sowie dessen Ergebnis zu beeinflussen.

[0003] In der JP 01293925 ist ein Formverfahren offenbart, bei dem die Oberfläche eines Formwerkzeuges, dass zum Umformen eines Werkstückes vorgesehen ist, mit einem magnetischen Fluid beschichtet ist, das durch Permanentmagnete an der Oberfläche festgehalten wird.

[0004] Die DE 103 17 880 B3 offenbart ein Formverfahren, bei dem ein Material eines Werkstückes mittels wenigstens eines Formwerkzeuges umgeformt wird. Als Unterlagen unter dem zu verformenden Material wird eine magnetorheologische Flüssigkeit verwendet, die eine formvariable Gegenform durch Anlagen eines variablen magnetischen Feldes bilden kann.

[0005] In der EP 0 317 186 A ist ein Kühlsystem für einen Motor offenbart, bei dem zwei Elemente gegeneinander rotieren. In dem Raum zwischen den beiden Elementen ist eine Flüssigkeit eingebracht, deren Viskosität sich durch ein magnetisches oder elektrisches Feld verändern kann.

[0006] Die US 6 106 380 beschreibt ein Verfahren zum Fertigstellen eines Werkstückes, bei dem eine magnetorheologische Flüssigkeit durch ein Magnetfeld derart beeinflusst wird, dass sie die Oberfläche des Werkstücks abschleift.

[0007] DE 102 48 329 A1 beschreibt ein Verfahren zum Umformen eines Bauteilrohlings mittels eines unter Druck stehenden Wirkmediums, wobei das Wirkmedium ein magnetorheologisches oder elektrorheologisches Medium ist.

[0008] In WO 03/013759 A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer formschlüssigen Kaltfügeverbindung offenbart, wobei zur Ausbildung einer Klemmkraft ein Niederhalter mittels einer Flüssigkeit ansteuerbar ist, deren Viskosität aktiv beeinflussbar ist, so dass die durch den Niederhalter ausgeübte Klemmkraft gezielt variiert werden kann.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Formverfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine größere Formenvielfalt mit verbesserten Qualitäten erreichbar ist.

[0010] Diese Aufgabe wird durch ein Formverfahren nach Anspruch 1 gelöst.

[0011] Eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Formverfahrens ist Gegenstand des Nebenanspruchs.

[0012] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0013] Bei dem erfindungsgemäßen Formverfahren wird demnach ein Material eines Werkstückes mittels wenigstens eines Formwerkzeuges umgeformt. Dabei wird zwischen dem Material und dem wenigstens einen Formwerkzeug ein Schmiermittel eingefügt, dessen Viskosität durch ein Verändern eines Feldes veränderbar ist.

[0014] Das Schmiermittel hat beispielsweise elektrorheologische und/oder magnetorheologische Eigenschaften, d.h. seine Viskosität wird z.B. durch das Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes verändert.

[0015] In bevorzugter Ausgestaltung ist das Formverfahren ein Metallumformverfahren, wobei das Material ein Metall ist. Insbesondere ist die Erfindung für Kattformverfahren geeignet, bei denen das Metall ohne Zufuhr von zusätzlicher Wärme umgeformt wird. Ein Metallblech (30) wird umgeformt. Das Formverfahren ist ein Incremental-Sheet-Forming-Verfahren oder Inkrementelles Umformverfahren.

[0016] Als Schmiermittel wird besonders bevorzugt eine magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) verwendet.

[0017] Magnetorheologische Flüssigkeiten sind beispielsweise aus "Magnetorheological fluids for adaptive engine mounts", Fraunhofer ISC Annual Report 2004, p. 24 für die Anwendung in anpassbaren Motorlagern zur Schwingungsdämpfung von Motorschwingungen an Fahrzeugen bekannt. Bei der Erfindung geht es aber um ein ganz anderes technisches Gebiet, nämlich um Formverfahren.

[0018] Das erfindungsgemäße Formverfahren ist in einer bevorzugten Ausgestaltung beispielsweise ein Blechumformverfahren. Zum Beispiel wird das Schmiermittel mit durch ein Feld beeinflussbarer Viskosität bei einem Umformverfahren verwendet. Besonders bevorzugt ist ein Verfahren mit lokal stark variierenden Reibzahlanforderungen, wie zum Beispiel eine Inkrementelle Blechumformung (IBU; auch Incremental Sheet Forming, (ISF)). Inkrementelle Blechumformungen, die erfindungsgemäß weitergebildet werden können, werden beispielsweise in der Veröffentlichung "3 D-Bearbeiten: Flexibles Umformen von Feinblech ohne Gegenform"; Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung - Robotersysteme; R+R 05.04/10.05, Oktober 2005 sowie in der Veröffentlichung "Hämmern ins Bodenlose" in "interaktiv- Fraunhofer IPA", Nr. 1.2004, S. 14 und 15 sowie in der DE 102 31 430 A1, der DE 103 17 880 B3 und der DE 10 2005 024 378 A1 beschrieben. Dabei wird ein Formwerkzeug entlang einer vorgegebenen Bahn über das zu bearbeitende Werkstück gefahren, um so schrittweise Bereiche des Werkstückes bis zur endgültigen Form desselben umzuformen.

[0019] Die Eigenschaften der veränderbaren Viskosität können zum Beispiel auch bereits zum besseren Entfernen des Schmiermittels nach dem Formprozess verwendet werden, wobei nach dem Umformprozess die Viskosität durch Anlegen oder Verändern eines Feldes verändert wird, um das Schmiermittel besser entfernen zu können.

[0020] Ganz besondere Vorteile bietet die Anwendung eines Schmiermittels mit einer durch ein Feld beeinflussbaren Viskosität aber insbesondere während des Umformprozesses. Bei der Metallformung und insbesondere bei inkrementellen Umformprozessen ist es vielfach wünschenswert, lokal den Reibkoeffizienten zu beeinflussen, um den Prozess zu optimieren. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann nun durch Veränderung der Viskosität des Schmiermittels der Reibkoeffizient zwischen Werkstück und Formwerkzeug gezielt und insbesondere auch lokal verändert werden. Demnach ist eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung gekennzeichnet durch Anlegen und/oder Verändern eines die Viskosität des Schmiermittels beeinflussenden elektrischen oder magnetischen Feldes auf das Schmiermittel zum Beeinflussen der Umformung. Das Feld (56) oder eines von mehreren Feldern kann extern außerhalb des wenigstens einen Formwerkzeuges (14, 44, 48, 50, 142) erzeugt werden.

[0021] Durch Anlegen eines Feldes, wie beispielsweise eines magnetischen Feldes bei Verwendung einer magnetorheologischen Flüssigkeit, kann nun die Viskosität der verwendeten Flüssigkeit mit durch das Feld beeinflussbarer Steifheit verändert werden. Das Feld kann ein einzelnes Feld, beispielsweise ein lokal unterschiedlich ausgeprägtes Feld, sein oder es können mehrere lokal definierte und/oder sich überlagernde Felder eingesetzt werden. Das Feld oder eines von mehreren Feldern können zum Beispiel extern außerhalb des wenigstens einen Formwerkzeuges erzeugt werden. Dadurch ist man nicht durch die Geometrie des Formwerkzeuges beschränkt. Beispielsweise können so auch supraleitende Magnete für besonders starke Magnetfelder eingesetzt werden.

[0022] Andererseits kann es bei extern erzeugten Feldern schwierig werden, die Feldstärke und Feldorientierung passend auf das Formwerkzeug zu übertragen. Beispielsweise werden sowohl elektrische als auch magnetische Felder durch metallene Formwerkzeuge oder andere Metallteile einer Umformvorrichtung beeinflusst. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das oder wenigstens eines von mehreren Feldern in oder an den Formwerkzeugen erzeugt wird. Es kann auch ein externes Feld mit einem an den Formwerkzeugen erzeugten Feld überlagert werden. Selbstverständlich sind weitere Verfahrensweisen und Kombinationen denkbar. Auch zeitlich und/oder örtlich variable Felder sind denkbar.

[0023] Das wenigstens eine Feld wird bei einer vorteilhaften Ausgestaltung durch das wenigstens eine Formwerkzeug und/oder das Material zu dem Schmiermittel geleitet. Dies ist besonders bei metallenen Formwerkzeugen oder bei umzuformenden Metallen vorteilhaft, da die elektrischen oder magnetischen Eigenschaften der Metallmaterialien für die Leitung verwendbar sind.

[0024] Zur gezielten Prozesssteuerung ist bevorzugt, dass an unterschiedlichen Orten und/oder zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Felder und/oder unterschiedliche Feldstärken und/oder Feldorientierungen angelegt werden.

[0025] Die räumliche Verteilung und/oder die Flussdichte des Feldes kann durch die Formgebung des wenigstens einen Formwerkzeuges gesteuert werden.

[0026] Das Schmiermittel zur Verwendung in einem Formverfahren zum Umformen eines Werkstückes mittels wenigstens eines Formwerkzeuges zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Flüssigkeit mit einer durch Anlegen eines Feldes veränderbaren Viskosität ist. Dadurch kann während, vor oder nach dem Formprozess die Viskosität gezielt und steuerbar, durch Anlegen oder Verändern eines Feldes, eingestellt werden, beispielsweise um lokal den Reibwert im Formprozess zu verändern und/oder einzustellen und/oder um ein Anbringen, eine Verteilung oder eine Entfernung des Schmiermittels auf bzw. von Material oder Formwerkzeug zu erleichtern.

[0027] Das Schmiermittel ist vorzugsweise eine elektrorheologische und/oder magnetorheologische Flüssigkeit, welche in einer Trägerflüssigkeit dispergierte polarisierbare Partikel enthält. Über die Auswahl der Trägerflüssigkeit und der Partikel können die Eigenschaften des Schmiermittels eingestellt werden. Beispielsweise lässt sich durch Auswahl von Trägerflüssigkeiten mehr oder weniger hoher Viskosität und durch Auswahl der Partikelgröße oder Partikelform der einstellbare Viskositätsbereich auswählen. Die Trägerflüssigkeit ist beispielsweise ein zur Verwendung in einem Metallumformprozess geeignetes Umformöl. Darin werden dann durch das entsprechende Feld polarisierbare Partikel dispergiert. Insbesondere werden hierzu Öle oder sonstige Schmierflüssigkeiten mit im Vergleich zu bisher in herkömmlichen Metallformverfahren verwendeten Umformölen geringerer Viskosität als Basis verwendet.

[0028] Die erfindungsgemäße, zum Durchführen eines inkrementellen Blechumformverfahrens geeignete, Vorrichtung zum Umformen eines Materials eines Werkstückes mit wenigstens einem Formwerkzeug unter Verwendung eines Schmiermittels zeichnet sich durch eine Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines die Viskosität eines elektrorheologischen und/oder magnetorheologischen Schmiermittels beeinflussenden Feldes aus. Bei der bevorzugten Verwendung einer magnetorheologischen Flüssigkeit - im folgenden kurz MRF genannt - zum Umformen von Metallen hat die Vorrichtung vorzugsweise eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, mit dem die Viskosität der MRF eingestellt werden kann.

[0029] Die Vorrichtung ist als Metallblechumformvorrichtung zum Kaltformen von Metallblechen ausgebildet, wobei Formwerkzeuge ähnlich zu bekannten entsprechenden Metallblechumformvorrichtungen ausgebildet sind. Die Formvorrichtung ist zum Tiefziehen eines Metallbleches ausgebildet.

[0030] Beispielsweise handelt es sich dabei um eine Tiefziehvorrichtung oder IBU-Vorrichtung, die zum Umformen eines Metallbleches ausgebildet ist. Aber auch alle anderen Kaltumformprozesse und zumindest einige Warmumformprozesse können von der Anwendung der Erfindung profitieren. So ist die Erfindung gemäß anderen Ausgestaltungen zum Beispiel auch auf Strangpressverfahren und Strangpressvorrichtungen, Drahtziehverfahren und Drahtziehvorrichtungen, Walz- oder Drückverfahren und -vorrichtungen und/oder auf Schmiedeverfahren und Vorrichtungen, wie zum Beispiel zum Taumelschmieden anwendbar.

[0031] Anders als bekannte entsprechende Metallbearbeitungsvorrichtungen weist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das wenigstens eine Formwerkzeug wenigstens einen Permanentmagnet oder Elektromagnet auf.

[0032] Durch Inkorporieren von elektronischen Magneten in Formwerkzeuge kann ein Feld entworfen, ausgebildet und/oder erzeugt werden, das zu einem optimalen Kontaktzustand zwischen Werkzeug und Werkstück an irgendeinem vorgegebenen Punkt in der Kontaktzone führt.

[0033] Eine Flüssigkeit mit durch ein Feld veränderbarer Viskosität wird in dem Umformverfahren oder der Formvorrichtung, bei welchem bzw. in welcher ein Material eines Werkstücks durch wenigstens ein Formwerkzeug umgeformt wird, verwendet.

[0034] Vorteile der Erfindung und/oder von deren vorteilhaften Ausgestaltungen sind insbesondere:

• bisher bestehende Grenzen und Limits für das Umformen können signifikant überschritten werden; dies gilt insbesondere für Prozesskräfte (Anpressdruck), Grenzformänderung und Oberflächenqualität;
• bisher nicht formbare Bauteile können nun geformt werden;
• gegebenenfalls erleichtertes Entfernen von Schmiermittel;
• verbesserte Prozesssteuerung oder Prozesskontrolle sowie
• eine bessere Qualitätssicherung.

[0035] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1

ein zu Erläuterungszwecken wiedergegebenes schematisches Diagramm zur Darstellung des Einflusses eines Schmiermittels und insbesondere dessen Viskosität auf Metallblechumformverfahren;

Fig. 2

eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Formvorrichtung zur Metallbearbeitung am Beispiel einer Tiefziehvorrichtung zum Tiefziehen eines Bleches;

Fig. 3

eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Formvorrichtung zur Metallbearbeitung am Beispiel einer Vorrichtung zum inkrementellen Blechumformen;

Fig. 4

ein Detail der Vorrichtung von Fig. 3; und

Fig. 5

eine vergrößerte Darstellung eines mit der Vorrichtung von Fig. 3 gerade zu bearbeitenden Bereichs eines Werkstückes.

[0036] In Fig. 1 sind mögliche Reibzustände bei einem Metallumformverfahren, bei dem ein Metallmaterial 10 eines Werkstückes 12 mittels eines Formwerkzeuges 14 umgeformt wird, in einem sogenannten Stribeck-Diagramm dargestellt. Das Diagramm ist in der linken Hälfte der Figur wiedergegeben. In der rechten Hälfte der Fig. 1 ist eine Kontaktzone 16 zwischen Formwerkzeug 14 und Werkstück 12 in verschiedenen Bereichen des Diagramms dargestellt.

[0037] In dem Stribeck-Diagramm sind verschiedene Filmdicken d eines Schmiermittels 18 sowie die Reibzahl µ in Abhängigkeit von dem Faktor η v/p wiedergegeben, wobei η die Viskosität des Schmiermittels 18, v die Relativgeschwindigkeit der Reibpartner 12, 14 und p der Normaldruck in der Kontaktzone 16 ist.

[0038] Ein erster Bereich A kennzeichnet ein Formverfahren ohne Schmiermittel 18. Es liegt reine Festkörperreibung vor. Die Reibzahl µ ist maximal, µ=µ_max· In einem zweiten Bereich B sind Grenzschichten 20 der beiden Reibpartner 12, 14 mit Schmiermittel 18 benetzt. Das Schmiermittel 18 setzt sich bei geringer Zugabe zunächst an den Reiboberflächen an und haftet dort an. Es findet eine Grenzreibung statt, wobei Reiboberflächen unter Adhäsion von Schmiermittel aneinander reiben. Die Reibzahl µ ist etwas geringer, µ₁ ≤ µ < µ_max, wobei µ₁ einen Reibwert an der Grenze zwischen Grenzreibung und Mischreibung darstellt. In einem dritten Bereich C befindet sich Schmiermittel 18 in Räumen 21 zwischen den Reibpartnern 12, 14, wobei es aber noch mehr oder weniger Kontaktbereiche 22 gibt, an denen sich die Grenzschichten 20 noch berühren. Die Reibzahl µ ist wiederum geringer, µ₂ ≤ µ < µl, wobei µ₂ den Reibwert an der Grenze von der Mischreibung zur rein hydrodynamischen Reibung darstellt. In einem vierten Bereich D ist die Filmdicke d so groß, dass es keine Kontaktbereiche 22 mehr gibt. Überall zwischen den Grenzschichten 20 befindet sich Schmiermittel 18. Es liegt reine hydrodynamische Reibung vor.

[0039] Die Reibzahl µ lässt sich im Bereich C der Mischreibung und insbesondere im Bereich D der rein hydrodynamischen Reibung durch eine Viskositätskontrolle optimieren. Über die Viskosität lässt sich auch die Schubspannung τ in der Kontaktzone 16 einstellen, dabei gilt τ = ηdv/dt, wobei dv/dt die Ableitung von v nach der Zeit ist.

[0040] Bei der Metallumformung und insbesondere bei inkrementellen UmformProzessen ist es für eine Optimierung des Prozesses erwünscht, die Reibzahl lokal zu beeinflussen, um gezielt das Formgebungsverfahren an einer Stelle zu beeinflussen. Dies kann, wie voranstehend verdeutlicht, durch eine Beeinflussung der Viskosität eines bei der Metallformung eingesetzten Schmiermittels 18 geschehen. Hierzu wird bei den im folgenden näher erläuterten Formverfahren eine Flüssigkeit verwendet, deren Viskosität sich bei Anlegen oder Verändern eines Feldes verändert. In den Ausführungsbeispielen handelt es sich dabei um eine magnetorheologische Flüssigkeit, im folgenden kurz MRF genannt.

[0041] Eine MRF ist ein intelligentes flüssiges Material, dessen rheologische Eigenschaften merkbar, meist drastisch, und in den meisten Fällen reversibel durch ein Magnetfeld gesteuert werden können. Eine MRF wird zum Beispiel in einem Magnetfeld gelartig und kehrt nach Ausschalten des Magnetfeldes in den flüssigen Zustand zurück. MRF sind analog zu elektrorheologischen Flüssigkeiten - ERF -, die in einer alternativen Ausgestaltung, wo es aufgrund der Materialien möglich ist, wirksam ein elektrisches Feld anzulegen, verwendbar sind. Eine MRF wird durch eine Dispersion von magnetisch polarisierbaren Partikeln in einer Trägerflüssigkeit gebildet.

[0042] Im folgenden wird anhand der Darstellung in Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Verbesserung einer Blechumformung durch den Einsatz von magnetorheologischen Flüssigkeiten am Beispiel eines Tiefziehverfahrens näher erläutert.

[0043] In den Fig. 2 bis 5 ist verdeutlicht, wie ein Metallblech 30 mit Hilfe von einem oder mehreren Formwerkzeugen 14 durch einen Umformprozess - in Fig. 2 z.B. ein Ziehprozess - in die gewünschte dreidimensionale Form gebracht wird.

[0044] In der Fig. 2 ist hierzu eine Formvorrichtung 40 zur Durchführung eines Tiefziehverfahrens dargestellt. Die Formvorrichtung 40 weist in dem Beispiel einen Stempel 42 auf, dessen Kantenbereiche 44 als Formwerkzeuge 14 dienen. Hierzu ist der Stempel 42 zwischen zwei Einspannungen 46 relativ zu diesen beweglich. Die Einspannungen 46 weisen feststehende Backen 48 und bewegliche Backen 50 auf, die zum Einspannen des Metallbleches 30 mit definierter Kraft F auf die feststehenden Backen 48 zu pressbar sind. Die Backen 48, 50 dienen als weitere Formwerkzeuge 14. Hierzu sind Kanten 52 der feststehenden Backen 48 entsprechend der gewünschten Formgebung geformt.

[0045] Zwischen den Formwerkzeugen 14, 44, 48, 50 und dem Metallblech 30 befindet sich ein Umformöl 54, welches eine bestimmte Viskosität η aufweisen soll.

[0046] Durch den Einsatz einer magnetorheologischen Flüssigkeit - MRF - 60 wird die Viskosität η des Umformöls 54 über ein Magnetfeld 56 auf den Bedarfsfall eingestellt, um den Umformprozess zu verbessern.

[0047] In dem hier vorgestellten Formverfahren wird das Magnetfeld 56 extern über eine nicht näher dargestellte Magnetfelderzeugungseinrichtung, die zum Beispiel supraleitende Magnete aufweist, und/oder in den Formwerkzeugen 14, 44, 48, 50 erzeugt und durch die Bearbeitungsflächen der Formwerkzeuge 14, 44, 48, 50 und durch das Metallblech 30 geleitet.

[0048] Hierzu weisen die Formwerkzeuge 14, 44, 48, 50 elektronische Magnete 58, beispielsweise elektronisch steuerbare Elektromagnete, auf. Das Magnetfeld 56 kann die Steifheit der MRF 60 verändern. Durch die Form des entsprechenden Formwerkzeuges 14, 44, 48, 50 kann die räumliche Verteilung und die magnetische Flussdichte des Magnetfeldes 56 vorgegeben werden.

[0049] Das Magnetfeld 56 wird durch eine nicht näher dargestellte Steuerung so eingestellt, dass an Spannflächen 62 der Backen 48, 50 eine über die Zeit variable Viskosität und somit eine über die Zeit variable Reibzahl µ₆₂ eingestellt wird, um je nach Formfortschritt den Rand des Metallbleches 30 festzuhalten oder einen Nachfluss von Material zu ermöglichen. An einer Kontaktfläche 64 wird durch die Steuerung das Magnetfeld und damit die Viskosität der MRF 60 so eingestellt, dass an der Kontaktfläche 64 eine relativ niedrige Reibzahl µ₆₄ herrscht. An den Kantenbereichen 44 des Stempels 42 wird das Magnetfeld 56 so eingestellt, dass sich eine Viskosität der MRF 60 einstellt, die für eine hohe Reibzahl µ₄₄ sorgt.

[0050] Die MRF 60 wird durch ihre Zusammensetzung auf einen gewünschten einstellbaren Viskositätsbereich abgestimmt. Hierfür werden die Größenverteilung der magnetisierbaren Partikel in der MRF 60 sowie die Trägerflüssigkeit optimiert. Als Trägerflüssigkeit wird das Umformöl 54 verwendet, wobei für diese Aufgabe insbesondere ein besonders niederviskoses Umformöl 54 ausgewählt wird.

[0051] Wenngleich das Umformverfahren anhand eines Beispiels eines Blechziehverfahrens dargestellt worden ist, so ist die Anwendung einer Flüssigkeit mit einer durch ein Feld steuerbaren Viskosität nicht auf solche Blechziehverfahren beschränkt, sondern auch auf andere Metallbearbeitungsverfahren anwendbar. Es kann auch auf entsprechende Umformverfahren zum Umformen anderer Werkstoffe mittels Formwerkzeugen übertragen werden, die durch verschiedene Viskositäten von eingesetzten Schmier- oder Trennmitteln beeinflussbar sind.

[0052] Besondere Vorteile bietet die Anwendung einer Flüssigkeit mit einer durch ein Feld steuerbaren Viskosität bei einem inkrementellen Umformverfahren, insbesondere bei einem inkrementellen Blechumformverfahren (IBU), wie es beispielsweise in der Veröffentlichung "3 D-Bearbeiten: Flexibles Umformen von Feinblech ohne Gegenform"; Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung - Robotersysteme; R+R 05.04/10.05, Oktober 2005 sowie in der Veröffentlichung "Hämmern ins Bodenlose" in "Interaktiv - Fraunhofer IPA", Nr. 1.2004, S. 14 und 15 oder in der DE 102 31 430 A1, der DE 103 17 880 B3 oder der DE 10 2005 024 378 A1 beschrieben oder beansprucht wird.

[0053] Fig. 3 zeigt eine Formvorrichtung 140, die zum Durchführen eines solchen inkrementellen Blechumformverfahren geeignet ist und vom Grundaufbau wie in einer der zuvor erwähnten Druckschriften beschrieben aufgebaut ist. Für den näheren Aufbau sowie die Funktion solcher Formvorrichtungen 140 wird daher ausdrücklich auf die zuvor erwähnten Druckschriften verwiesen. Anders als bei den bekannten Formvorrichtungen weist jedoch ein Formwerkzeug 142 der Formvorrichtung 140 den elektronischen Magneten 58 ähnlich wie bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel auf.

[0054] Wie näher in Fig. 4 dargestellt ist, ist zwischen dem Metallblech 30 und dem Formwerkzeug 142 wie bei dem in Fig. 2 erläuterten Beispiel die magnetorheologische Flüssigkeit 60 eingesetzt, deren Viskosität η durch das mittels des Magneten 58 erzeugte Magnetfeld 56 veränderbar ist.

[0055] Dadurch lassen sich zum Beispiel an verschiedenen Bereichen der Kontaktfläche 64 zwischen Formwerkzeug 142 und Metallblech 30 unterschiedliche Anpressdrücke p₁, p₂, p₃ erzeugen, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Auf diese Weise erhält man weitere Einflussmöglichkeiten auf die Gestaltung des Metallblechs während den einzelnen Formschritten des sich entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn zum schrittweisen Umformen bewegenden Formwerkzeugs 142.

[0056] Wenngleich in den zuvor erwähnten Ausführungsbeispielen der Einsatz einer magnetorheologischen Flüssigkeit beschrieben worden ist, so ist die Erfindung nicht auf den Einsatz magnetorheologischer Flüssigkeiten begrenzt. Es könnte beispielsweise auch eine elektrorheologische Flüssigkeit verwendet werden, deren Viskosität durch das Anlegen eines elektrischen Feldes veränderbar ist. Beispielsweise könnte hierzu ein Formwerkzeug 14, 44, 48, 50, 142 der beschriebenen Ausführungsbeispiele als Elektrode zum Anlegen des elektrischen Feldes ausgebildet sein.

Bezugzeichenliste:

[0057] 

10

Metallmaterial

12

Werkstück

14

Formwerkzeug

16

Kontaktzone

18

Schmiermittel

20

Grenzschichten

21

Räume zwischen Reibpartnern

22

Kontaktbereich

30

Metallblech (Werkstück)

40

Formvorrichtung

42

Stempel

44

Kantenbereiche (Formwerkzeug)

46

Einspannung

48

feststehende Backe (Formwerkzeug)

50

bewegliche Backe (Formwerkzeug)

52

Kante

54

Umformöl

56

Magnetfeld

58

elektronische Magnete

60

magnetorheologische Flüssigkeit

62

Spannfläche

64

Kontaktfläche

140

Formvorrichtung

142

Formwerkzeug

µ

Reibzahl

µ₆₂

variable Reibzahl an den Spannflächen 62

µ₆₄

niedrige Reibzahl an der Kontaktfläche 64

µ₄₄

hohe Reibzahl an den Kantenbereichen 44

η

Viskosität des Schmiermittels

v

Relativgeschwindigkeit der Reibpartner

p

Normaldruck in der Kontaktzone

d

Filmdicke des Schmiermittels

A

erster Bereich - Festkörperreibung

B

zweiter Bereich - Grenzreibung

C

dritter Bereich - Mischreibung

D

vierter Bereich - hydrodynamische Reibung

Ansprüche

1. Formverfahren, bei dem ein Material (10) eines Werkstückes (12, 30) mittels wenigstens eines Formwerkzeuges (14, 44, 48, 50, 142) umgeformt wird, mit

- Verwenden eines Schmiermittels (18) dessen Viskosität durch Verändern eines Feldes (56) veränderbar ist, zwischen dem Material und dem wenigstens einen Formwerkzeug;

- Bewegen des Formwerkzeugs (14, 44, 48, 50, 142) zum schrittweisen Umformen des Materials (10); gekennzeichnet durch

- Verändern eines Feldes (56) während der Formschritte des Formwerkzeugs (14, 44, 48, 50, 142).

2. Formverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Material (10) ein Metall ist, das, vorzugsweise ohne Zufuhr von zusätzlicher Wärme, umgeformt wird.

3. Formverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass es ein Tiefzieh-, Strangpress-, Drahtzieh-, Walz-, Drück-, Schmiede- oder Taumelschmiedeverfahren ist.

4. Formverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verändern wenigstens eines die Viskosität des Schmiermittels (18) beeinflussenden Feldes (56) auf wenigstens einen Teil des Schmiermittels (18) zum Beeinflussen des Umformens oder zum leichteren Entfernen des Schmiermittels nach dem Umformen, wobei durch das Verändern des Feldes (56) der Reibkoeffizient des Materials (10) an dem wenigstens einen Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) lokal und/oder insgesamt beeinflusst wird.

5. Formverfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das wenigstens eine Feld (56) durch das wenigstens eine Formwerkzeug (14, 44, 48, 50, 142) und/oder das Material (10) zu dem Schmiermittel (18) geleitet wird.

6. Formverfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass an unterschiedlichen Orten und/oder zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Felder und/oder unterschiedliche Feldstärken angelegt werden, wobei
die räumliche Verteilung und/oder die Flussdichte des Feldes (56) durch die Formgebung des wenigstens einen Formwerkzeuges (14, 44, 48, 50, 142) vorgegeben wird.

7. Formverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine elektrorheologische Flüssigkeit oder/und eine magnetorheologische Flüssigkeit verwendet wird.

8. Formverfahren nach Anspruch 7 und nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein elektrisches oder/und ein magnetisches Feld (56) angelegt wird.

9. Zum Durchführen eines inkrementellen Blechumformverfahrens geeignete Formvorrichtung (142) zum Umformen eines Materials (10) eines Werkstückes (12, 30) mit wenigstens einem Formwerkzeug (14) zum schrittweisen Umformen des Materials (10), wobei das Formwerkzeug (14) dazu ausgebildet ist, sich während den einzelnen Formschritten entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn zum schrittweisen Umformen zu bewegen, wobei die Formvorrichtung (142) als Metallblechumformvorrichtung zum Kaltformen von Metallblechen ausgebildet ist,
gekennzeichnet durch eine Felderzeugungseinrichtung (58) zum Erzeugen eines die Viskosität eines elektrorheologischen und/oder magnetorheologischen Schmiermittels (18, 60) beeinflussenden veränderbaren Feldes (56), wobei die Felderzeugungseinrichtung (58) dazu ausgebildet ist, das Feld während der Formschritte des Formwerkzeugs (14) zu verändern.

10. Formvorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das wenigstens eine Formwerkzeug (14) mit wenigstens einem Permanentmagneten oder Elektromagneten (58) ausgerüstet ist und/oder dass das wenigstens eine Formwerkzeug (14) wenigstens eine Elektrodeneinrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes aufweist.

Claims

1. Forming method in which a material (10) of a workpiece (12, 30) is formed using at least one forming tool (14, 44, 48, 50, 142), with

- the use of a lubricant (18), the viscosity of which can be modified by the variation of a field (56), between the material and the at least one forming tool;

- the movement of the forming tool (14, 44, 48, 50, 142) for step-by-step forming of the material (10), characterised by

- the variation of a field (56) during the steps of the forming process by the forming tool (14, 44, 48, 50, 142).

2. Forming method according to claim 1
characterised in that
the material (10) is a metal that is preferably formed without the supply of additional heat.

3. Forming method according to claim 2
characterised in that
it is a deep-drawing, extrusion, wire-drawing, rolling, pressing, forging, or tumble-forging process.

4. Forming method according to any one of preceding claims characterised by the variation of at least one of the fields (56) that influences the viscosity of the lubricant of at least one part of the lubricant in order to influence the forming or to make the removal of the lubricant after the forming process easier, wherein by varying the field (56) the coefficient of friction of the material (10) is influenced generally and / or locally on the at least one forming tool (14, 44, 48, 50, 142).

5. Forming method according to claim 4
characterised in that
the at least one field (56) is conducted to the lubricant (18) through the at least one forming tool (14, 44, 48, 50, 142) and / or the material (10).

6. Forming method according to one of the claims 4 or 5
characterised in that
at different locations and / or at different times different fields and / or different field strengths can be applied
wherein
the spatial distribution and / or the flux density of the field (56) is predetermined by the shape of the at least one forming tool (14, 44, 48, 50, 142).

7. Forming method according to any one of the preceding claims
characterised in that
an electrorheological flux and /or a magnetorheological flux is used.

8. Forming method according to claim 7 and according to one of the claims 4 to 6
characterised in that
an electrical and/or magnetic field (56) is applied.

9. Forming apparatus (142), suitable for performing an incremental sheet-metal-forming method, for forming a material (10) of a workpiece (12, 30) with at least one forming tool (14) for the step-by-step forming of the material (10), wherein the forming tool (14) is constructed to move along a pre-specified path of movement during the individual steps of the forming process to achieve gradual forming, wherein the forming apparatus (142) is configured as a sheet metal forming device for cold forming of sheet metal,
characterised by a field generating means (58) to create a variable field which influences the viscosity of an electrorheological and/or magnetorheological lubricant (18, 60), wherein the field generating means (58) is configured to vary the field during the steps of the formation process performed by the forming tool (14) .

10. Forming apparatus according to claim 9
characterised in that
the at least one forming tool (14) is provided with at least one permanent magnet or electro-magnet (58) and / or that the at least one forming tool (14) has at least one electrode device for generating an electric field.

Revendications

1. Procédé de formage selon lequel un matériau (10) d'une pièce à usiner (12, 30) est mis en forme au moyen d'au moins un outil de formage (14, 44, 48, 50, 142), comprenant les étapes suivantes :

- utilisation d'un agent lubrifiant (18) dont la viscosité peut être modifiée en modifiant un champ (56) entre le matériau et le ou les outil(s) de formage,

- déplacement de l'outil de formage (14, 44, 48, 50, 142) pour mettre progressivement en forme le matériau (10),

caractérisé par
une étape consistant à modifier un champ (56) pendant l'étape de formage de l'outil de formage (14, 44, 48, 50, 142).

2. Procédé de formage conforme à la revendication 1,
caractérisé en ce que
le matériau (10) est un métal qui est de préférence mis en forme sans apport de chaleur supplémentaire.

3. Procédé de formage conforme à la revendication 2,
caractérisé en ce qu'
il est constitué par un procédé d'emboutissage profond, par un procédé d'extrusion, par un procédé de tréfilage, par un procédé de laminage, par un procédé de déformation sous pression, par un procédé de forgeage ou par un procédé de forgeage par fluage radial.

4. Procédé de formage conforme à l'une des revendications précédentes,
caractérisé par
une étape consistant à modifier au moins un champ (56) influençant la viscosité de l'agent lubrifiant (18) sur au moins une partie de l'agent lubrifiant (18) pour influencer la mise en forme ou pour éliminer plus facilement l'agent lubrifiant après la mise en forme, la modification du champ (56) influençant localement ou en totalité le coefficient de friction du matériau (10) sur le ou les outil(s) de formage (14, 44, 48, 50, 142).

5. Procédé de formage conforme à la revendication 4,
caractérisé en ce que
le ou les champ(s) (56) est/sont dirigé(s), au travers du ou des outil(s) de formage (14, 44, 48, 50, 142) et/ou le matériau (10), vers l'agent lubrifiant (18).

6. Procédé de formage conforme à l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que
des champs différents et/ou des intensités de chant différentes sont appliqués en des points différents et/ou à des instants différents,
la répartition spatiale et/ou la densité de flux du champ (56) étant prédéfinie par la confirmation du ou des outil(s) de formage (14, 44, 48, 50, 142).

7. Procédé de formage conforme à l'une des revendications précédente,
caractérisé en ce qu'
on utilise un liquide électro-rhéologique et/ou un liquide magnéto-rhéologique.

8. Procédé de formage conforme à la revendication 7 et à l'une des revendications 4 à 6,
caractérisé en ce qu'
on établit un champ électrique et/ou un champ magnétique (56).

9. Procédé de formage (142) adapté à la mise en oeuvre d'un procédé de mise en forme progressive de tôles pour la mise en forme d'un matériau (10) d'une pièce à usiner (12, 30) avec au moins un outil de formage (14) pour permettre la mise en forme pas à pas du matériau (10), l'outil de formage (14) étant réalisé pour se déplacer pendant les différentes étapes de formage, le long d'une trajectoire de déplacement prédéfinie pour effectuer la mise en forme pas à pas, le dispositif de formage (142) étant réalisé sous la forme d'un dispositif de mise en forme de tôles métalliques pour le formage à froid de tôles métalliques,
caractérisé par
un dispositif de production d'un champ (58) pour créer un champ variable (56) influençant la viscosité d'un agent lubrifiant (18, 60) électro rhéologique et/ou magnéto-rhéologique, le dispositif de production d'un champ (58) étant conçu pour faire varier le champ au cours des étapes de formage de l'outil de formage (14).

10. Dispositif de formage conforme à la revendication 9,
caractérisé en ce que
le ou les outil(s) de formage (14) est/sont équipé(s) d'un moins un aimant permanent ou électroaimant (58) et/ou le ou les outil(s) de formage (14) comporte(nt) au moins un dispositif à électrodes pour produire un champ électrique.

Zeichnung