DE4309317A1 - Method and apparatus for the free forming of semi-finished products - Google Patents
Method and apparatus for the free forming of semi-finished productsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Freiformumformen von Halbzeugen, insbesondere von Blechen.The invention relates to a method and a device for freeform forming of semi-finished products, especially of Sheets.
Herkömmliche Blech-Umformverfahren, wie z. B. Tiefziehen oder Streckziehen, die vielfach im Anlagen- und Maschinenbau, insbesondere im Fahrzeugbau oder der Luft- und Raumfahrttechnik angewandt werden, erfordern im allgemeinen aufwendige und komplizierte Umformwerkzeuge, so daß die Flexibilität hinsichtlich der Einzelfertigung von Umformteilen bei der Herstellung von Prototypen oder Kleinserien gering ist.Conventional sheet metal forming processes, such as. B. deep drawing or Stretching, which is common in plant and mechanical engineering, especially in vehicle construction or air and Space technology to be applied generally require elaborate and complicated forming tools, so that the Flexibility with regard to the individual production of Formed parts in the production of prototypes or Small series is low.
Es besteht daher ein zunehmender Bedarf an flexiblen, nicht werkzeuggebundenen Blechumformverfahren, mit denen die gewünschte Bauteilgeometrie im Einzelfall oder für Kleinserien kostengünstig und schnell realisiert werden kann und wobei der Werkzeugaufwand gering bleibt.There is therefore an increasing need for flexible, not tool-bound sheet metal forming processes with which the desired component geometry in individual cases or for Small series can be realized inexpensively and quickly and the tool effort remains low.
Um auch ohne bzw. bei geringem Einsatz formgebundener Werkzeuge hinreichende Umformgrade realisieren zu können, ist es wünschenswert, die Streckgrenze des Materiales möglichst herabzusetzen und somit die Elastizität der Stahlbleche zu verringern. Für das freie Biegen oder als Vorbereitung für einen nachfolgenden Kaltumformvorgang ist es bekannt, hierfür eine lokale Erwärmung des Halbzeuges mittels Laserstrahl auszuführen (DE-OS 42 28 528, DE-OS 37 28 041). Derartige Biegevorgänge werden allerdings im Falle der DE-OS 37 28 041 wiederum nur mit erheblichem werkzeugtechnischen Aufwand zur Kaltumformung vorgenommen, bzw. erfordern Robotervorrichtungen und lassen nur eine sehr eingeschränkte Formteilgeometrie zu (DE-OS 42 28 528).In order also without or with little use of form-bound Tools to be able to achieve sufficient degrees of deformation, it is desirable to set the yield strength of the material minimize as possible and thus the elasticity of the Reduce steel sheets. For free bending or as Preparation for a subsequent cold forming process is it is known for this a local heating of the semi-finished product using a laser beam (DE-OS 42 28 528, DE-OS 37 28 041). Such bending processes are, however, in the case DE-OS 37 28 041 in turn only with considerable tool-related effort for cold forming made, or require robotic devices and leave only one very restricted molding geometry to (DE-OS 42 28 528).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, im wesentlichen unter Verzicht auf formgebundene Werkzeuge ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Freiformumformen von Halbzeugen, insbesondere von Blech, anzugeben, die eine flexible Formgebung der Halbzeuge mit verhältnismäßig großen Umformgraden unter verhältnismäßig großflächiger Einwirkung auf das Halbzeug gestatten.The invention is therefore based on the object essentially without the use of shape-related tools Method and device for freeform forming of To indicate semi-finished products, in particular of sheet metal, the one flexible design of the semi-finished products with relatively large Degrees of deformation under relatively large-scale influence allow on the semi-finished product.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Halbzeug von einer Vorderseite her einem Verformungsdruck ausgesetzt und gleichzeitig an seiner Rückseite einer Laserstrahl-Erwärmung unterzogen wird.This task is mentioned with regard to the beginning Method according to the invention solved in that the semifinished product subjected to deformation pressure from a front side and at the same time one on the back Undergoes laser beam heating.
Auf diese Weise ist es auch ohne formgebundene und komplizierte Werkzeuge möglich, die gewünschte Bauteilform unter großflächiger Umformung des Halbzeuges, insbesondere eines Blechteiles, zu erreichen.In this way it is also without form and complicated tools possible, the desired component shape with extensive shaping of the semi-finished product, in particular of a sheet metal part.
Für die Erfindung wesentlich ist dabei die opponierende Anordnung von Verformungsdruckquelle und Laserstrahlquelle in bezug auf das Halbzeug, da auf diese Weise eine große Variabilität hinsichtlich der auf das Halbzeug einwirkenden Verformungsdruckquellen bei einem solchen Freiformvorgang möglich ist, zugleich aber eine präzise, lokale Erwärmung des Halbzeuges von seiner Rückseite her in den Bereichen hohen Umformgrades erfolgen kann, so daß der Umformwiderstand verringert wird und höhere Umformgrade erzielt werden können. Dabei kann im praktischen Einsatz das Halbzeug mit seiner Vorderseite nach unten weisend und mit seiner Rückseite nach oben weisend dem Freiformvorgang unterzogen werden, oder es ist eine umgekehrte Anordnung in bezug auf die Lage von Vorder- und Rückseite des Halbzeuges bei entsprechender Vertauschung der Position von Verformungsdruckquelle und Laserstrahlquelle möglich.The opposing one is essential for the invention Arrangement of deformation pressure source and laser beam source in relation to the semi-finished product, because in this way a large one Variability with regard to the effects on the semi-finished product Deformation pressure sources in such a free-form process is possible, but at the same time precise, local warming of the semi-finished product from its back in the areas high degree of deformation can take place so that the Resistance to deformation is reduced and higher degrees of deformation can be achieved. In practical use, this can Semi-finished product with its front facing downwards and with its back facing upward the free-form process undergo, or it is a reverse arrangement in with respect to the position of the front and back of the semi-finished product if the position of Deformation pressure source and laser beam source possible.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für die Blechumformung wird das Blech einem laserunterstützten Freiformziehen unterzogen, wobei der Verformungsdruck auf das Blech durch ein Fluid, insbesondere ein Druckgas, aufgebracht wird.According to a preferred embodiment of the invention for the Sheet metal forming is a laser assisted sheet Freeform drawing subjected to the deformation pressure the sheet metal through a fluid, in particular a compressed gas, is applied.
Dieses Verfahren kann bevorzugt so ausgeführt werden, daß das Blech randseitig auf einer mit Druckgas gefüllten Wanne aufgespannt und die der Wanne zugewandte, nach unten weisende Vorderseite des Bleches in Kontakt mit dem Druckgas gebracht wird, und daß anschließend, z. B. unter weiterer Gaszufuhr, der Druck in dem durch die Wanne und das als obere Abdeckung derselben wirksame Blech geschlossenen und vollständig mit Druckmedium gefüllten Innenraum der Wanne erhöht wird. Gleichzeitig mit der Druckerhöhung wird die Rückseite des Bleches lokal und unter entsprechender Ablenkung des Laserstrahles einer Laserstrahlerwärmung unterzogen, so daß eine Freiform-Gasdruckumformung unter Ausbauchung des Bleches nach oben erfolgt, wobei die Laserstrahlerwärmung zu einer deutlichen Erhöhung der erreichbaren Umformgrade in Abhängigkeit von den übrigen Materialeigenschaften des Bleches führt.This method can preferably be carried out in such a way that the sheet on the edge of a tub filled with compressed gas stretched and the one facing the tub down facing front of the sheet in contact with the compressed gas is brought, and that subsequently, for. B. under further Gas supply, the pressure in the through the tub and that as top cover of the same effective sheet metal closed and interior of the tub completely filled with pressure medium is increased. Simultaneously with the increase in pressure, the Back of the sheet locally and under appropriate Deflection of the laser beam of a laser heater subjected so that a free-form gas pressure forming under The sheet bulges upwards, the Laser beam heating to a significant increase in achievable degrees of deformation depending on the others Material properties of the sheet leads.
Nach einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für die Freiform-Blechumformung wird das Blech einem laserunterstützten Streckziehen unterzogen, wobei der Verformungsdruck durch ein Druckwerkzeug, insbesondere einen Preßstempel aufgebracht wird.According to a further preferred embodiment of the present invention for freeform sheet metal forming subjected the sheet to a laser-assisted stretch drawing, the deformation pressure by a pressure tool, in particular a press ram is applied.
Vorzugsweise wird das Blech auch hierbei randseitig eingespannt und gegen seine, z. B. nach unten weisende Vorderseite durch eine Hubbewegung eines Preßstempels druckbelastet, bei gleichzeitiger Laserstrahlerwärmung an der Rückseite des Bleches.Here, too, the sheet is preferably on the edge side clamped and against his, e.g. B. facing down Front side by a lifting movement of a press ram pressurized, with simultaneous laser beam heating the back of the sheet.
Vorzugsweise kann hierbei eine großflächige Universalform für den Preßstempel, z . B. eine Keramikkugel oder eine Halbkugel- oder Zylinderform gewählt werden.A large-area universal shape can preferably be used here for the press ram, e.g. B. a ceramic ball or a Hemispherical or cylindrical shape can be selected.
Zur Erhöhung der Formgenauigkeit der gewünschten Endform des Halbzeuges kann auf der Seite des Halbzeuges, die durch den Laserstrahl erwärmt wird, eine flexible Matrize als Gegenwerkzeug angeordnet sein.To increase the shape accuracy of the desired final shape of the Semi-finished product can on the side of the semi-finished product by the Laser beam is heated as a flexible die Counter tool be arranged.
Hinsichtlich der vorgenannten Vorrichtung zum Freiformumformen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Blech randseitig in einer Spannvorrichtung aufgenommen ist und an dem Blech einerseits eine Druckvorrichtung angreift und andererseits eine Laserstrahlquelle zur Laserbestrahlung einer von der Druckvorrichtung abgewandten Seite des Bleches vorgesehen ist.With regard to the aforementioned device for The task according to the invention is thus freeform forming solved that the sheet metal edge in a jig is recorded and on the one hand on the sheet Pressure device attacks and the other one Laser beam source for laser irradiation one of the Pressure device facing away from the sheet is provided is.
Durch eine solche Vorrichtung kann ungestört von einem großflächigen Angriff der Druckvorrichtung an der eingespannten Blechronde auf deren Rückseite eine lokale Laserstrahlerwärmung zur Verminderung der Elastizität und Vergrößerung des Umformvermögens des Materiales angeordnet werden.Such a device can be undisturbed by one large-scale attack of the printing device on the clamped sheet round on the back of a local Laser heater heating to reduce elasticity and Increased the formability of the material arranged become.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist die Druckvorrichtung ein Druckgaswerkzeug, durch das das Blech einseitig mit Gasdruck beaufschlagbar und zu einer gasdruckfreien Seite des Bleches hin umformbar ist. According to a preferred embodiment of the device In the present invention, the printing device is one Pressurized gas tool, through which the sheet metal is pressurized on one side loadable and to a gas pressure-free side of the sheet is deformable.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Druckvorrichtung ein Preßstempel, der vorzugsweise mehrachsig bewegbar ist und höchst vorzugsweise eine Universalform, insbesondere eine Kugelgestalt, aufweist.According to a further preferred embodiment of the Invention, the printing device is a ram that is preferably movable in multiple axes and most preferably a universal shape, especially a spherical shape, having.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann an der Rückseite des Blechteiles, der die Laserstrahlquelle zugewandt ist, eine elastische, endformgebende Matrize angeordnet sein, so daß die Präzision der Endformgebung erhöht werden kann.In a further embodiment of the invention, the Back of the sheet metal part that is the laser beam source is facing, an elastic, shaping die be arranged so that the precision of the final shape can be increased.
Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt.Further, preferred configurations of the Subject of the invention are in the remaining subclaims spelled out.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:The invention is described below with reference to Exemplary embodiments and associated drawings explained. In these show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für das laserunterstützte Freiformziehen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 1 is a schematic representation of a device for laser-assisted free-form drawing according to an embodiment of the invention, and
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für das laserunterstütze Streckziehen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 is a schematic representation of a device for laser-assisted stretch drawing according to an embodiment of the invention.
In Fig. 1 ist in schematischer Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Freiformziehen eines Blechteiles 1 dargestellt. Das Blechteil 1 ist entlang seines Umfangsrandes auf einer Druckwanne 2 aufgelegt und im Bereich von Randflanschen 3 der Druckwanne 2 durch eine oder mehrere, hier nicht näher dargestellte, sondern lediglich schematisch angedeutete Spannvorrichtungen 4 festgespannt. In Fig. 1 shows a schematic principle view of an embodiment of an apparatus is shown for freeform drawing a sheet metal part 1. The sheet metal part 1 is placed along its circumferential edge on a pressure trough 2 and clamped in the area of edge flanges 3 of the pressure trough 2 by one or more tensioning devices 4 , not shown here but merely indicated schematically.
Die linke Seite der Darstellung zeigt den Umformvorgang im Anfangsstadium oder das Blechteil 1 im Ursprungszustand, während die rechte Seite von Fig. 1 den Endformgebungszustand des Blechteiles 1 darstellt. Der Innenraum der Druckwanne 2 ist vollständig mit einem Druckmedium, vorzugsweise Druckgas 5 angefüllt, so daß sich eine Vorderseite 6 des Blechteiles 1, hier die Unterseite des Blechteiles, in Kontakt mit dem Druckgas 5 befindet. Die in Verbindung mit dem Druckgas 5 als Druckvorrichtung wirksame Druckwanne 2 weist seitlich einen Gaseinlaß 8 auf, durch den weiteres Druckfluid in die Vorrichtung, d. h. in den Innenraum der Druckwanne 2 eingeführt werden kann.The left side of the illustration shows the forming process in the initial stage or the sheet metal part 1 in the original state, while the right side of FIG. 1 shows the final shaping state of the sheet metal part 1 . The interior of the pressure trough 2 is completely filled with a pressure medium, preferably pressure gas 5 , so that a front side 6 of the sheet metal part 1 , here the underside of the sheet metal part, is in contact with the pressure gas 5 . The pressure trough 2 , which acts as a pressure device in conjunction with the pressure gas 5, has a gas inlet 8 on the side through which further pressure fluid can be introduced into the device, ie into the interior of the pressure trough 2 .
Für den Umformvorgang wird durch Einführen weiteren Druckgases durch den Einlaß 8 der Innendruck innerhalb des durch das Blechteil 1 abgeschlossenen, vollständig mit Druckgas gefüllten Innenraumes der Druckwanne 2 der Druck zum Aufbau eines Umformdruckes erhöht und es wird gleichzeitig auf der Rückseite 7 des Blechteiles 1 lokal eine Erwärmung des Blechteiles 1 durch einen Laserstrahl 9 von einer hier nur schematisch und auch hinsichtlich von Steuerungs- und Ablenksystemen nicht näher dargestellten Laserstrahlquelle 10 vorgenommen.For the forming process, the pressure to build up a forming pressure is increased by introducing further compressed gas through the inlet 8, the internal pressure inside the interior of the pressure trough 2, which is closed by the sheet metal part 1 and is completely filled with compressed gas, and at the same time there is a local pressure on the rear side 7 of the sheet metal part 1 The sheet metal part 1 is heated by a laser beam 9 from a laser beam source 10 , which is shown only schematically here and also not with regard to control and deflection systems.
Auf diese Weise kann eine Freiformgebung des Blechteiles 1, wie im Halbschnitt in der rechten Hälfte der Fig. 1 dargestellt, erreicht werden. Die Laserstrahlerwärmung an der Rückseite 7 des Blechteiles 1 führt zur Herabsetzung der Streckgrenze und damit zur Verringerung der Festigkeit des Blechteiles 1, so daß das Umformvermögen erhöht und ein größerer Umformgrad hinsichtlich des Freiformziehens durch das Druckgas in Verbindung mit der Druckwanne 2 erreicht werden können. In this way, the sheet metal part 1 can be shaped freely, as shown in the half-section in the right half of FIG. 1. The laser beam heating on the rear 7 of the sheet metal part 1 leads to a reduction in the yield strength and thus to a reduction in the strength of the sheet metal part 1 , so that the forming capacity is increased and a greater degree of forming can be achieved with regard to the free-form drawing by the compressed gas in connection with the pressure trough 2 .
Gegebenenfalls kann an der hier als Oberseite angeordneten Rückseite 7 des Blechteiles 1 auch eine hier nicht dargestellte, flexible Matrize zur Anwendung kommen, durch die eine noch größere Bestimmung der Endformgebung des Blechteiles 1 erfolgen kann, ohne daß hier ein spezieller werkzeugtechnischer Aufwand nötig ist.If necessary, a flexible die (not shown here ) can also be used on the rear side 7 of the sheet metal part 1 , which is arranged here as the upper side, by means of which an even greater determination of the final shaping of the sheet metal part 1 can take place without any special tooling complexity being required here.
Auf diese Weise wird ein Freiformziehen von Blechteilen ermöglicht, das eine wesentlich bessere Ausschöpfung des Umformvermögens des Blechteiles 1 infolge der Anwendung zusätzlicher Laserstrahlerwärmung ermöglicht, so daß höhere Umformgrade erreichbar sind, ohne daß der werkzeugtechnische Aufwand steigt.In this way, free-form drawing of sheet metal parts is made possible, which enables a substantially better utilization of the forming capacity of the sheet metal part 1 due to the use of additional laser beam heating, so that higher degrees of forming can be achieved without increasing the expenditure on tool technology.
Von besonderer Bedeutung ist hierbei die opponierende Anordnung von durch das Druckmedium 5 und die Druckwanne 2 gebildeter Druckwanne mit in Fig. 1 nach oben gerichteter Umformkraft einerseits und die rückseitige Anordnung der Laserstrahlquelle 10 zur lokalen Erwärmung und verbesserten Formbarkeit des Blechteiles 1 andererseits. Die Dosierung des Laserstrahles 9 kann hinsichtlich Intensität und Ablenkung äußerst präzise erfolgen, so daß tatsächlich eine Erwärmung in den Bereichen besonders hoher Formänderung zur Erreichung großer Umformgrade möglich ist.Of particular importance here is the opposing arrangement of the pressure trough formed by the pressure medium 5 and the pressure trough 2 with the forming force directed upwards in FIG. 1 on the one hand and the rear arrangement of the laser beam source 10 for local heating and improved formability of the sheet metal part 1 on the other hand. The dosage of the laser beam 9 can be extremely precise in terms of intensity and deflection, so that heating in the areas of particularly high shape changes is actually possible to achieve large degrees of deformation.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Freiformumformung mittels Laserstrahlunterstützung durch lokale Erwärmung des Halbzeuges, hier wiederum des Blechteiles 1 für ein laserunterstütztes Streckziehen dieses Blechteiles 1. Das Blechteil 1 ist wiederum umfangsseitig durch die Spannvorrichtung 4 festgelegt und wird aus dem in der linken Hälfte der Fig. 2 gezeigten Ausgangszustand durch Verwendung eines als Kugel 11 ausgebildeten Preßstempels in Richtung einer Kraft F nach aufwärts druckbelastet unter gleichzeitiger Laserstrahlerwärmung an seiner oberen Rückseite durch die Laserstrahlquelle 10. Für den Preßstempel ist die Wahl einer Universalgeometrie, wie z. B. einer Kugel, vorteilhaft; es kann jedoch auch eine Halbkugelform oder Zylinderform verwendet werden. Gegebenenfalls kann in Abhängigkeit von der Streckziehaufgabe die Kugel 11 oder der an ihrer Stelle verwendete Preßstempel zusätzlich zu der in Fig. 2 aufwärtsgerichteten Hubbewegung eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung ausführen, wobei dies aufgrund der in einfacher Weise zu realisierenden mehrachsigen Bewegbarkeit des Preßstempels, hier der Kugel 11, in unkomplizierter Weise realisiert werden kann. Auch hier dient die Laserstrahlerwärmung der Verminderung der Festigkeit des Blechteiles 1 und der Erhöhung des Formänderungsvermögens. Fig. 2 shows another embodiment of a free-form deformation by means of laser beam support by local heating of the semifinished product, here again the sheet metal part 1 for a laser-assisted stretch-forming this sheet metal part 1. The sheet metal part 1 is in turn fixed circumferentially by the clamping device 4 and is from the initial state shown in the left half of FIG. 2 by using a press ram designed as a ball 11 in the direction of a force F upward pressure load with simultaneous laser beam heating on its upper rear side by the Laser beam source 10 . For the press die, the choice of a universal geometry, such as. B. a ball, advantageous; however, a hemispherical or cylindrical shape can also be used. Optionally, depending on the stretch-drawing task, the ball 11 or the press die used in its place can perform a translatory and / or rotary movement in addition to the upward lifting movement in FIG. 2, this being due to the multi-axis movability of the press die, which can be realized in a simple manner here the ball 11 , can be realized in an uncomplicated manner. Here, too, the laser beam heating serves to reduce the strength of the sheet metal part 1 and to increase the shape-changing capacity.
Gegebenenfalls kann auch in diesem Fall eine elastische Gegenmatrize verwendet werden, die in Fig. 2 jedoch nicht dargestellt ist. Ein Endformzustand des Blechteiles 1 ist in Fig. 2 in der rechten Halbdarstellung im Halbschnitt gezeigt.If necessary, an elastic counter matrix can also be used in this case, but this is not shown in FIG. 2. A final shape of the sheet metal part 1 is shown in Fig. 2 in the right half representation in half section.
Durch die Kombination der Fluid-Druckvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bzw. des Freiformstreckziehens mit einem z. B. als Kugel gestalteten Preßstempel nach Fig. 2 mit einer lokalen Erwärmung des Werkstückes an der Rückseite desselben durch einen Laserstrahl werden die Möglichkeiten der Freiformumformung deutlich erweitert und auch bisher nicht oder nur mit erhöhtem werkzeugtechnischen Aufwand erreichbare Umformgrade realisierbar.By combining the fluid pressure device according to the embodiment of FIG. 1 or the free-form stretch drawing with a z. B. designed as a ball ram according to Fig. 2 with local heating of the workpiece on the back of the same by a laser beam, the possibilities of free-form forming are significantly expanded and previously not or only attainable degrees of deformation achievable with increased tooling complexity.
Claims (14)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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AH | Division in |
Ref country code: DE Ref document number: 4345158 Format of ref document f/p: P |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8125 | Change of the main classification |
Ipc: B21D 25/00 |
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8131 | Rejection |