EP4387783B1 - Verfahren zur herstellung von blechbauteilen und vorrichtung hierfür - Google Patents

Verfahren zur herstellung von blechbauteilen und vorrichtung hierfür

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EP4387783B1
EP4387783B1 EP22765467.0A EP22765467A EP4387783B1 EP 4387783 B1 EP4387783 B1 EP 4387783B1 EP 22765467 A EP22765467 A EP 22765467A EP 4387783 B1 EP4387783 B1 EP 4387783B1
Authority
EP
European Patent Office
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sheet metal
calibration
tool
preform
produced
Prior art date
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Active
Application number
EP22765467.0A
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English (en)
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EP4387783A1 (de
Inventor
Martin Kibben
Lars Bode
Michael Linnepe
Peter Sieczkarek
Daniel Nierhoff
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP4387783A1 publication Critical patent/EP4387783A1/de
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Publication of EP4387783B1 publication Critical patent/EP4387783B1/de
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/20—Deep-drawing
    • B21D22/30—Deep-drawing to finish articles formed by deep-drawing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21D22/02—Stamping using rigid devices or tools
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    • B21D22/20—Deep-drawing
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
    • B21D37/08—Dies with different parts for several steps in a process

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing sheet metal components.
  • Methods and devices for manufacturing dimensionally accurate sheet metal components are disclosed in the prior art, see for example DE 10 2007 059 251 A1 , DE 10 2008 037 612 A1 , DE 10 2009 059 197 A1 , DE 10 2013 103 612 A1 , DE 10 2013 103 751 A1 , whereby the manufacturing process is carried out in at least two stages (forming processes).
  • a particularly flat blank is formed into a preform.
  • the preform has a material excess that is distributed as uniformly as possible. This additional material excess is compressed towards the plane of the sheet metal in the second stage, the so-called calibration.
  • the lengths of the local cross-sectional developments must therefore only change within narrow limits, even with varying influencing factors such as friction, the mechanical properties of the material batch used, and tool wear. It is therefore necessary to design the preforming tool with at least a spaced, outer blank holder, or preferably without any external blank holder at all (so-called "crash forming” or “embossing/folding”). This prevents the blanks in the preforming tool from stretching to varying degrees during the production of multiple components and when using different material batches, depending on the aforementioned influencing factors. Such uncontrolled stretching of the material from component to component would cause the distribution of excess material for subsequent calibration to potentially exceed the acceptable, process-reliable range.
  • preforms produced in this way sometimes spring back so significantly that they cannot be, or can only be partially, used for subsequent calibration.
  • excessive deviations from the target geometry can lead to unwanted dimensional deviations remaining in the final component even after calibration. This applies particularly to component deformations such as torsion, bending, and/or curvature, which may not be adequately captured during the calibration process, resulting in unwanted torsion and/or bending remaining even in final, calibrated components.
  • the existing concepts envisage creating a preform which essentially corresponds to the final geometry, whereby the preform tool with its working surfaces is essentially designed to match the working surfaces of the calibration tool.
  • the invention is therefore based on the objective of providing a generic method and a generic device with which a final component geometry can be produced that has as little or no deviation as possible from the final component geometry (target geometry).
  • the method for manufacturing a sheet metal component comprises at least two steps: forming a sheet metal preform having in cross-section a bottom, at least one frame, at least one transition between bottom and frame, optionally at least partially a flange and optionally at least partially a transition between frame and flange.
  • a preforming tool which acts on the sheet metal with its working surfaces, the resulting sheet metal preform having excess sheet material at least in certain areas; and final forming of the sheet metal preform into a sheet metal component in a calibration tool, which acts on the sheet metal preform with its working surfaces and in which the excess sheet material is essentially compressed in the plane of the sheet metal, thus increasing the sheet thickness at least in certain areas.
  • the working surfaces of the preforming tool for the sheet metal preform to be produced are arranged in comparison to the working surfaces of the calibration tool for the sheet metal component to be produced such that, when comparing the preforming tool and the calibration tool, considering the difference angle between the two principal axes of inertia oriented in the same direction with respect to the respective cross-sectional shape, through the centroids of two parallel cross-sectional surfaces at a distance of 100 mm from the tool gap enclosed by the respective working surfaces, a torsional angle difference of at least 0.2° is established.
  • a final component geometry can be produced that exhibits minimal to no deviation from the final component geometry (target geometry), particularly if a sheet metal preform is already produced that also exhibits minimal to no deviation from the final component geometry. It is generally known from the prior art that it is advantageous for the sheet metal preform geometry to be manufactured in such a way that it corresponds as closely as possible to the final component geometry set in the calibration tool. In particular, springback-induced curvature of the frame should be avoided in the preform itself, within the limitations of the process, which is characterized, for example, by reduced material flow control.
  • the inventive approach avoids deformation (torsion/twisting and/or bending) of the spring-back sheet metal preform relative to the final component geometry by appropriately designing the effective surfaces of the sheet metal preform, so that the better the spring-back sheet metal preform corresponds to the final sheet metal component, the more dimensionally accurate the result. the calibration will be completed, and the simpler the process control, especially in the calibration tool but also in any further subsequent processes, can be.
  • the difference in torsion angle is therefore the angle increment when comparing the preforming tool and the calibration tool when considering the difference angle between the principal axes of inertia oriented in the same way with respect to the respective cross-sectional shape through the centroids of two parallel cross-sectional surfaces at a distance of 100 mm of the tool gap enclosed by the respective working surfaces and amounts to at least 0.2°, in particular at least 0.5°, preferably at least 0.7°, more preferably at least 1°, more preferably at least 2° and more preferably at least 3°.
  • the working surfaces of the preforming tool are configured, in comparison to the working surfaces of the calibration tool, such that, in the sheet metal preform to be produced before springback, a curvature in the longitudinal extent of the sheet metal preform before springback is set, at least in certain areas, which deviates by at least 1%, in particular by at least 2%, preferably by at least 5%, more preferably by at least 7%, and most preferably by at least 9% from the variable curvature in the longitudinal extent of the sheet metal component to be produced.
  • the variable curvature of a component can be described as the curvature of an imaginary B-spline.
  • the centroid of the cross-sectional lines is determined at each point, and these intersection points are then connected using a B-spline, the curvature lines of the sheet metal component and the (compensated) sheet metal preform before springback, and thus the effective surfaces of the compensated preform tool, can be obtained.
  • the sheet metal preform before springback deviates by, for example, more than 5% from the curvature of the sheet metal component to be produced at the same location or in the same area, then the sheet metal preform is considered compensated with respect to the curvature of the sheet metal component in its longitudinal extent.
  • the sheet metal preform can be manufactured using any combination of forming processes in one or more steps.
  • Preforming can, for example, include a deep-drawing-like forming step.
  • multi-stage forming is also possible, including, for example, embossing the base to be created and raising the sides to be created or setting down the flanges to be created. Any combination of folding and/or bending and/or embossing is also conceivable.
  • the deep drawing performed for preforming for example, can be carried out in a single stage or in multiple stages.
  • forming without active material flow control can be used to manufacture the sheet metal preform.
  • Upsetting/calibration refers to the final forming of a sheet metal preform, which can be achieved, for example, through one or more pressing operations.
  • the resulting sheet metal preform incorporates excess sheet material in at least some areas.
  • This excess material has a developed length in the cross-section of the preform that is between 0.5% and 6% longer than the developed length of the finished sheet metal component (target geometry).
  • the developed length of these cross-sections in the preform is between 0.7% and 4.3% longer than that of the finished sheet metal component. If the developed length of the cross-sections varies too much during the manufacturing process of the preform, an insufficient amount of excess sheet material would be available for the subsequent calibration process, thus compromising the dimensional accuracy of the final component. The component would be affected.
  • the essentially finished sheet metal component can thus be understood as a final-formed sheet metal component.
  • the finished sheet metal component may undergo further processing steps that modify the component, such as the addition of connection holes and/or minor final trimming.
  • the aim is to design the calibration die in such a way that, apart from any necessary post-forming operations such as the removal of flanges or the subsequent introduction of embossing, no further forming steps are required.
  • Both the produced sheet metal preform and the finished sheet metal component essentially have a longitudinal and a transverse extent, with the longitudinal extent being larger than the transverse extent in most sheet metal components.
  • a cross-section means a section through the transverse extent of the sheet metal preform/sheet metal component.
  • a flange section is provided below the flange, at least on one side of the sheet metal component, extending longitudinally and/or transversely, particularly on both sides of the sheet metal component.
  • This section serves, for example, for connecting to other components and is also referred to as a joining flange.
  • the frame is provided at least on one side of the sheet metal component, extending longitudinally, particularly on both sides.
  • the sheet metal component has, for example, a substantially hat-shaped cross-section, with a frame on each side.
  • the frames may be identical or have different depths, particularly along their longitudinal extent.
  • An integral transition area is provided between the flange and the frames.
  • the base is integrally formed with the frame via a further transition area and, depending on the complexity of the sheet metal component to be produced, may not be limited to a single plane.
  • the component can be linear, but can also be designed to extend longitudinally and/or transversely, and can be positioned on different levels in certain areas.
  • the transitions between the individual levels in the base area can be stepped or curved; in particular, a so-called cranked design can be used.
  • the sheet metal component can also have shapes other than those extending longitudinally or along the longitudinal axis; for example, it can be arc-shaped, C-shaped, or L-shaped.
  • preform compensation offers the possibility of increasing the frame opening angle of the sheet metal preform relative to the final component geometry. This provides more clearance for necessary compensation measures without undercutting.
  • An increased frame opening angle of the sheet metal preform can be easily processed in the calibration tool, and in particular, reduced again if necessary to 0°, without significantly affecting the dimensional accuracy of the final component geometry.
  • very good results can be achieved in the subsequent calibration tool by adjusting the frame opening (even locally), especially for highly twisted sheet metal preforms.
  • the working surfaces of the preforming tool can advantageously be arranged in comparison to the working surfaces of the calibration tool so that a difference in the flange opening angle of at least 0.5°, in particular at least 1°, preferably at least 3°, preferably at least 5°, particularly preferably at least 8°, and more preferably at least 10° is set at the same location in the sheet metal preform to be produced compared to the sheet metal component to be produced.
  • the frame opening angle is the angle by which the component frame, relative to the direction of action of the press ram, can be rotated inwards at most around an axis oriented in the longitudinal direction of the sheet metal component in the transition area between the frame and the component base, before an undercut occurs in the tool.
  • the difference in the frame opening angle is the difference between the local frame opening angle of the sheet metal preform, in particular the compensated sheet metal preform or the compensated preforming tool, and the local frame opening angle of the sheet metal component at the same location or in the same cross-section.
  • the cross-sections or cross-sectional areas of the sheet metal preform and the sheet metal component under consideration lie in the same plane.
  • a steel sheet with a yield strength (Re ) of at least 400 MPa is used.
  • the yield strength can be, in particular, at least 500 MPa, preferably at least 600 MPa, and more preferably at least 700 MPa.
  • a device of the generic type comprising at least one preforming tool for preforming a sheet metal part into a sheet metal preform having in cross-section a bottom, at least one frame, at least one transition between bottom and frame, optionally at least partially a flange and optionally at least partially a transition between frame and flange, which acts on the sheet metal part with its effective surfaces, wherein the sheet metal preform has excess sheet metal material at least partially; and with at least one calibration tool for upsetting the sheet metal preform to a sheet metal component, which acts on the sheet metal preform with its working surfaces and in which the excess sheet metal material is upset in the sheet plane, wherein the working surfaces of the preform tool of the sheet metal preform to be produced are arranged in such a way as to, when comparing preform tool and calibration tool, when considering the difference angle between the two principal axes of inertia oriented in the same direction with respect to the respective cross-sectional shape through the centroids of two parallel cross-sectional surfaces at a distance
  • the working surfaces of the preforming tool have been adapted in such a way that the expected deviations of the sheet metal preform from the target geometry of the sheet metal component are pre-modeled in the opposite direction.
  • a spring-backed sheet metal preform will deform (twist/torsion) by X° around its main axis in longitudinal extension, so that the working surfaces of the preforming tool are corrected and adapted so that the sheet metal preform is pre-modeled in the opposite direction.
  • the direction is intentionally twisted by an approximately adequate amount.
  • the working surfaces of the preforming tool are arranged in such a way as to ensure that a difference in the frame opening angle of at least 0.5° is set at the same location in the sheet metal preform to be produced compared to the sheet metal component to be produced.
  • the device comprises a calibration tool with a calibration punch, a calibration die, and one or optionally several elements, wherein the element is arranged in the calibration die and is movable relative to the calibration die.
  • the contour of the calibration punch and the calibration die essentially corresponds to the base, the frame, and the optional flange, as well as the transition areas between the base and frame, and optionally between the frame and flange, of the nominal geometry of the sheet metal component.
  • the element arranged in the calibration die serves to position the sheet metal preform before upsetting/calibrating the preform on the calibration punch.
  • the calibration tool can comprise a calibration punch, a calibration die, and one or optionally several elements, wherein the element is arranged in the calibration punch and is movable relative to the calibration punch.
  • the calibration punch is located at the bottom and the calibration die at the top of the calibration tool and are movable relative to each other.
  • the component is positioned in the calibration die and moves, particularly via the ram stroke, i.e., together with the calibration die, towards the calibration punch. This movement presses the sheet metal preform downwards and positions it securely on the calibration punch, for example, by means of a spring, wedge driver, hydraulics, or pneumatics.
  • a relative movement occurs between the calibration die and the component until the component is finally flush within the calibration die at the bottom dead center.
  • the calibration punch is positioned at the top and the calibration die at the bottom of the calibration tool and are movable relative to each other.
  • the element is located in the calibration punch and moves, particularly via the ram stroke, i.e., together with the calibration punch, towards the calibration die. This movement presses the sheet metal preform downwards and positions it securely in the calibration die, for example, by means of a spring, wedge driver, hydraulics, or pneumatics.
  • a relative movement occurs between the calibration punch and the element until the element is finally flush with the calibration punch at the bottom dead center.
  • the element arranged in the calibration die is moved in such a controlled manner, for example via the ram stroke and/or additional control units, which may be driven, for example, by springs, wedge drivers, hydraulics, or pneumatics, such that a defined distance is maintained between the element and the calibration punch during the closing of the calibration tool. This distance is not undercut until the element is fully flush within the calibration die.
  • This defined distance is preferably selected such that no excessively large force acts on the sheet metal component to be calibrated in the area of the element during the closing of the calibration die, and that, for example, the surface of the finished component is not unduly damaged by the element, and/or the calibration process is not unduly hindered, and/or the excess material, for example, in the base, is not unduly deformed. If the element is flush with the calibration die during the ram stroke, no further relative movement can occur between the element and the calibration die, thus forming a closed working surface without a step. In particular, during the closing process, before reaching the lower end position, the element is essentially flush with the working surface of the calibration die.
  • the device comprises a calibration tool with a calibration punch mounted on the press table, a calibration die mounted on the press ram, and a projecting element or optionally several projecting elements, wherein the projecting element is arranged in the calibration punch and is movable relative to the calibration punch.
  • the contour of the calibration punch and the calibration die essentially corresponds to the base, the frame, and the optional flange.
  • the transition areas between the base and frame, and optionally between the frame and flange, are defined by the target geometry of the sheet metal component.
  • the protruding element which is arranged in the calibration die, serves to position the sheet metal preform at a predefined height before upsetting/calibrating it on the calibration die.
  • the protruding element can, for example, extend up to 30 mm, particularly up to 15 mm, or preferably up to 5 mm, from the calibration die, but must not extend more than 0 mm. Positioning at a defined height can advantageously affect the position of the sheet metal preform when the calibration tool closes and, for example, prevent the sheet metal preform from becoming trapped between moving parts of the calibration die, such as when lateral slides are provided.
  • the calibration tool can comprise a calibration die, a calibration die, and a protruding element, or optionally several protruding elements, wherein the protruding element is arranged in the calibration die and is movable relative to the calibration die.
  • the calibration punch is arranged at the bottom and the calibration die at the top of the calibration tool and are movable relative to each other.
  • the element is positioned protruding within the calibration punch and positions the inserted sheet metal preform at a defined height by means of a force-fit connection, for example, using springs, wedge drivers, hydraulics, or pneumatics above the calibration punch.
  • a force-fit connection for example, using springs, wedge drivers, hydraulics, or pneumatics above the calibration punch.
  • the previously protruding element is preferably positioned in its lowest position within the calibration punch in such a way that a closed working surface without a step is created and the element and calibration punch essentially correspond to the geometry of the sheet metal component to be produced.
  • the element which is arranged in the calibration punch by means of a spring, hydraulics, or pneumatics, and projects beyond the effective surface of the calibration punch, can be moved in such a way that the projecting element is preferably flush with the calibration punch before the press stroke reaches bottom dead center. This ensures that the surface of the finished sheet metal component is not unduly damaged by the projecting element during the actual calibration process. is and/or the calibration process is not unduly hindered and/or the excess material introduced into the ground, for example, is unduly deformed.
  • the protruding element or optionally the protruding elements in the calibration punch are combined with a leading element or optionally several leading elements in the calibration die.
  • the arrangement of a protruding element or optionally protruding elements can, analogously, also be implemented in the calibration die for a sheet metal component open upwards in the press position.
  • the combination of a protruding element or optionally several protruding elements in the calibration die can, analogously, be implemented with a leading element or optionally several leading elements in the calibration punch.
  • the device it is integrated into a press line or transfer press. Particularly in the production of mass-produced goods, for example, for products in the automotive industry, sheet metal components are manufactured most economically in press lines or transfer presses.
  • the device can be economically integrated into existing production lines in the form of interchangeable inserts, which include at least one preforming tool and at least one calibration tool. Use of the device in progressive die presses is also conceivable.
  • FIG. 1 A schematic cross-sectional view shows a sequence of an embodiment of a method or device (100) according to the invention.
  • the method according to the invention for manufacturing a sheet metal component (3) comprises at least two steps. Firstly, the method comprises preforming a sheet metal part (1) into a sheet metal preform (2) having in cross-section (Q, Q1.1, Q1.2) a base (2.1), at least one frame (2.2), at least one transition (2.4) between the base (2.1) and the frame (2.2), optionally at least partially a flange (2.3), and optionally at least partially a transition (2.5) between the frame (2.2) and the flange (2.3) in a preforming tool (10), which acts on the sheet metal part (1) with its working surfaces (10.1, 10.2), wherein the sheet metal preform (2) has excess sheet metal material (4) at least partially.
  • a preforming tool (10) which acts on the sheet metal part (1) with its working surfaces (10.1, 10.2), wherein the sheet metal preform (2) has excess sheet metal material (4) at least partially.
  • the process includes finishing the sheet metal preform (2) into a sheet metal component (3) in a calibration tool (20), which acts on the sheet metal preform (2) with its working surfaces (20.1, 20.2) and in which the excess sheet metal material (4) is compressed in the sheet metal plane (E).
  • the sectional views of the preforming tool (10) and calibration tool (20) shown in this example refer to a section in the area of a sheet metal preform end and a sheet metal component end, respectively.
  • the working surfaces (10.1, 10.2) of the preforming tool (10) of the sheet metal preform (2) to be produced are configured in relation to the working surfaces (20.1, 20.2) of the calibration tool (20) of the sheet metal component (3) to be produced such that, when comparing the preforming tool (10) and the calibration tool (20) and considering the difference angle between the two principal axes of inertia (A2, A3) oriented in the same direction with respect to the respective cross-sectional shape, through the centroids of two parallel cross-sectional surfaces (Q1.1, Q1.2, Q2.1, Q2.2) spaced 100 mm apart, a torsional angle difference (tdiff) of at least 0.2° is established.
  • tdiff torsional angle difference
  • the working surfaces (10.1, 10.2) of the preforming tool (10) can be configured in comparison to the working surfaces (20.1, 20.2) of the calibration tool (20) such that in the sheet metal preform (2) to be produced, compared to the sheet metal component (3) to be produced, at least in certain areas a curvature in the longitudinal extent of the sheet metal preform (2) is set which deviates by at least 1% from the curvature in the longitudinal extent of the sheet metal component (3) to be produced.
  • the working surfaces (10.1, 10.2) of the preforming tool (10) can be configured in comparison to the working surfaces (20.1, 20.2) of the calibration tool (20) so that a difference in the flange opening angle (zdiff) of at least 0.5° is set at the same location in the sheet metal preform (2) to be produced compared to the sheet metal component (3) to be produced.
  • a flat sheet (1) is, for example, unwound and cut to length as a defined blank or shaped sheet from a metal coil (not shown) and provided to the further process.
  • the sheet (1) is made of a steel material, preferably a high-strength steel material, for example with a material thickness between 0.5 and 4 mm.
  • a high-strength steel material for example with a material thickness between 0.5 and 4 mm.
  • aluminum materials or other metals can also be used.
  • the sheet metal (1) is first preformed using conventional methods such that the geometry of the sheet metal preform (2) is provided with excess sheet metal material (4) for the subsequent process.
  • the sheet metal preform (2) can be preformed, for example, by crash forming or alternatively by deep drawing with a spaced sheet metal holder or alternatively by deep drawing.
  • the sheet metal preform (2) is produced, for example, in a preforming tool (10), wherein the flat sheet metal (1) is inserted into the open preforming tool (10) by suitable means (not shown here), and in which the working surfaces (10.1, 10.2) of the preforming tool (10) act on the sheet metal (1).
  • the excess sheet material (4) provided at least partially in the sheet metal preform (2) during its manufacture ensures that the excess sheet material (4) required for upsetting/calibration, particularly in the base (2.1) of the sheet metal preform (2), for example in the form of introduced waves, embossments, bulges, or curves, and/or especially in the sides (2.2) and/or in the optional flanges (2.3) of the sheet metal preform (2), for example by extending them, is taken into account in the preforming tool (10).
  • the manufacture of the sheet metal preform (2) is not limited to a single preforming tool (10), but can, depending on the complexity of the sheet metal component (3) to be produced, be carried out in two or more stages or preforming tools (not shown here).
  • the design of the sheet metal preform (2) is characterized by flexibility and offers many possibilities for achieving a suitable sheet metal preform (2) due to geometric freedoms. This sheet metal preform (2) should be geometrically oriented as close as possible to the final geometry of the sheet metal component (3).
  • the sheet metal preform (2) is removed from the preforming tool (10).
  • This preform exhibits springback and/or torsion due to an inhomogeneous, introduced stress state within the preform.
  • compensatory measures have been implemented in the form of modified effective surfaces (10.1, 10.2) compared to the effective surfaces (20.1, 20.2) of the calibration tool (20) to obtain a sheet metal preform (2) that closely approximates the target geometry of the sheet metal component (3). Fluctuations in springback and/or torsion are compensated for in the calibration tool (20), thus eliminating the need for complex correction loops.
  • the sheet metal preform (2) has, at least in some areas in the cross-section (Q), a developed length which is between 0.5% and 6% longer with respect to the developed length of the sheet metal component (3).
  • the sheet metal preform (2) is removed from the preforming tool (10) and still exhibits a deviation from its target geometry caused by various influencing factors.
  • the sheet metal preform (2) is placed into a calibration tool (20), which comprises a calibration punch (21) and a calibration die (22).
  • the calibration tool (20) can include an element (23) which is arranged in the calibration die (22) and is movable relative to the calibration die (22).
  • the inserted sheet metal preform (2) is first fixed or clamped securely in position between the element (23) and the calibration punch (21).
  • the working surfaces (20.1, 20.2) act on the sheet metal preform (2), and by means of superimposed compressive stress, the excess sheet metal material (4) in the sheet plane (E) is compressed, so that the sheet metal preform (2) is formed into a sheet metal component (3) that substantially corresponds to the target geometry.
  • the superimposed compressive stress, or compression in the sheet plane (E) is achieved by acting on the excess material in the sheet metal preform (2) in the form of, for example, straight or wave-shaped extended component cross-sectional segments, while simultaneously locking the sheet metal preform over its edges in the cross-section (Q). This is done, for example, by the locking mechanism (21.1) in the calibration die (21).
  • slides (not shown) can also be arranged in the calibration tool to lock the edges of the sheet metal preform.
  • the torsional angle difference (tdiff) thus corresponds to the angle increment of the difference angle between the principal axes of inertia oriented in the same direction with respect to the cross-sectional shape.
  • (A2, A3) of the effective surfaces (10.1, 10.2) of the preforming tool (10) of the sheet metal preform to be produced (2) in comparison to the effective surfaces (20.1, 20.2) of the calibration tool (20) of the sheet metal component to be produced (3) between the principal axes of inertia (A2, A3) of the effective surfaces (10.1, 10.2) of the preforming tool (10) oriented in the same direction with respect to the cross-section in comparison to the effective surfaces (20.1, 20.2) of the calibration tool (20) in two parallel cross-sections (Q1.1, Q1.2, Q2.1, Q2.2) at a distance of 100 mm.
  • the cross-sections (Q1.1, Q2.1) and (Q1.2, Q2.2) are, for example, congruent, i.e., they are defined at the same location on the sheet metal preform (2) and on the sheet metal component (3), respectively, in the preforming tool (10) and calibration tool (20).
  • the principal axes of inertia (A2, A3) can, for example, be congruent.
  • a sheet metal component (3) made of a steel material with a yield strength of 440 MPa and a thickness of 1.5 mm was first designed methodically using an FE simulation and subsequently implemented in the tooling.
  • High-strength and ultra-high-strength steel materials have shown in the past that the sheet metal preforms produced using the previous method deviate from the desired target geometry to such an extent due to their tendency towards pronounced, unwanted springback and/or torsion effects that neither a secure insertion into the calibration tool nor a satisfactory calibration result can be achieved.
  • the difference between the sheet metal preform and the target geometry relates in particular to excessive springback-induced torsion of the entire sheet metal preform (2').
  • Figure 2 shows the sheet metal preform that would result if a sheet metal preform (2') were conventionally produced from a higher-strength steel material.
  • the torsion at the conventionally produced sheet metal preform is very pronounced compared to the sheet metal component end of the finished sheet metal component (3) and cannot be sufficiently reduced or reliably processed further in subsequent processes.
  • the working surfaces (10.1, 10.2) of the preforming tool (10) of the sheet metal preform (2) By designing the working surfaces (10.1, 10.2) of the preforming tool (10) of the sheet metal preform (2) to be produced in comparison to the working surfaces (20.1, 20.2) of the calibration tool (20) of the sheet metal component (3) to be produced, with a torsional angle difference (tdiff) of at least 0.2° set between the principal axes of inertia (A2, A3) of the working surfaces (10.1, 10.2) of the preforming tool (10) and the working surfaces (20.1, 20.2) of the calibration tool (20) at a distance of 100 mm in two parallel cross-sections (Q1.1, Q1.2, Q2.1, Q2.2) that are oriented the same with respect to the cross-section, the unwanted springback and/or torsion of the sheet metal preform (2) can be substantially compensated.
  • tdiff torsional angle difference
  • a counter-torsion can be set up and implemented on the tooling side to counter the conventionally produced alignment of the sheet metal preform (2'), so that in the Execution according to Figure 2 A torsional angle difference (tdiff) of 5° is set to preform a sheet metal preform (2) that closely approximates the target geometry.
  • tdiff torsional angle difference
  • the working surfaces (10.1, 10.2) of the preforming tool (10) can be configured, in comparison to the working surfaces (20.1, 20.2) of the calibration tool (20), to ensure that a flange opening angle difference (zdiff) of at least 0.5° is set in the sheet metal preform (2) to be produced compared to the sheet metal component (3).
  • zdiff flange opening angle difference
  • Figure 2 This approach was also taken into account with a frame opening angle difference (zdiff) of 5°, in particular to prevent undercutting in the preforming tool (10).
  • flangeless sheet metal components can also be produced with substantially reduced springback.
  • the tools (10, 20) can be designed as interchangeable tools and used in a production line, especially in a press line, transfer press or progressive die press.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Blechbauteilen.
    • Technischer Hintergrund
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von maßhaltigen Blechbauteilen sind im Stand der Technik offenbart, s. beispielsweise DE 10 2007 059 251 A1 , DE 10 2008 037 612 A1 , DE 10 2009 059 197 A1 , DE 10 2013 103 612 A1 , DE 10 2013 103 751 A1 , wobei die Herstellung in mindestens zwei Stufen (Umformprozessen) durchgeführt wird. In der ersten Stufe wird eine insbesondere ebene Formplatine zu einer Vorform umgeformt. Die Vorform verfügt gegenüber der final zu erzeugenden Bauteilgeometrie über einen möglichst gleichmäßig verteilten Materialüberschuss. Dieser zusätzliche Materialüberschuss wird in der zweiten Stufe, dem sogenannten Kalibrieren, in Richtung der Blechebene gestaucht. Der inhomogene Spannungszustand der Vorform wird dabei neu ausgerichtet und damit die unerwünschte, chargenabhängige Rückfederung des Bauteils, die insbesondere bei höchstfesten Werkstoffen in Kombination mit geringen Blechdicken auftritt, größtenteils vermieden. Aus der DE 10 2018 210 174 A1 ist ferner bekannt, ein hochmaßhaltiges flanschloses Blechbauteil herzustellen, indem aus einer Formplatine eine Vorform mit einem Öffnungswinkel der Zargen kleiner als 6° erzeugt wird, welche anschließend zu einem finalen Blechbauteil kalibriert wird.
  • Bei der Herstellung der Vorform müssen verschiedene Randbedingungen eingehalten werden.
  • So dürfen sich die Längen der lokalen Querschnitts-Abwicklungen auch bei variierenden Einflussgrößen wie Reibung, den mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Materialcharge und Werkzeugverschleiß nur in engen Grenzen verändern. Daher ist es erforderlich, das Vorformwerkzeug zumindest mit einem distanzierten, äußeren Blechhalter oder aber bevorzugt ganz ohne äußeren Blechhalter (so genanntes "Crash-Forming" oder auch "Prägen/Abkanten") auszulegen. Dadurch wird verhindert, dass die Formplatinen im Vorformwerkzeug abhängig von den oben genannten Einflussfaktoren im Verlauf der Produktion mehrerer Bauteile und beim Einsatz verschiedener Materialchargen mehr oder weniger gestreckt werden. Eine solche unkontrollierte Dehnung des Materials von Bauteil zu Bauteil würde dazu führen, dass die Verteilung des Materialüberschusses für das nachfolgende Kalibrieren u. U. den zulässig prozesssicher beherrschbaren Wertebereich verlässt.
  • Bei der Herstellung der Vorform treten damit gegenüber einer konventionellen Fertigung durch Tiefziehen mit aktivem, äußeren Blechhalter insbesondere in den Zargen verringerte Zugkräfte auf. Durch die fehlende Überlagerung des Umformbereichs mit Zugspannungen federn derart hergestellte Vorformen mitunter so stark zurück, dass sie dem nachfolgenden Kalibrieren nicht oder nur eingeschränkt zugeführt werden können. Außerdem führen zu große Abweichungen zur Sollgeometrie dazu, dass auch nach dem Kalibrieren noch ungewollte Maßabweichungen im finalen Bauteil verbleiben können. Das gilt insbesondere für Deformationen am Bauteil wie Torsion, Biegung und/oder Krümmung, welche unter Umständen im Kalibrierprozess nicht ausreichend erfasst werden können, sodass auch an finalen, kalibrierten Bauteilen eine ungewollte Torsion und/oder Biegung verbleibt. Dieser Effekt tritt verstärkt bei höher-/höchstfesten Werkstoffen auf, insbesondere wenn das Streckgrenzenverhältnis Re/Rm große Werte annimmt. Die bisherigen Konzepte sehen vor, eine Vorform zu erzeugen, welche im Wesentlichen der finalen Geometrie entspricht, wobei das Vorformwerkzeug mit seinen Wirkflächen im Wesentlichen an die Wirkflächen des Kalibrierwerkzeug ausgelegt wird.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen, mit welchem bzw. welcher eine finale Bauteilgeometrie erzeugt werden kann, welche möglichst geringe bis keine Abweichung zur finalen Bauteilgeometrie (Sollgeometrie) aufweist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Gemäß der Lehre des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils mindestens zwei Schritte umfasst: Vorformen eines Blechs zu einer Blechvorform aufweisend im Querschnitt einen Boden, mindestens eine Zarge, mindestens einen Übergang zwischen Boden und Zarge, optional zumindest bereichsweise einen Flansch und optional zumindest bereichsweise einen Übergang zwischen Zarge und Flansch in einem Vorformwerkzeug, welches mit seinen Wirkflächen auf das Blech einwirkt, wobei die resultierende Blechvorform zumindest bereichsweise überschüssiges Blechmaterial aufweist; und Fertigformen der Blechvorform zu einem Blechbauteil in einem Kalibrierwerkzeug, welches mit seinen Wirkflächen auf die Blechvorform einwirkt und in welchem das überschüssige Blechmaterial im Wesentlichen in der Blechebene gestaucht wird, und damit insbesondere die Blechdicke zumindest bereichsweise zunimmt. Dazu sind die Wirkflächen des Vorformwerkzeugs der zu erzeugenden Blechvorform im Vergleich zu den Wirkflächen des Kalibrierwerkzeugs des zu erzeugenden Blechbauteils derart eingerichtet, dass beim Vergleich von Vorformwerkzeug und Kalibrierwerkzeug bei Betrachtung des Differenzwinkels zwischen den bezogen auf die jeweilige Querschnittsform beiden gleich orientierten Hauptträgheitsachsen durch die Schwerpunkte von zwei parallelen Querschnittflächen im Abstand von 100 mm des von den jeweiligen Wirkflächen eingeschlossenen Werkzeugspalts ein Torsionswinkelunterschied von mindestens 0,2° eingestellt wird.
  • Diese Methode ist im Stand der Technik als "klassische Kompensation der Rückfederung" bekannt, jedoch zur Herstellung von finalen Bauteilgeometrien in einem einstufigen Umformprozess, vgl. beispielsweise EP 3 771 502 A1 , sodass weitere Maßnahmen in Form eines weiteren Prozesses, dem Kalibrierprozess, nicht mehr erforderlich sind. Der erfindungsgemäße Prozess ist mindestens zweistufig in mindestens zwei Werkzeugen ausgelegt.
  • Es wurde festgestellt, dass eine finale Bauteilgeometrie erzeugt werden kann, welche möglichst geringe bis keine Abweichung zur finalen Bauteilgeometrie (Sollgeometrie) aufweist, insbesondere wenn bereits eine Blechvorform erzeugt wird, die auch schon möglichst geringe bis keine Abweichung zur finalen Bauteilgeometrie aufweist. Aus dem Stand der Technik ist allgemein bekannt, dass es grundsätzlich vorteilhaft ist, wenn die Blechvorformgeometrie derart hergestellt wird, dass sie der finalen Bauteilgeometrie, welche im Kalibrierwerkzeug eingestellt wird, möglichst gut entspricht. Insbesondere die rückfederungsbedingte Krümmung der Zargen sollte bereits in der Vorform im Rahmen der Möglichkeiten innerhalb des Verfahrens, welches beispielsweise durch eine verminderte Materialflusssteuerung geprägt ist, vermieden werden.
  • Durch den erfindungsgemäßen Ansatz wird eine Deformation (Torsion/Verdrehung und/oder Biegung) der rückgefederten Blechvorform gegenüber der finalen Bauteilgeometrie durch geeignete Gestaltung der Wirkflächen der Blechvorform vermieden, sodass je besser die rückgefederte Blechvorform dem finalen Blechbauteil entspricht, desto maßhaltiger das Ergebnis nach dem Kalibrieren ausfallen wird und desto einfacher die Prozessführung insbesondere im Kalibrierwerkzeug aber auch in eventuell weiteren vorgesehenen Folgeprozessen sein kann.
  • Der Torsionswinkelunterschied ist somit das Winkelinkrement beim Vergleich von Vorformwerkzeug und Kalibrierwerkzeug bei Betrachtung des Differenzwinkels zwischen den bezogen auf die jeweilige Querschnittsform gleich orientierten Hauptträgheitsachsen durch die Schwerpunkte von zwei parallelen Querschnittsflächen im Abstand von 100 mm des von den jeweiligen Wirkflächen eingeschlossenen Werkzeugspalts und beträgt mindestens 0,2°, insbesondere mindestens 0,5°, vorzugsweise mindestens 0,7°, bevorzugt mindestens 1°, weiter bevorzugt mindestens 2° und weiter bevorzugt mindestens 3°.
  • So ist die klassische Kompensation der Rückfederung strikt an geometrische Freiheiten gebunden, welche bereits in der Gestaltung der finalen Blechbauteilgeometrie berücksichtigt werden müssen. Unter anderem werden aus diesem Grund insbesondere Blechbauteile mit hutförmigen Querschnitten (Boden-Zargen-Flansche) mit einer so genannten Zargenöffnung versehen. Abhängig vom Zargenöffnungswinkel, der üblicherweise in einem Bereich von 3 bis 8° liegt, besteht dann die eingeschränkte Möglichkeit, die zu erwartende Rückfederung insbesondere der Zargen im Werkzeug in entgegengesetzter Richtung abzubilden. Dadurch sollen dann Blechbauteile hergestellt werden, die nach Rückfederung die erforderliche Maßhaltigkeit aufweisen. Der Zargenöffnungswinkel des finalen Blechbauteils bestimmt das maximale Maß einer möglichen Kompensation im Werkzeug, da nur Wirkflächen ohne Hinterschneidung in Arbeitsrichtung zur Anwendung kommen dürfen. Sollte der verfügbare Raum zur Kompensation nicht ausreichen, so ist die finale Blechbauteilgeometrie anzupassen oder aber im Nachgang eine beispielsweise mit quer zur Arbeitsrichtung der Presse wirkenden Elementen das betreffende Blechbauteil mit großem Aufwand nachzurichten. Diese Maßnahmen sind durch den erfindungsgemäßen Prozess somit hinfällig.
  • Kumulativ oder alternativ sind die Wirkflächen des Vorformwerkzeugs im Vergleich zu den Wirkflächen des Kalibrierwerkzeugs dazu eingerichtet, dass in der zu erzeugenden Blechvorform vor Rückfederung im Vergleich zu dem zu erzeugenden Blechbauteil zumindest bereichsweise eine Krümmung in Längserstreckung der Blechvorform vor Rückfederung eingestellt wird, die um mindestens 1%, insbesondere um mindestens 2%, vorzugsweise um mindestens 5%, bevorzugt um mindestens 7%, besonders bevorzugt um mindestens 9% von der veränderlichen Krümmung in Längserstreckung des zu erzeugenden Blechbauteils abweicht. Die veränderliche Krümmung eines Bauteils kann beschrieben werden als die Krümmung eines gedachten B-Splines, der durch die Schwerpunkte der lokalen Querschnitte, also die Schnittpunkte der Querschnitts-Hauptachsen, definiert ist. Wenn entlang der Hauptachse in Längserstreckung des Bauteils, z. B. jeweils alle 50 mm einen Schnitt durch Blechbauteil und Blechvorform erstellt wird, jeweils der Schwerpunkt der Querschnittlinien bestimmt und anschließend diese Schnittpunkte mittels B-Spline verbunden werden, können so die Krümmungslinien von Blechbauteil und (kompensierter) Blechvorform vor Rückfederung, somit die Wirkflächen des insbesondere kompensierten Vorformwerkzeugs, erhalten werden. Weicht nun die Krümmung der (kompensierten) Blechvorform vor Rückfederung beispielsweise um mehr als 5% von der Krümmung des zu erzeugenden Blechbauteils an gleicher Stelle bzw. in gleichem Bereich ab, so gilt die Blechvorform als kompensiert in Bezug auf die Krümmung des Blechbauteils in Längserstreckung. 5% Abweichung - das bedeutet, dass aus einem Bauteil-Krümmungsradius von z. B. 500 mm (Krümmung = 1/R) in der (kompensierten) Blechvorform vor Rückfederung ein Krümmungsradius von 475 mm werden müsste.
  • Die Herstellung der Blechvorform kann dabei mittels beliebig kombinierbarer Formgebungsverfahren in einem oder mehreren Schritten hergestellt werden. Das Vorformen kann beispielsweise einen tiefziehartigen Formgebungsschritt umfassen. Insbesondere kann auch eine mehrstufige Formgebung, umfassend beispielsweise ein Prägen des zu erstellenden Bodens und Hochstellen der zu erstellenden Zargen bzw. Abstellen der zu erstellenden Flansche, erfolgen. Denkbar sind auch beliebige Kombinationen aus Abkanten und/oder Biegen und/oder (Ver-) Prägen. Das zum Vorformen beispielsweise durchgeführte Tiefziehen kann insbesondere einstufig oder mehrstufig ausgeführt werden. Vorzugsweise kann eine Umformung ohne aktive Materialflusssteuerung zur Herstellung der Blechvorform ausgeführt werden.
  • Unter dem Stauchen/Kalibrieren wird ein Fertigformen der Blechvorform verstanden, welches beispielsweise durch einen oder mehrere Pressvorgänge erreicht werden kann. In der erzeugten Blechvorform wird zumindest bereichsweise überschüssiges Blechmaterial vorgesehen. Das überschüssige Blechmaterial weist in der Blechvorform zumindest bereichsweise im Querschnitt eine abgewickelte Länge auf, welche zwischen 0,5% bis 6% länger ist in Bezug auf die abgewickelte Länge des fertiggeformten Blechbauteils (Sollgeometrie). Die abgewickelte Länge der so betrachteten Querschnitte der Blechvorform ist dabei insbesondere zwischen 0,7% bis 4,3% länger als die des fertiggeformten Blechbauteils. Sollte infolge der Prozessführung bei der Herstellung der Blechvorform die abgewickelte Länge der Querschnitte zu stark variieren, so würde bei einer zu kurzen abgewickelten Länge nicht genügend überschüssiges Blechmaterial für den nachfolgenden Kalibrierprozess bereitstehen, womit die Maßhaltigkeit des finalen Bauteils beeinträchtigt werden würde. Sollte die abgewickelte Länge des betrachteten Querschnitts der Blechvorform dagegen zu groß sein, so würde während des nachfolgenden Kalibrierprozesses das damit überdimensionierte Blechmaterial zu Wellen kollabieren, was einen optischen und/oder maßlichen Mangel bedeuten kann. Zusätzlich bestünde eine erhöhte Gefahr einer Werkzeugbeschädigung durch zu hohe Stauchkräfte oder überstehende, eingequetschte Bauteilbereiche, wie zum Beispiel Blechkanten.
  • Das im Wesentlichen fertiggeformte Blechbauteil kann insofern als endgeformtes Blechbauteil verstanden werden. Allerdings ist es möglich, dass das fertiggeformte Blechbauteil noch weiteren, das Blechbauteil modifizierenden Verarbeitungsschritten unterzogen werden kann, wie etwa einem Einbringen von Anbindungslöchern und/oder einem geringen Final-Beschnitt. Allerdings wird angestrebt, die Kalibrierform derart zu gestalten, dass neben eventuell erforderlichen Nachform-Operationen wie dem Abstellen von Flanschen oder einem nachgelagerten Einbringen von Verprägungen keine weiteren Umformungsschritte mehr notwendig sind. Durch das Stauchen des zumindest bereichsweisen überschüssigen Blechmaterials in der Blechebene erfolgt eine Druckspannungsüberlagerung innerhalb des Blechmaterials und es wird eine Homogenisierung des inhomogenen Eigenspannungszustands erzeugt, mit welcher eine hohe Maßhaltigkeit des derart kalibrierten Blechbauteils eingestellt werden kann.
  • Die erzeugte Blechvorform wie auch das fertiggeformte Blechbauteil haben im Wesentlichen eine Längserstreckung und eine Quererstreckung, wobei bei den meisten Blechbauteilen die Längserstreckung von der Dimensionierung her größer ist als die Quererstreckung. So bedeutet Querschnitt einen Schnitt durch die Quererstreckung der Blechvorform/des Blechbauteils.
  • Unter Flansch ist mindestens auf einer Seite des Blechbauteils ein zumindest bereichsweise vorgesehener Flanschabschnitt in Längserstreckung und/oder Quererstreckung vorgesehen, insbesondere auf beiden Seiten des Blechbauteils, welcher beispielsweise zur Anbindung mit weiteren Bauteilen dient und auch als Fügeflansch bezeichnet wird. Die Zarge ist mindestens auf einer Seite des Blechbauteils in Längserstreckung vorgesehen, insbesondere auf beiden Seiten des Blechbauteils, wobei das Blechbauteil ein beispielsweise im Wesentlichen hutprofilartigen Querschnitt aufweist, mit jeweils einer Zarge auf beiden Seiten, wobei die Zargen identisch aber auch mit unterschiedlichen Tiefen, insbesondere im Verlauf ihrer Längserstreckung ausgeführt sein können. Zwischen Flansch und Zargen ist integral ein Übergangsbereich vorhanden. Der Boden ist integral mit der Zarge über einen weiteren Übergangsbereich ausgebildet und muss je nach Komplexität des zu erzeugenden Blechbauteils nicht auf eine Ebene beschränkt sein, sondern kann in Längs- und/oder Quererstreckung auch bereichsweise auf unterschiedlichen Ebenen vorgesehen sein. Die Übergänge zwischen den einzelnen Ebenen im Bodenbereich können stufenweise oder geschwungen ausgeführt sein, insbesondere kann von einer sogenannten gekröpften Ausführung gesprochen werden. Das Blechbauteil kann auch andere als in Längserstreckung bzw. längsaxiale Formen aufweisen, beispielsweise kann es bogenförmig, C- oder L-förmig ausgebildet sein.
  • Im Gegensatz zu der klassischen Kompensation der Rückfederung und an die finale Bauteilgeometrie gebundenen Kompensation der Werkzeugwirkflächen besteht bei der Kompensation der Vorform die Möglichkeit, den Zargenöffnungswinkel der Blechvorform gegenüber der finalen Bauteilgeometrie zu vergrößern, um dadurch mehr Freiraum für erforderliche Kompensationsmaßnahmen ohne Hinterschnitt zu erreichen. Ein vergrößerter Zargenöffnungswinkel der Blechvorform lässt sich im Kalibrierwerkzeug problemlos verarbeiten, insbesondere wieder verkleinern, wenn nötig auf 0°, und hat dabei kaum Einfluss auf die Maßhaltigkeit der finalen Bauteilgeometrie. Dagegen lassen sich bei (auch lokaler) Anpassung der Zargenöffnung insbesondere für stark tordierte Blechvorformen sehr gute Ergebnisse im anschließenden Kalibrierwerkzeug erreichen. So können vorteilhaft gemäß einer Ausführung des Verfahrens die Wirkflächen des Vorformwerkzeugs im Vergleich zu den Wirkflächen des Kalibrierwerkzeugs dazu eingerichtet sein, dass in der zu erzeugenden Blechvorform im Vergleich zu dem zu erzeugenden Blechbauteil ein Zargenöffnungswinkelunterschied von mindestens 0,5°, insbesondere mindestens 1°, vorzugsweise mindestens 3°, bevorzugt mindestens 5°, besonders bevorzugt mindestens 8°, weiter bevorzugt mindestens 10° an gleicher Stelle eingestellt wird.
  • Der Zargenöffnungswinkel ist dabei der Winkel, um den die Bauteilzarge bezogen auf die Wirkrichtung des Pressenstößels um eine in Längsrichtung des Blechbauteils orientierte Achse im Übergangsbereich zwischen Zarge und Bauteilboden maximal nach innen rotiert werden kann, bevor sich eine Hinterschneidung im Werkzeug ergibt.
  • Der Zargenöffnungswinkelunterschied ist die Differenz des lokalen Zargenöffnungswinkels der Blechvorform, insbesondere der kompensierten Blechvorform bzw. des kompensierten Vorformwerkzeugs, und dem lokalen Zargenöffnungswinkel des Blechbauteils an gleicher Stelle respektive im selben Querschnitt. Insbesondere liegen somit die betrachteten Querschnitte respektive Querschnittsflächen der Blechvorform und des Blechbauteils in derselben Ebene.
  • Gemäß einer Ausführung des Verfahrens wird ein Stahlblech mit einer Streckgrenze Re von mindestens 400 MPa verwendet. Je höher die Streckgrenze des Stahlblechs ist, umso ungünstiger fällt die Rückfederung und/oder Torsion der Blechvorform aus, sodass eine sichere Prozessführung im Kalibrierwerkzeug nicht mehr sichergestellt werden kann. Die Streckgrenze kann insbesondere mindestens 500 MPa, vorzugsweise mindestens 600 MPa, bevorzugt mindestens 700 MPa betragen.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung gelöst, mit mindestens einem Vorformwerkzeug zum Vorformen eines Blechs zu einer Blechvorform aufweisend im Querschnitt einen Boden, mindestens eine Zarge, mindestens einen Übergang zwischen Boden und Zarge, optional zumindest bereichsweise einen Flansch und optional zumindest bereichsweise einen Übergang zwischen Zarge und Flansch, welches mit seinen Wirkflächen auf das Blech einwirkt, wobei die Blechvorform zumindest bereichsweise überschüssiges Blechmaterial aufweist; und mit mindestens einem Kalibrierwerkzeug zum Stauchen der Blechvorform zu einem Blechbauteil, welches mit seinen Wirkflächen auf die Blechvorform einwirkt und in welchem das überschüssige Blechmaterial in der Blechebene gestaucht wird, wobei die Wirkflächen des Vorformwerkzeugs der zu erzeugenden Blechvorform im Vergleich zu den Wirkflächen des Kalibrierwerkzeugs des zu erzeugenden Blechbauteils derart eingerichtet sind, dass beim Vergleich von Vorformwerkzeug und Kalibrierwerkzeug bei Betrachtung des Differenzwinkels zwischen den bezogen auf die jeweilige Querschnittsform beiden gleich orientierten Hauptträgheitsachsen durch die Schwerpunkte von zwei parallelen Querschnittflächen im Abstand von 100 mm des von den jeweiligen Wirkflächen eingeschlossenen Werkzeugspalts ein Torsionswinkelunterschied von mindestens 0,2° eingestellt ist, oder die Wirkflächen des Vorformwerkzeugs im Vergleich zu den Wirkflächen des Kalibrierwerkzeugs dazu eingerichtet sind, dass in der zu erzeugenden Blechvorform vor Rückfederung im Vergleich zu dem zu erzeugenden Blechbauteil zumindest bereichsweise eine Krümmung in Längserstreckung der Blechvorform vor Rückfederung eingestellt wird, die um mindestens 1% von der veränderlichen Krümmung in Längserstreckung des zu erzeugenden Blechbauteils abweicht.
  • Die Wirkflächen des Vorformwerkzeugs sind derart angepasst worden, dass die zu erwartenden Abweichungen der Blechvorform zur Sollgeometrie des Blechbauteils vorab in entgegengesetzter Richtung abgebildet werden. Insbesondere mit Hilfe einer FE-Simulation kann vorhergesagt werden, dass sich eine rückgefederte Blechvorform um X° um die Hauptachse in Längserstreckung deformiert (in sich selbst verdreht/tordiert), sodass die Wirkflächen des Vorformwerkzeugs korrigiert und derart angepasst werden, dass die Blechvorform vorab in entgegengesetzter Richtung um einen in etwa adäquaten Betrag gewollt tordiert wird. Dadurch wird erreicht, dass die rückgefederte Blechvorform nach Entlastung im Wesentlichen der erforderlichen Sollgeometrie des zu erzeugenden Blechbauteils entspricht und die so hergestellten Blechvorformen sicher in das Kalibrierwerkzeug eingelegt sowie das Kalibrierergebnis verbessert werden können.
  • Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren hingewiesen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Wirkflächen des Vorformwerkzeugs im Vergleich zu den Wirkflächen des Kalibrierwerkzeugs derart eingerichtet, dass in der zu erzeugenden Blechvorform im Vergleich zu dem zu erzeugenden Blechbauteil ein Zargenöffnungswinkelunterschied von mindestens 0,5° an gleicher Stelle eingestellt wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung ein Kalibrierwerkzeug mit einem Kalibrierstempel, einem Kalibriergesenk und einem Element oder optional mehrere Elemente, wobei das Element im Kalibriergesenk angeordnet und relativ zum Kalibriergesenk bewegbar ist. Die Kontur des Kalibrierstempels und des Kalibriergesenks entspricht im Wesentlichen dem Boden, der Zarge und dem optionalen Flansch sowie der Übergangsbereiche zwischen Boden und Zarge und optional Zarge und Flansch der Sollgeometrie des Blechbauteils. Das Element, welches im Kalibriergesenk angeordnet ist, dient als dabei zum Positionieren der Blechvorform vor dem Stauchen/Kalibrieren der Blechvorform auf dem Kalibrierstempel. Alternativ kann das Kalibrierwerkzeug einen Kalibrierstempel, ein Kalibriergesenk und ein Element oder optional mehrere Elemente umfassen, wobei das Element im Kalibrierstempel angeordnet ist und relativ zum Kalibrierstempel bewegbar ist.
  • Ist beispielsweise ein finales Blechbauteil mit einem in Pressenlage nach unten geöffneten Profi zu erzeugen, sind der Kalibrierstempel unten und das Kalibriergesenk oben in dem Kalibrierwerkzeug angeordnet und relativ zueinander bewegbar. Das Element ist im Kalibriergesenk angeordnet, bewegt sich insbesondere per Stößelhub, also zusammen mit dem Kalibriergesenk in Richtung Kalibrierstempel, drückt dabei die Blechvorform nach unten und positioniert sie kraftschlüssig beispielsweise per Feder, Keiltreiber, Hydraulik oder Pneumatik auf dem Kalibrierstempel. Im Zuge des weiteren Stößelhubs kommt es zu einer Relativbewegung zwischen Kalibiergesenk und Element, bis das Element schließlich im unteren Totpunkt bündig im Kalibriergesenk eingefahren ist.
  • Ist alternativ ein finales Blechbauteil mit einem in Pressenlage nach oben geöffneten Profi zu erzeugen, sind der Kalibrierstempel oben und das Kalibriergesenk unten in dem Kalibrierwerkzeug angeordnet und relativ zueinander bewegbar. Das Element ist im Kalibrierstempel angeordnet, bewegt sich insbesondere per Stößelhub, also zusammen mit dem Kalibrierstempel in Richtung Kalibriergesenk, drückt dabei die Blechvorform nach unten und positioniert sie kraftschlüssig beispielsweise per Feder, Keiltreiber, Hydraulik oder Pneumatik in dem Kalibriergesenk. Im Zuge des weiteren Stößelhubs kommt es zu einer Relativbewegung zwischen Kalibierstempel und Element, bis das Element schließlich im unteren Totpunkt bündig im Kalibrierstempel eingefahren ist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung wird das im Kalibriergesenk angeordnete Element oder optional mehrere Elemente zum Beispiel über den Stößelhub und/oder zusätzliche Steuereinheiten, die zum Beispiel mittels Federn, Keiltreibern, Hydraulik oder Pneumatik angetrieben sein können, derart gesteuert bewegt, dass sich während des Schließens des Kalibrierwerkzeugs ein definierter Abstand zwischen Element und Kalibrierstempel ergibt, welcher nicht unterschritten wird, bis das Element vollständig bündig im Kalibriergesenk eingefahren ist. Dieser definierte Abstand ist vorzugsweise so gewählt, dass während des Schließens des Kalibriergesenks im Bereich des Elements keine unzulässig große Kraft auf das zu kalibrierende Blechbauteil wirkt und zum Beispiel die Oberfläche des fertig geformten Bauteils durch das Element nicht unzulässig beschädigt wird und/ oder der Kalibrierprozess nicht unzulässig behindert wird und/ oder der beispielsweise im Boden eingebrachte Materialüberschuss unzulässig deformiert wird. Ist das Element während des Stößelhubs bündig in das Kalibriergesenk eingefahren, kann so keine weitere Relativbewegung zwischen Element und Kalibriergesenk erfolgen, womit das Element zusammen mit dem Kalibriergesenk eine geschlossene Wirkfläche ohne Absatz bilden. Insbesondere schließt das Element während des Schließens vor dem Erreichen der unteren Endposition im Wesentlichen bündig mit der Wirkfläche des Kalibriergesenks ab.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung ein Kalibrierwerkzeug mit einem auf dem Pressentisch angebrachten Kalibrierstempel, einem am Pressenstößel angebrachten Kalibriergesenk und einem vorstehenden Element oder optional mehreren vorstehenden Elementen, wobei das vorstehende Element im Kalibrierstempel angeordnet und relativ zum Kalibrierstempel bewegbar ist. Die Kontur des Kalibrierstempels und des Kalibriergesenks entspricht im Wesentlichen dem Boden, der Zarge und dem optionalen Flansch sowie der Übergangsbereiche zwischen Boden und Zarge und optional zwischen Zarge und Flansch der Sollgeometrie des Blechbauteils. Das vorstehende Element, welches im Kalibrierstempel angeordnet ist, dient dabei zum Positionieren der Blechvorform vor dem Stauchen/Kalibrieren der Blechvorform auf dem Kalibrierstempel in einer vordefinierten Höhenlage. Das vorstehende Element kann beispielsweise bis zu 30 mm, insbesondere bis zu 15 mm oder vorzugsweise bis zu 5 mm aus dem Kalibrierstempel hervorstehen, jedoch > 0 mm. Eine Positionierung in einer definierten Höhenlage kann sich vorteilhaft auf die Lage der Blechvorform beim Schließen des Kalibrierwerkzeugs auswirken und zum Beispiel in Einklemmen der Blechvorform zwischen beweglichen Teilen des Kalibriergesenks wie zum Beispiel bei einem Vorsehen von seitlichen Schiebern verhindern. Alternativ kann das Kalibrierwerkzeug einen Kalibrierstempel, ein Kalibriergesenk und ein vorstehendes Element oder optional mehrere vorstehende Elemente umfassen, wobei das vorstehende Element im Kalibriergesenk angeordnet ist und relativ zum Kalibriergesenk bewegbar ist.
  • Ist beispielsweise das Blechbauteil als ein in Pressenlage nach unten geöffnetes Profil zu erzeugen, sind der Kalibrierstempel unten und das Kalibriergesenk oben in dem Kalibrierwerkzeug angeordnet und relativ zueinander bewegbar. Das Element ist vorstehend im Kalibrierstempel angeordnet und positioniert die eingelegte Blechvorform in einer definierten Höhenlage kraftschlüssig zum Beispiel mittels Federn, Keiltreibern, Hydraulik oder Pneumatik über dem Kalibrierstempel. Beim Schließen des oberhalb vom Kalibrierstempel angeordneten Kalibriergesenks im Zuge des fortschreitenden Stößelhubs kommt es zu einer Relativbewegung zwischen Kalibierstempel und Element, bis das Element schließlich im unteren Totpunkt bündig im Kalibrierstempel eingefahren ist. Das vormals vorstehende Element ist vorzugsweise in seiner untersten Lage derart im Kalibrierstempel angeordnet, dass sich eine geschlossene Wirkfläche ohne Absatz ergibt und Element und Kalibrierstempel im Wesentlichen der Geometrie des zu erzeigenden Blechbauteils entspricht.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung kann das mittels Feder Hydraulik oder Pneumatik im Kalibrierstempel angeordnete, über die Wirkfläche des Kalibrierstempels vorstehende Element zum Beispiel über den Stößelhub oder andere Steuereinheiten, die zum Beispiel mittels Federn, Keiltreibern, Hydraulik oder Pneumatik angetrieben sein können, derart gesteuert bewegt werden, dass das vorstehende Element bereits vor dem Erreichen des Unteren Totpunkts des Pressenhubs vorzugsweise bündig im Kalibrierstempel versenkt ist. Dadurch kann erreicht werden, dass während des eigentlichen Kalibrierprozesses die Oberfläche des fertig geformten Blechbauteils durch das vorstehende Element nicht unzulässig beschädigt wird und/ oder der Kalibrierprozess nicht unzulässig behindert wird und/ oder der beispielsweise im Boden eingebrachte Materialüberschuss unzulässig deformiert wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung werden das vorstehende Element oder optional die vorstehenden Elemente im Kalibrierstempel mit einem voreilenden oder optional mehreren voreilenden Elementen im Kalibriergesenk kombiniert.
  • Die Anordnung von einem vorstehenden Element oder optional vorstehenden Elementen kann sinngemäß für ein in Pressenlage nach oben geöffnetes Blechbauteil auch im Kalibriergesenk erfolgen. Die Kombination von einem vorstehenden Element oder optional mehreren vorstehenden Elementen im Kalibriergesenk kann sinngemäß mit einem voreilenden Element oder optional mit mehreren voreilenden Elementen im Kalibrierstempel erfolgen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Vorrichtung in einer Pressenlinie oder Transfer-Presse integriert. Insbesondere bei der Herstellung von Massenprodukten, beispielsweise für Produkte in der Fahrzeugindustrie, werden Produkte wie Blechbauteile insbesondere wirtschaftlich in Pressenlinien oder Transfer-Pressen hergestellt. Die Vorrichtung kann in Form von Wechseleinsätzen, die mindestens ein Vorformwerkzeug und mindestens ein Kalibrierwerkzeug vorsehen, wirtschaftlich in bestehende Fertigungsstraßen eingesetzt werden. Auch die Verwendung der Vorrichtung in Folgeverbund-Pressen ist denkbar.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:
    • Fig. 1
    eine Abfolge zur Herstellung eines Blechbauteils gemäß einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung, und
    Fig. 2
    eine perspektivische Darstellung einer Simulation einer Blechvorform und eines daraus resultierenden Blechbauteils.
    Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Invention)
  • In Figur 1 ist schematisch in einer Schnittdarstellung eine Abfolge einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens respektive einer Vorrichtung (100) gezeigt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils (3) umfasst mindestens zwei Schritte. Zum einen umfasst das Verfahren ein Vorformen eines Blechs (1) zu einer Blechvorform (2) aufweisend im Querschnitt (Q, Q1.1, Q1.2) einen Boden (2.1), mindestens eine Zarge (2.2), mindestens einen Übergang (2.4) zwischen Boden (2.1) und Zarge (2.2), optional zumindest bereichsweise einen Flansch (2.3) und optional zumindest bereichsweise einen Übergang (2.5) zwischen Zarge (2.2) und Flansch (2.3) in einem Vorformwerkzeug (10), welches mit seinen Wirkflächen (10.1, 10.2) auf das Blech (1) einwirkt, wobei die Blechvorform (2) zumindest bereichsweise überschüssiges Blechmaterial (4) aufweist. Zum anderen umfasst das Verfahren ein Fertigformen der Blechvorform (2) zu einem Blechbauteil (3) in einem Kalibrierwerkzeug (20), welches mit seinen Wirkflächen (20.1, 20.2) auf die Blechvorform (2) einwirkt und in welchem das überschüssige Blechmaterial (4) in der Blechebene (E) gestaucht wird.
  • Die gezeigten Schnittdarstellungen des Vorformwerkzeugs (10) und Kalibrierwerkzeugs (20) beziehen sich in diesem Beispiel auf einen Schnitt im Bereich eines Blechvorformendes respektive Blechbauteilendes. Die Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) der zu erzeugenden Blechvorform (2) sind im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) des zu erzeugenden Blechbauteils (3) derart eingerichtet, dass beim Vergleich von Vorformwerkzeug (10) und Kalibrierwerkzeug (20) bei Betrachtung des Differenzwinkels zwischen den bezogen auf die jeweilige Querschnittsform beiden gleich orientierten Hauptträgheitsachsen (A2, A3) durch die Schwerpunkte von zwei parallelen Querschnittflächen (Q1.1, Q1.2, Q2.1, Q2.2) im Abstand von 100 mm ein Torsionswinkelunterschied (tdiff) von mindestens 0,2° eingestellt wird.
  • Kumulativ oder alternativ (hier nicht dargestellt) können die Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) dazu eingerichtet sein, dass in der zu erzeugenden Blechvorform (2) im Vergleich zu dem zu erzeugenden Blechbauteil (3) zumindest bereichsweise eine Krümmung in Längserstreckung der Blechvorform (2) eingestellt wird, die um mindestens 1% von der Krümmung in Längserstreckung des zu erzeugenden Blechbauteils (3) abweicht.
  • Des Weiteren können die Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) dazu eingerichtet sein, dass in der zu erzeugenden Blechvorform (2) im Vergleich zu dem zu erzeugenden Blechbauteil (3) ein Zargenöffnungswinkelunterschied (zdiff) von mindestens 0,5° an der gleichen Stelle eingestellt wird.
  • Ein ebenes Blech (1) wird beispielsweise als definierter Zuschnitt oder Formplatine aus einem nicht dargestellten Metallbund/-coil abgewickelt und abgelängt, und dem weiteren Verfahren zur Verfügung gestellt. Bevorzugt ist das Blech (1) aus einem Stahlwerkstoff hergestellt, vorzugsweise aus einem höherfesten Stahlwerkstoff, beispielsweise mit einer Materialdicke zwischen 0,5 und 4 mm. Alternativ können auch Aluminiumwerkstoffe oder andere Metalle verwendet werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Blech (1) mit gängigen Verfahren zuerst derart vorgeformt wird, dass die Geometrie der Blechvorform (2) mit einem überschüssigen Blechmaterial (4) für den weiteren Prozess bereitgestellt wird. Die Blechvorform (2) kann beispielsweise mittels Crash-Forming oder alternativ mittels Tiefziehen mit distanziertem Blechhalter oder alternativ mittels Tiefziehen vorgeformt werden. Die Blechvorform (2) wird beispielsweise in einem Vorformwerkzeug (10) hergestellt, wobei das ebene Blech (1) in das geöffnete Vorformwerkzeug (10) mit geeigneten und hier nicht dargestellten Mitteln eingelegt wird, und in welchem die Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) auf das Blech (1) einwirken. Durch das in der Blechvorform (2) zumindest bereichsweise bereitgestellte überschüssige Blechmaterial (4) während der Herstellung der Blechvorform (2) wird das für das Stauchen/Kalibrieren notwendige überschüssige Blechmaterial (4), insbesondere im Boden (2.1) der Blechvorform (2), beispielsweise in Form von eingebrachten Wellen, Verprägungen, Ausbauchungen, Wölbungen, und/oder insbesondere in den Zargen (2.2) und/oder in den optionalen Flanschen (2.3) der Blechvorform (2), beispielsweise durch Verlängerung selbiger, in dem Vorformwerkzeug (10) berücksichtigt. Die Herstellung der Blechvorform (2) ist nicht auf ein Vorformwerkzeug (10) beschränkt, sondern kann je nach Komplexität des zu erzeugenden Blechbauteils (3) in zwei oder mehreren Stufen respektive Vorformwerkzeugen erfolgen (hier nicht dargestellt). Die Gestaltung der Blechvorform (2) ist von einer Flexibilität geprägt und bietet durch geometrische Freiheiten viele Möglichkeiten zur Erreichung einer geeigneten Blechvorform (2). Diese Blechvorform (2) sollte geometrisch möglichst nah an der Endgeometrie des Blechbauteils (3) orientiert sein.
  • Nach dem Vorformen wird die Blechvorform (2) aus dem Vorformwerkzeug (10) entnommen, welche eine Rückfederung und/oder Torsion infolge eines inhomogenen, eingebrachten Spannungszustandes in der Blechvorform (2) aufweist. Bei der Gestaltung des Vorformwerkzeugs (10) sind Kompensationsmaßnahmen in Form von geänderten Wirkflächen (10.1, 10.2) im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) getroffen worden, um eine Blechvorform (2) zu erhalten, die der Sollgeometrie des Blechbauteils (3) möglichst nahekommt. Schwankungen in der Rückfederung und/oder Torsion werden im Kalibrierwerkzeug (20) ausgeglichen, so dass hier keine aufwändigen Korrekturschleifen erforderlich sind. Gleiches gilt für Schwankungen, die sich aus Chargenwechsel und/oder Abnutzung der Vorformwerkzeuge und/oder den tribologischen Eigenschaften von Werkzeugen und Material ergeben können. Die Blechvorform (2) weist zumindest bereichsweise im Querschnitt (Q) eine abgewickelte Länge auf, welche zwischen 0,5% bis 6% länger ist in Bezug auf die abgewickelte Länge des Blechbauteils (3).
  • Die Blechvorform (2) wird aus dem Vorformwerkzeug (10) entnommen und weist immer noch eine von diversen Einflussgrößen verursachte Abweichung von ihrer Sollgeometrie auf. Die Blechvorform (2) wird in ein Kalibrierwerkzeug (20) eingelegt, welches einen Kalibrierstempel (21) und ein Kalibriergesenk (22) umfasst. Des Weiteren kann das Kalibrierwerkzeug (20) ein Element (23) umfassen, welches im Kalibriergesenk (22) angeordnet und relativ zum Kalibriergesenk (22) bewegbar ist. Vor dem Schließen des Kalibrierwerkzeugs (20) wird zunächst die eingelegte Blechvorform (2) zwischen Element (23) und Kalibrierstempel (21) fixiert bzw. positionssicher geklemmt. Im Zuge des Schließens wirken die Wirkflächen (20. 1, 20.2) auf die Blechvorform (2) und mittels Druckspannungsüberlagerung wird das überschüssige Blechmaterial (4) in der Blechebene (E) gestaucht, so dass die Blechvorform (2) zu einem im Wesentlichen der Sollgeometrie entsprechenden Blechbauteil (3) fertiggeformt wird. Die Druckspannungsüberlagerung respektive das Stauchen in der Blechebene (E) erfolgt über ein Einwirken auf das überschüssige Material in der Blechvorform (2) in Form beispielsweise von geradlinig oder wellenförmig verlängerten Bauteilquerschnittsegmenten bei gleichzeitiger Sperrung der Blechvorform über deren Kanten im Querschnitt (Q). Dies geschieht beispielsweise durch die Absperrung (21.1) im Kalibrierstempel (21). Insbesondere können auch nicht dargestellte Schieber zur Absperrung der Kanten der Blechvorform im Kalibrierwerkzeug angeordnet sein.
  • Der Torsionswinkelunterschied (tdiff) entspricht somit dem Winkelinkrement des Differenzwinkels zwischen den bezogen auf die Querschnittsform gleich orientierten Hauptträgheitsachsen (A2, A3) der Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) der zu erzeugenden Blechvorform (2) im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) des zu erzeugenden Blechbauteils (3) zwischen den bezogen auf den Querschnitt gleich orientierten Hauptträgheitsachsen (A2, A3) der Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) in zwei parallelen Querschnitten (Q1.1, Q1.2, Q2.1, Q2.2) im Abstand von 100 mm. Die Querschnitte (Q1.1, Q2.1) und (Q1.2, Q2.2) sind beispielsweise deckungsgleich, d. h. sie werden jeweils an der gleichen Stelle an der Blechvorform (2) und an dem Blechbauteil (3) respektive im Vorformwerkzeug (10) und Kalibrierwerkzeug (20) festgelegt. Die Hauptträgheitsachsen (A2, A3) können beispielsweise deckungsgleich sein.
  • Ein Blechbauteil (3) aus einem Stahlwerkstoff mit einer Streckgrenze von 440 MPa und einer Dicke von 1,5 mm wurde zunächst methodisch im Rahmen einer FE-Simulation ausgelegt und anschließend werkzeugseitig umgesetzt. Höher- und höchstfeste Stahlwerkstoffe haben in der Vergangenheit gezeigt, dass die mittels der bisherigen Vorgehensweise erzeugten Blechvorformen aufgrund ihrer Neigung zu stark ausgeprägten ungewollten Rückfederungs- und/oder Torsionseffekten von der gewünschten Sollgeometrie derart abweichen, dass weder eine sichere Einlage in das Kalibrierwerkzeug noch ein befriedigendes Kalibrierergebnis erreicht werden können. Der Unterschied zwischen Blechvorform und Sollgeometrie betrifft dabei insbesondere eine zu große, rückfederungsbedingte Torsion der gesamten Blechvorform (2'). In Figur 2 ist mit dem Bezugszeichen (2') die Blechvorform gezeigt, die sich einstellen würde, wenn konventionell eine Blechvorform (2') aus einem höherfesten Stahlwerkstoff erzeugt werden würde. Am Blechvorform-Ende ist die Torsion an der konventionell hergestellten Blechvorform im Vergleich zu dem Blechbauteil-Ende des fertiggeformten Blechbauteils (3) sehr stark ausgeprägt und kann in den Folgeprozessen nicht mehr ausreichend reduziert bzw. nicht sicher weiterverarbeitet werden. Durch die Ausgestaltung der Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) der zu erzeugenden Blechvorform (2) im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) des zu erzeugenden Blechbauteils (3) mit einem zwischen den bezogen auf den Querschnitt gleich orientierten Hauptträgheitsachsen (A2, A3) der Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) in zwei parallelen Querschnitten (Q1.1, Q1.2, Q2.1, Q2.2) im Abstand von 100 mm eingestellten Torsionswinkelunterschied (tdiff) von mindestens 0,2° kann die ungewollte Rückfederung und/oder Torsion der Blechvorform (2) im Wesentlichen kompensiert werden. So kann beispielweise eine Gegentorsion zu der sich im Zuge der konventionell hergestellten Ausrichtung der Blechvorform (2') eingestellt und werkzeugseitig umgesetzt werden, so dass in der Ausführung gemäß Figur 2 ein Torsionswinkelunterschied (tdiff) von 5° eingestellt wird, um eine Blechvorform (2) vorzuformen, welche schon sehr nah der Sollgeometrie entspricht. Basierend auf FE-Simulationen wurde eine entsprechende Vorrichtung (100) werkzeugseitig umgesetzt und im Kalibrierwerkzeug (20) konnte die Blechvorform (2) zu einem Blechbauteil (3) mit hoher Prozesssicherheit fertiggeformt werden. Zusätzlich können auch die Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) dazu eingerichtet sein, dass in der zu erzeugenden Blechvorform (2) im Vergleich zu dem zu erzeugenden Blechbauteil (3) ein Zargenöffnungswinkelunterschied (zdiff) von mindestens 0,5° eingestellt wird. In Figur 2 wurde dieser Ansatz ebenfalls mit einem Zargenöffnungswinkelunterschied (zdiff) von 5° berücksichtigt, insbesondere um eine Hinterschneidung im Vorformwerkzeug (10) zu verhindern.
  • Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungen eingeschränkt. Andere Blechbauteilformen sind ebenfalls möglich und benötigen entsprechend angepasste Werkzeugkonturen. Neben flanschbehafteten Blechbauteilen können auch flanschlose Blechbauteile im Wesentlichen rückfederungsreduziert hergestellt werden. Insbesondere können die Werkzeuge (10, 20) als Wechselwerkzeuge ausgeführt sein und in einer Fertigungsstraße, insbesondere in einer Pressenlinie, Transfer-Presse oder Folgeverbund-Presse, eingesetzt werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils (3), wobei das Verfahren mindestens zwei Schritte umfasst:
    - Vorformen eines Blechs (1) zu einer Blechvorform (2) aufweisend im Querschnitt (Q) einen Boden (2.1), mindestens eine Zarge (2.2), mindestens einen Übergang (2.4) zwischen Boden (2.1) und Zarge (2.2), optional zumindest bereichsweise einen Flansch (2.3) und optional zumindest bereichsweise einen Übergang (2.5) zwischen Zarge (2.2) und Flansch (2.3) in einem Vorformwerkzeug (10), welches mit seinen Wirkflächen (10.1, 10.2) auf das Blech (1) einwirkt, wobei die Blechvorform (2) zumindest bereichsweise überschüssiges Blechmaterial (4) aufweist; und
    - Fertigformen der Blechvorform (2) zu einem Blechbauteil (3) in einem Kalibrierwerkzeug (20), welches mit seinen Wirkflächen (20.1, 20.2) auf die Blechvorform (2) einwirkt und in welchem das überschüssige Blechmaterial (4) in der Blechebene (E) gestaucht wird;
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) der zu erzeugenden Blechvorform (2) im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) des zu erzeugenden Blechbauteils (3) derart eingerichtet sind, dass beim Vergleich von Vorformwerkzeug (10) und Kalibrierwerkzeug (20) bei Betrachtung des Differenzwinkels zwischen den bezogen auf die jeweilige Querschnittsform beiden gleich orientierten Hauptträgheitsachsen (A2, A3) durch die Schwerpunkte von zwei parallelen Querschnittflächen (Q1.1, Q1.2, Q2.1, Q2.2) im Abstand von 100 mm des von den jeweiligen Wirkflächen (10.1, 10.2, 20.1, 20.2) eingeschlossenen Werkzeugspalts ein Torsionswinkelunterschied (tdiff) von mindestens 0,2° eingestellt wird, wobei der Torsionswinkelunterschied (tdiff) dem Winkelinkrement des Differenzwinkels zwischen den bezogen auf die Querschnittsform gleich orientierten Hauptträgheitsachsen (A2, A3) entspricht; und/oder
    - die Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) dazu eingerichtet sind, dass in der zu erzeugenden Blechvorform (2) im Vergleich zu dem zu erzeugenden Blechbauteil (3) zumindest bereichsweise eine Krümmung in Längserstreckung der Blechvorform (2) eingestellt wird, die um mindestens 1% von der Krümmung in Längserstreckung des zu erzeugenden Blechbauteils (3) abweicht, wobei die veränderliche Krümmung eines Bauteils als die Krümmung eines gedachten B-Splines, der durch die Schwerpunkte der lokalen Querschnitte, also die Schnittpunkte der Querschnitts-Hauptachsen, definiert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wirkflächen (10.1, 10.2) des Vorformwerkzeugs (10) im Vergleich zu den Wirkflächen (20.1, 20.2) des Kalibrierwerkzeugs (20) dazu eingerichtet sind, dass in der zu erzeugenden Blechvorform (2) im Vergleich zu dem zu erzeugenden Blechbauteil (3) ein Zargenöffnungswinkelunterschied (zdiff) von mindestens 0,5° an gleicher Stelle eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Stahlblech mit einer Streckgrenze Re von mindestens 400 MPa verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kalibrierwerkzeug (20) einen Kalibrierstempel (21), ein Kalibriegesenk (22) und ein Element (23) oder optional mehrere Elemente umfasst, wobei das Element (23) im Kalibriergesenk (22) angeordnet und relativ zum Kalibriergesenk (22) bewegt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Kalibrierstempel (21) unten und das Kalibriegesenk (22) oben im Kalibrierwerkzeug (20) angeordnet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kalibrierwerkzeug (20) einen Kalibrierstempel (21), ein Kalibriergesenk (22) und ein Element (23) oder optional mehrere Elemente umfasst, wobei das Element (23) im Kalibrierstempel (21) angeordnet und relativ zum Kalibrierstempel (21) bewegt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Kalibrierstempel (21) oben und das Kalibriergesenk (22) unten im Kalibrierwerkzeug (20) angeordnet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das im Kalibriergesenk angeordnete Element oder optional mehrere Elemente über den Stößelhub und/oder zusätzliche Steuereinheiten derart gesteuert bewegt wird, dass sich während des Schließens des Kalibrierwerkzeugs ein definierter Abstand zwischen Element und Kalibrierstempel ergibt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Element während des Schließens vor dem Erreichen der unteren Endposition im Wesentlichen bündig mit der Wirkfläche des Kalibriergesenks abschließt.
  10. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das im Kalibrierstempel angeordnete Element oder optional mehrere Elemente über den Stößelhub und/oder zusätzliche Steuereinheiten derart gesteuert bewegt wird, dass sich während des Schließens des Kalibrierwerkzeugs ein definierter Abstand zwischen Element und Kalibriergesenk ergibt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Element während des Schließens vor dem Erreichen der unteren Endposition im Wesentlichen bündig mit der Wirkfläche des Kalibriergesenks abschließt.
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