»Werkzeuge der Blechumformung«

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1 Manuskript zur Vorlesung»Werkzeuge der Blechumformung«Zusammengestellt von Dr.-Ing. Stefan Wagner Ausgabe 3

2 Diese Vorlesungsunterlagen sind begleitendes Material zur Vorlesung Werkzeuge der Blechumformung I und II an der Universität Stuttgart, Institut für Umformtechnik (IFU). Es wird darauf hingewiesen, dass in diesem Skript lediglich Teilumfänge der Vorlesung behandelt werden. Prüfungsrelevant ist der in der Vorlesung durchgenommene Stoff. Vervielfältigungen, auch auszugsweise, sind nicht gestattet. Stuttgart, Februar 2015 Ausgabe 3 Bildquelle Deckblatt: Tianjin Motor Dies Europe GmbH Bei diesem Manuskript wurden Textbausteine der vom IFU erstellten Kapitel für das Handbuch der Fertigungstechnik, Band 2: Umformen (Autoren: Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald MBA, Dr.-Ing. Stefan Wagner) verwendet. 2

3 Inhaltsverzeichnis A Tiefziehverfahren 7 1 Übersicht Tiefziehen Tiefziehprozess Spannungen in der Umformzone Verfahrensgrenzen Arbeitsdiagramm der Blechhalterkraft Grenzformänderungsdiagramm Ziehen nicht-rotationssymmetrischer Blechformteile Spannungsverhältnisse Steuerung des Werkstoffflusses Schmierstoffe Zug-Druck-Umformverfahren Weiterzug Stülpziehen B Werkzeuge der Blechumformung 16 1 Situation Werkzeugbau Bauarten Einteilung nach den Verfahren Einteilung nach der Bauart Einteilung nach der Funktionsweise Einteilung nach dem Einsatz Teiletransfer C Werkzeugentwicklung 20 1 Bauteilgeometrie Design und Aufbau von Modellen Flächengenerierung Flächenanalyse Konstruktionsdatensatz Prozessfolge Fertigungsverfahren Folgeverbundwerkzeuge Stufen- und Einzelwerkzeuge Umformmethode Werkzeugentwicklung Entwicklung der Ziehanlage FEM-Prozesssimulation Ablauf FEM-Prozesssimulation Grenzen der FEM Stochastische Simulation Rückfederung Ursachen der Rückfederung Verringerung der Rückfederung Rückfederungskompensation Datenaufbereitung für spanende Bearbeitung D Prototypwerkzeuge 39 1 Einteilung Werkzeugwerkstoffe Herstellverfahren Übersicht Formerstellung aus Halbzeugen Abformen von Genaugussmodellen Fertigfräsen von vorgegossenen Werkzeugen E Werkzeugkonstruktion 44 1 Einzelwerkzeuge

4 1.1 Vorgehensweise Konstruktion Gusswerkstoffe Werkzeugverrippung Bauteiltransfer, Kollision Stufenwerkzeuge Konstruktion Durchlaufplan Gestaltungsrichtlinien Ziehspalt Matrizenradien, Stempelradien Blechhalterdruck Ziehsicken Werkzeugelemente, DIN-Teile Führungen Schieber Gasdruckfedern Werkzeugdistanzen Trag- und Transportelemente Entlüftung Platineneinweiser Werkzeugkühlung F Werkzeuganfertigung 62 1 Arbeitsvorbereitung Modellbau Werkzeugguss Fräsbearbeitung Grundbearbeitung Formbearbeitung Werkzeugmontage Ablauf Zusammenbau Kosten G Werkzeugausprobe 70 1 Qualitätsprozess Tryout-Pressen Tuschieren Ursachen und Gründe Erstellen von Tuschierbildern und Interpretation derselben Dokumentation des Druckbildes am Ende der Tryout-Phase Maßhaltigkeit Messverfahren Einzelteilanalyse Zusammenbau Rückfederungskompensation Oberflächenqualität Formänderungsverteilungen in Blechformteilen Übergabe an die Produktion Wechsel auf die Produktionspresse Qualitätsstandards H Werkzeuge in der Serienfertigung 78 1 Bauteilqualität Oberflächenqualität Maßhaltigkeit Werkzeuginstandhaltung Wartung von Werkzeugen Schweißen von Werkzeugen Werkzeugwechsel Rüsten von Werkzeugen Einrichtungen zum Werkzeugwechsel

5 3.3 Spannen der Werkzeuge I Werkzeugwerkstoffe und -beschichtungen 85 1 Anforderungen Werkzeugwerkstoffe Gusseisen Stahlguss Werkzeugstähle Pulvermetallurgisch hergestellte Werkzeugstähle Hartmetalle Wahl der Werkzeugwerkstoffe Härten von Werkzeugen Härten Anlassen Verfahren zum Härten von Werkzeugen Werkzeugbeschichtungen Auflageschichten Reaktionsschichten K Schneidwerkzeuge 94 1 Einteilung Großwerkzeuge Bauarten Aufbau Schneidstempel Aufbau Matrizen Abschneid- und Ausklinkstempel Methode L Nachformwerkzeuge 97 1 Nachformbereiche Nachformmethode Werkzeugkonstruktion Werkzeugaufbau Einsatz von Schiebern Beispiele M Biege- und Falzwerkzeuge Biege- und Falzwerkzeuge Biege- und Falzvorrichtungen Rollfalzen Herstellung von Prototypen N Folge- und Transferwerkzeuge Folgeverbund- und Transferwerkzeuge Klassifizierung Aufbau Folgeverbundwerkzeuge Aufbau Transferwerkzeuge Festlegung Stufen Bauelemente Streifenführung Lagekontrolle des Teiles Teileheber Führungselemente Schneidplatten und -buchsen Schnellwechselsysteme Abfallentfernung Hubbegrenzung und Blechhaltersicherung Geber-Nehmer-Systeme O Warmumformung Prozess Einsatzgebiete Verfahrensbeschreibung

6 1.3 Blechwerkstoffe für das Presshärten Temperaturführung Anwendung Werkzeuge Gestaltung von Werkzeugen für das Presshärten Methode für Werkzeuge für das Presshärten Werkzeugwerkstoffe Vor- und Nachteile der Warmumformung P Wirkmedienumformung Hydroblechumformung Hydromechanisches Tiefziehen Vorteile des Hydromechanischen Tiefziehens Nachteile des Hydromechanischen Tiefziehens Methode Anwendungen IHU von Rohren und Profilen IHU-Prozess Anwendungen IHU-Werkzeuge Superplastische Blechumformung SPF-Prozess Werkzeugaufbau Anwendungen Sachverzeichnis 126 Anhang 128 6

7 A Tiefziehverfahren 1 Übersicht Umformen ist in Anlehnung an DIN 8580 die gezielte Änderung der Form, der Oberfläche und der Werkstoffeigenschaften eines metallischen Körpers unter Beibehaltung von Masse und Stoffzusammenhang. Hierbei werden nach DIN 8582 die Fertigungsverfahren des Umformens nach den überwiegend wirksamen Spannungen eingeteilt (Abb. A-1). Walzen Freiformen Eindrücken Gesenkform. Durchdrücken Durchziehen Tiefziehen Kragenziehen Drücken Knickbauchen Längen Weiten Tiefen Druckumformen DIN 8583 Zugdruckumformen DIN 8584 Zugumformen DIN 8585 Biegeumformen DIN 8586 Biegen mit geradliniger/ drehender Werkzeugbewegung Schubumformen DIN 8587 Verschieben Verdrehen Abb. A-1: Einteilung der Fertigungsverfahren des Umformens nach DIN 8582 Das Tiefziehen zählt zusammen mit dem Biegen von ebenen Platinen zu den am weitesten verbreiteten Verfahren der Blechumformung. Wesentliche Einsatzgebiete des Tiefziehens finden sich heute im Automobilbau (Struktur- und Außenhautteile), in der Flugzeugindustrie, in den Marktsektoren der Komponenten aus Blech für den Haushalts- und Gastronomiebereich (Spül- und Waschmaschinen, Spülen, Gastronomiebehälter usw.), sowie in der Medizintechnik (Nierenschalen, Becken, Spezialbehälter). Nach DIN 8584 gehört das Tiefziehen zu den Zug- /Druck-Umformverfahren, mit dem ein Blechzuschnitt (Platine) in einen einseitig offenen Hohlkörper oder einen vorgezogenen Hohlkörper in einen solchen mit geringerem Querschnitt ohne beabsichtigte Veränderung der Blechdicke umgeformt werden kann. Je nach Blechwerkstoff werden auch Folien, Platten oder Tafeln als Ausgangsmaterial eingesetzt. Die Einordnung des Tiefziehens in diese Verfahrensgruppe erfolgt aufgrund der in der Umformzone hauptsächlich wirkenden radialen Zug- und tangentialen Druckspannungen. Die Verfahren des Tiefziehens lassen sich in drei Gruppen untergliedern (Abb. A-2): Tiefziehen mit Werkzeugen (am weitesten verbreitet), Tiefziehen mit Wirkmedien und Tiefziehen mit Wirkenergie. Mit den Verfahren des Tiefziehens können heute Stahlblechwerkstoffe aller Art von weichen Tiefziehstählen bis hin zu höchstfesten Stahlblechwerkstoffen, Edelstahlbleche, Aluminiumblechwerkstoffe verschiedenster Legierungen wie auch Kupfer- und Messingbleche umgeformt werden. Vereinzelt finden sich am Markt heute auch Anwendungen der Warmumformung von Magnesium- oder Titanblechlegierungen. Tiefziehen mit Werkzeugen Tiefziehen mit starrem Werkzeug Tiefziehen mit nachgiebigem Werkzeug Tiefziehen Tiefziehen mit Wirkmedien Tiefziehen mit Wirkmedien mit kraftgebundener Wirkung Tiefziehen mit Wirkmedien mit energiegebundener Wirkung Tiefziehen mit Wirkenergie Abb. A-2: Gliederung der Tiefziehverfahren nach DIN 8584 (Ausschnitt) Zur Herstellung eines Blechformteils nach Werkstückzeichnung sind im Anschluss an das Tiefziehen meist weitere Blechumform- und / oder Trennoperationen erforderlich. Hierbei handelt es sich je nach Komplexität des Bauteils um weitere Tiefziehstufen, um nachfolgende Biegeoperationen als auch um Beschneide- und Lochoperationen. Bei der Herstellung von kleineren Blechformteilen finden sich in modernen Prozessketten noch weitere Verfahren wie das Abstreckgleitziehen, das Kragenziehen, Biegeoperationen uvm. 2 Tiefziehen 2.1 Tiefziehprozess Beim Tiefziehen im Erstzug wird im einfachsten Fall aus einem ebenen Blechzuschnitt (Abb. A-3), der Platine, oder im Falle kreisrunder Formen der Ronde ein Hohlkörper bzw. ein Napf hergestellt. Platine F B r M F St d 0 D 0 Abb. A-3: Ausgangszustand Tiefziehen im Erstzug Das Tiefziehwerkzeug besteht hierbei aus den Hauptkomponenten Ziehstempel, Ziehring oder Matrize und Blechhalter (Abb. A-4). Beim Tiefziehen setzt nach dem Einlegen der Platine zunächst der Blechhalter auf der Matrize auf, und es wird die Blechhalterkraft aufgebaut. Die Normaldruckspannungen, die mit dem Blechhalter aufgebracht werden, bewirken zum einen die Vermeidung von Falten (1. Art) im Ziehflansch des Werkstücks während des Tiefziehvorgangs und zum anderen gleichzeitig die für das Umformen notwendige Rückhaltekraft in der Umformzone. Der eigentliche Umformvorgang beginnt mit einem Streckziehvorgang des Bodenbereiches des F B

8 Werkstückes, d.h. es fließt zunächst kein Werkstoff unter dem Blechhalter nach und der Ziehteilboden wird in seiner Form ausgebildet. Im weiteren Verlauf der Stempelbewegung beginnen die am Ziehumriss liegenden Platinenbereiche über den Matrizeneinlaufradius in den Zargenbereich des Werkstücks hineinzulaufen. Der Blechhalter reduziert dabei die Einlaufgeschwindigkeit des Platinenrandes gegebenenfalls merklich, wobei sich jedoch der äußere Umfang der Platine stetig verringert. Die Ursache für das Entstehen dieser Spannungen liegt darin, dass die Ronde im Falle kreiszylindrischer Werkstücke durch den Umformvorgang an ihrem Rand vom Durchmesser D 0 auf den Stempeldurchmesser d 0 bzw. auf den Napf-Innendurchmesser reduziert werden muss. F B F B F St d M D a r St Blechhalter Ziehstempel Ziehring (Matrize) Flansch Zarge Boden Abb. A-4: Prinzip des Tiefziehens im Erstzug Die einzelnen Zonen des Tiefziehteils werden als Boden, Zarge und Flansch bezeichnet (Abb. A-4). Wird ein Werkstück ganz durch die Matrize gezogen, bleibt kein Restflansch mehr am Ende des Umformvorgangs am Werkstück und man spricht von einem Durchzug. Die Umformzone beim Tiefziehen befindet sich, sieht man von der Biegung um den Matrizeneinlaufradius ab, im Wesentlichen im Flanschbereich zwischen dem Blechhalter und der Matrize. Das Tiefziehen gehört somit zu den Verfahren der mittelbaren Krafteinleitung, da die Umformkraft vom Boden des Ziehteils (Krafteinleitungszone) über die Zarge (Kraftübertragungszone) in die eigentliche Umformzone (Ziehteilflansch) übertragen wird. Da die Ausdehnung dieser Umformzone während des Tiefziehvorgangs ständig abnimmt, handelt es sich beim Tiefziehen um einen instationären Umformvorgang. 2.2 Spannungen in der Umformzone Die Umformung im Flansch des Ziehteils erfolgt unter Einwirkung von Druckspannungen in Normalenrichtung n, hervorgerufen durch die Blechhalterkraft, sowie unter tangentialen Druckspannungen t und unter radialen Zugspannungen r (Abb. A-5). Die Zugspannung r erreicht ihren Maximalwert an der Ziehringrundung und nimmt zum Platinenrand hin bis auf den Wert Null ab. Die tangentialen Druckspannungen treten während des Tiefziehens zu jedem Zeitpunkt im Restflansch auf. σ σ r σ m σ n σ t Abb. A-5: Spannungsverläufe in der Umformzone beim Tiefziehen Dabei muss Werkstoffvolumen in Blechdickenrichtung verdrängt werden (Abb. 6), dementsprechend stellt sich die tangentiale Druckspannung am Platinenaußenrand am größten ein und nimmt während des Umformens in Richtung des Matrizeneinlaufradius ab. Unter diesen wirkenden tangentialen Druckspannungen versucht der Flansch, insbesondere im Bereich des Rondenrandes auszuknicken, was tendenziell zur Bildung von Falten 1. Art führt. Dieses Ausknicken wird durch die Druckbeaufschlagung bei gleichzeitiger Erzeugung von Reibungskräften (Rückhaltekräften) in der Flanschebene durch den Blechhalter verhindert. d1 d 0 d Rondendurchmesser 0 d Ziehstempeldurchmesser 1 Abb. A-6: Verdrängte Platinenvolumina im Flansch beim Tiefziehen Die normal zur Blechoberfläche wirkende Spannung n ist im Verhältnis zur tangentialen und radialen Spannung vergleichsweise klein. Somit gilt für die Fließspannung k f im Bereich der Umformzone (Flansch) nach dem Fließkriterium von Tresca: k f max min r Es lässt sich die mittlere Spannung m nach folgender Beziehung berechnen: r t n m 3 t r t 8

9 Man erkennt, dass der Verlauf der Normalspannung n den Verlauf der mittleren Spannung m schneidet (Abb. 2). Somit gilt für diesen Punkt gemäß Fließgesetz von Hencky: r : t n r m t m n m : ( ) : ( ) : ( ) so dass in Dickenrichtung keine Formänderung zu verzeichnen ist. Weiterhin folgt aus dem Fließgesetz, dass die mittlere Spannung m in Richtung des Flanschrandes negativ und vom Betrag her größer ist als die Normalspannung, so dass ( n - m ) einen positiven Wert ergibt. Die zugehörige Formänderung n ist somit auch positiv, d.h. zum Flanschrand hin ergibt sich eine Blechdickenzunahme. In Richtung des Einlaufradius ist m positiv und vom Betrag her größer als n. Daher ergibt sich in dieser Richtung eine Blechdickenabnahme. Im Mittel gesehen kann jedoch die Annahme getroffen werden, dass der Werkstofffluss in Blechdickenrichtung gering ist, so dass man davon ausgehen kann, dass sich die Wanddicke des tiefgezogenen Werkstücks in diesem Bereich nicht ändert. Somit gilt näherungsweise, dass die Oberfläche der Ausgangsplatine und die Oberfläche des gezogenen Teils ungefähr gleich groß sind. Hieraus folgt dann für rotationssymmetrische Blechteile bei Annahme scharfkantiger Biegung am Stempel (r St =0) unter Berücksichtigung der beim Umformen geltenden Volumenkonstanz A 0 D d A d mit h max als der Höhe des gezogenen Napfes bei völligem Durchzug. Der erforderliche Platinendurchmesser D 0 ergibt sich dann zu D 2 0 4d0hmax d0 0 h max 0 max D d 0 max 0 Die Grenzziehverhältnisse liegen bei weichen Tiefziehstählen zwischen 2,0 und 2,3, bei Aluminiumwerkstoffen bei ca.1,7 bis 2,0. Abb. A-7 zeigt beispielhaft für den Blechwerkstoff DC04 die erzielbaren Grenzziehverhältnisse. Abb. A-7: Grenzziehverhältnisse, links 2.3, rechts 1.8 (Bildquelle: IFU) Sofern beim Tiefziehen eines rotationssymmetrischen Napfes das gewählte Ziehverhältnis kleiner als das Grenzziehverhältnis ist, kann der Napf ohne Versagen gezogen werden. Bei unregelmäßig geformten Ziehteilen muss das niedrigste von allen ermittelbaren Eckenziehverhältnissen, welches in der Regel an der Stelle mit dem kleinsten Eckenradius des Stempels (Draufsicht) vorliegt, zum Vergleich mit dem Grenzziehverhältnis herangezogen werden. Zu beachten ist, dass das Grenzziehverhältnis keine Materialkonstante darstellt, sondern neben den mechanischen Werkstoffkennwerten auch von den geometrischen und tribologischen Verhältnissen abhängt. Mit zunehmendem, auf die Blechdicke bezogenen, Stempeldurchmesser (d 0 /s 0 ) nimmt die Spannung z in der Zarge zu und das Grenzziehverhältnis nimmt ab (Abb. A-8). 2.3 Verfahrensgrenzen Beim Ziehen von rotationssymmetrischen Blechteilen bezeichnet man das Verhältnis vom Rondenausgangsdurchmesser D 0 zum Stempeldurchmesser d 0 als Ziehverhältnis 0 : D 4h d 0 max 0 d0 0 1 β 0max Δr r min n μ Wird das Ziehverhältnis zu groß gewählt, also beispielsweise aufgrund eines zu großen Platinendurchmessers, kann die zur Umformung erforderliche Ziehkraft in der Zarge nicht übertragen werden, es kommt zum Versagensfall Bodenreißer. Das Ziehverhältnis, bei dem für einen gegebenen Stempeldurchmesser d 0 gerade noch ein Napf ohne Bodenreißer gezogen werden kann, wird als Grenzziehverhältnis 0max bezeichnet: d /s 0 0 Abb. A-8: Qualitativer Einfluss des bezogenen Stempeldurchmessers (d 0/s 0) auf das Grenzziehverhältnis Wird die Reibung zwischen Platine und Matrize sowie zwischen Platine und Blechhalter durch ein modifiziertes Coulomb sches Reibungsgesetz F µ * R F N 9

10 beschrieben, wobei µ* = f(blechwerkstoff und - oberfläche, Schmierstoff, Werkzeugstoff und - oberfläche, Flächenpressung, Ziehgeschwindigkeit) ist, dann sinkt das Grenzziehverhältnis über d 0 /s 0 (Abb. 5) umso stärker, je größer µ* ist. Das Grenzziehverhältnis lässt sich durch Maßnahmen erhöhen, welche die Fließspannung in der Umformzone (Flanschbereich) erniedrigen und/oder die maximal ertragbare Fließspannung im kritischen Bereich des Übergangs vom Bauteilboden zur Zarge erhöhen. Solche Maßnahmen können z.b. die Verwendung von gekühlten Stempeln oder die örtliche Erwärmung der Platinen im Flanschbereich sein, was vereinzelt industriell eingesetzt wird. 2.4 Arbeitsdiagramm der Blechhalterkraft Die Verfahrensgrenzen des Tiefziehens hängen hauptsächlich von den mechanischen Eigenschaften des Blechwerkstoffes, der Leistungsfähigkeit des Schmierstoffes, von den Werkzeugoberflächen, der Bauteilgeometrie und zahlreichen weiteren Prozessparametern ab. Die obere Verfahrensgrenze wird durch das Auftreten von Reißern, die untere Verfahrensgrenze durch das Auftreten von Falten bestimmt. Die beschriebenen Versagensfälle begrenzen den Arbeitsbereich des Verfahrens und den Wertebereich der Blechhalterkraft (Abb. A-9). Blechhalterkraft F BH F N β 0max Ziehverhältnis β =d /d 0 0 st Abb. A-9: Arbeitsdiagramm der Blechhalterkraft Das Versagen durch Reißen tritt in der Regel dann ein, wenn die zur Umformung notwendige Kraft nicht mehr vom Bodenbereich des Werkstücks (Krafteinleitungszone) über die Zarge (Kraftübertragungszone) in den Flanschbereich (Umformzone) eingeleitet werden kann. Tritt ein Reißer bereits während der Ausbildung des Bauteilbodens auf, so spricht man von einem vorzeitigen Reißer. Tritt ein Reißer nach der Ausbildung des Ziehteilbodens auf, liegt ein so genannter Bodenreißer vor (Abb. A-10). Aufgrund der beim Tiefziehen entlang der Abwicklung des Werkstücks (Ziehteil) zu verzeichnenden, unterschiedlichen Formänderungen ergeben sich unterschiedliche Verfestigungen, wobei die geringste Festigkeit im Übergang vom Boden zur Zarge zu finden ist. Treten Reißer in einem Blechformteil auf, so muss die Blechhalterkraft verringert werden, der Schmierstoff angepasst d 0 d st F N werden oder die Form oder die Größe der Platine verändert werden. Gebräuchlich ist auch eine Kombination der genannten Maßnahmen. Falten 1. Art Reißer Falten 2. Art Abb. A-10: Versagensfälle Bodenreißer und Faltenbildung 1. und 2. Art In einem Ziehteil kann es sowohl im Flanschbereich zu Falten 1. Art als auch in schrägen Seitenwänden infolge freier, überspannter Werkstückzonen zu Falten 2. Art kommen. Während des Umformvorgangs herrschen im Flanschbereich tangentiale Druckspannungen. Sie können zum Ausknicken führen, man spricht dann von Faltenbildung 1. Art (Abb. A-10). Falten 1. Art können bis zu einer bestimmten prozesstechnischen Grenze durch hinreichend hohe Druckkräfte des Blechhalters unterbunden werden. 2.5 Grenzformänderungsdiagramm Das Versagen von Blechwerkstoffen während des Umformens durch Tiefzieh- und Streckziehverfahren wird durch lokal auftretende Einschnürungen in Blechdickenrichtung charakterisiert. Aufgrund der lokalen unterschiedlichen Belastungszustände und Spannungsverhältnisse werden Dehnungskombinationen erzeugt, die unter bestimmten Konstellationen früher oder später zu einer sichtbaren Einschnürung und im Fortgang des Prozesses zur vollständigen Materialtrennung führen. Solche Dehnungskombinationen können mittels Grundlagenversuchen werkstoffspezifisch ermittelt werden und in ein entsprechendes Diagramm eingetragen werden. Die werkstoffspezifische Grenzkurve in Bezug auf Einschnürung oder Bruch nennt man die Grenzformänderungskurve (Forming Limit Curve, FLC), die in einem Grenzformänderungsdiagramm (Forming Limit Diagram, FLD) eingetragen wird. Diese Darstellung des werkstoffspezifischen Grenzformänderungsvermögens basiert auf der Annahme, dass ein Versagen der Blechwerkstoffe durch Einschnürung bzw. Bruch allein durch den ebenen Spannungszustand verursacht wird. Derartige Diagramme werden in der Regel durch das Aufbringen eines quadratischen oder kreisförmigen Rasters auf die Oberfläche der unverformten Platine und anschließendes Umformen ermittelt. In Abhängigkeit vom jeweils mittels geeigneter Probengeometrien erzeugten 10

11 einachsiger gleichmäßiger Zug Spannungszustand verformen sich derartige Kreise zu Ellipsen (Abb. A-11). Die Umformgrade 1 und 2 kann man mit Hilfe des Ausgangsdurchmessers des Kreisrasters d 0, der größeren (l 1 ) und der kleineren Ellipsenachse (l 2 ) bestimmen: l1 l2 1 ln( ), 2 ln( ) d d ist dabei die betragsmäßig größere logarithmische Formänderung (Hauptformänderung), die kleinere logarithmische Formänderung (Nebenformänderung). In Abb. A-11 ist die Veränderung einer einzelnen Kreisfigur aus dem zuvor aufgebrachten Kreisraster unter verschiedenen Beanspruchungsbedingungen dargestellt. Der Kreis verformt sich in Abhängigkeit vom Spannungszustand der Probe zu verschiedenen Ellipsen, ausgehend von der linken Seite des Diagramms vom Tiefziehen bis zum Streckziehen auf der rechten Seite. Umformgrad φ 1 φ 1=-φ2 φ 1=-2φ2 φ 2 =0 φ 1=ln(l 1/d) φ 2=ln(l 2/d) Ti efziehen einachsiger Zug zweia chsi ges l 2 ausgeglichenes Streckziehen φ 1=φ2 l 1 Umformgrad φ 2 Abb. A-11: Formänderungen eines Kreisrasterelements Die experimentelle Ermittlung der Grenzformänderungskurve eines Blechwerkstoffes erfolgt im Tiefungsversuch mit einem halbkugelförmigen Stempel. Um verschiedene Wertekonstellationen der Formänderungen 1 und 2 im Stempelkontaktbereich der Probe und damit auch verschiedene Punkte für die Grenzformänderungskurve zu erhalten, ist es erforderlich, den Tiefungsversuch mit verschiedenen Platinenformen bzw. Platinenbreiten durchzuführen (Abb. A-12). Die in Abb. A-12 dargestellten kreisförmigen, auf beiden Seiten ausgeschnittenen Platinen werden bis zum Bruch gezogen. Unterschiedliche Ausschnittradien der Platinen bewirken verschiedene Spannungszustände, die zu verschiedenen Werten der Formänderungen 1 und 2 führen. Mit diesen Probengeometrien lassen sich Messwerte auf beiden Seiten des Grenzformänderungsdiagrammes ermitteln, d.h. man erhält für die Nebenformänderung 2 positive und negative Messwerte. d Abb. A-12: Probengeometrien zur Ermittlung der Grenzformänderungskurve im Tiefungsversuch (Nakajima- Versuchablauf 1 nach ISO 12004) Liegt das Grenzformänderungsdiagramm eines Blechwerkstoffes vor, so kann mittels einer Formänderungsanalyse eines umgeformten Blechformteils retrospektiv analysiert werden, wie weit die im Werkstück erzeugten Formänderungen vom Versagen durch Einschnürung bzw. Bruch entfernt sind. Bei der Bestimmung von Grenzformänderungskurven muss jedoch beachtet werden, dass diese stets unter der Bedingung erstellt wurden, dass das Verhältnis von Haupt- zu Nebenformänderung vom unbelasteten Zustand bis zum Bruch unverändert blieb. Im Rahmen von den o.g. Formänderungsanalysen an Blechformteilen wird in der Praxis jedoch oftmals deutlich, dass sich dieses Verhältnis von Haupt- zu Nebenformänderung während des Umformprozesses verändert. Der Einfluss so genannter nichtlinearer Formänderungspfade ist in Abb. A-13 dargestellt. Umformgrad φ1 a 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 2 φ 1= -2φ 2 Tiefziehen 1 φ -φc 1 = 2 P Streckziehen A 0 0,4 0,2 0 0,2 0,4 Umformgrad φ2 B D d φ2/dφ1=const. F E φ 1= φ2 3 Umformweg erster Schritt zweiter Schritt A C D A C φ 1 D b C A φ 2 einachsiger Zug zweiachsiges Streckziehen C D zweiachsiges Streckziehen A E F A E E F φ 1 A F φ2 E einachsiger Zug Abb. A-13: Einfluss des Formänderungspfades auf die Lage Grenzformänderungskurve im Grenzformänderungsdiagramm Danach stellt sich eine Verschiebung der ursprünglichen Grenzformänderungskurve gegenüber dem proportionalen Verlauf P (Linie A-B) zu höheren Werten ein, wenn z.b. auf eine einachsige Zugbeanspruchung ( 1 = - ) ein ideal zweiachsiges Streckziehen ( 1 = 2, Linie A-C-D) folgt. Zu niedrigeren Werten wird die Grenzformänderungskurve verschoben, wenn sich an ein ideal zweiachsiges Streckziehen ( 1 = 2 ) 1 Nakajima, K.; Kihama, T.: Study on the Formability of Steel Sheet. Ywata technical report, Nr , S

12 beispielsweise eine einachsige Zugbeanspruchung (Linie A-E-F) anschließt. Die Grenzformänderungskurve bildet heute ein sehr wesentliches Werkzeug bei der Parametrisierung geeigneter Materialmodelle in modernen numerischen Berechnungsprogrammen für nahezu alle Blechumformverfahren. Aus diesem Grund sind die Vorgehensweisen für die präzise Bestimmung von werkstoffcharakterisierenden Kenngrößen sowohl auf dem Gebiet des einachsigen Zugversuches als auch auf dem Gebiet der Grenzformänderungskurve (Nakajima-Versuche) gemäß ISO recht präzise standardisiert. Blechhersteller, Automobilindustrie und weitere zahlreiche Anwender arbeiten somit in den letzten Jahren mit einheitlichen Standards, um Berechnungsergebnisse und Robustheitsaussagen von Umformprozessen vergleichbar halten zu können. 3 Ziehen nichtrotationssymmetrischer Blechformteile 3.1 Spannungsverhältnisse Im Gegensatz zu rotationssymmetrischen Blechformteilen tritt bei unregelmäßig geformten Blechteilen keine gleichmäßige Spannungsverteilung im Flanschbereich entlang des Ziehumrisses auf. In einer ersten Näherung lässt sich die Kontur des Ziehumrisses in Geraden- und Radienbereiche unterteilen. Die geometrische Komplexität von nicht-rotationssymmetrischen Werkstücken ist jedoch nicht allein in der Geometrie des Ziehumrisses, sondern auch in der räumlichen Geometrie des Ziehstempels bzw. späteren Bauteilform begründet. wirkenden Tangential- und Radialspannungen im Ziehflansch sowie die lokal unterschiedlichen Einlaufwege der Platinenkante. Beim Ziehen eines in Abb. A-14 gezeigten quaderförmigen Bauteils wirken beispielsweise die tangentialen Druckspannungen in den Eckenbereichen deutlich, führen dort zu einer Aufdickung der ursprünglichen Blechdicke und reduzieren den Einlauf der Platinenkante in diesen Bereichen merklich. An den geraden Seiten des Bauteils wirken nahezu ausschließlich radiale Zugund fast keine tangentialen Druckspannungen, was zu größeren Einlaufwegen der Platinenkante führt. In der Realität fällt die Tangentialspannung am Übergang von einem Ecken- in einen Geradenbereich allerdings nicht schlagartig auf Null ab, sondern sie wird in einer Übergangszone stetig abgebaut. Sichtbar wird dies auch durch eine Betrachtung der Spannungsverläufe z in der senkrechten Seitenwand (Bauteilzarge) eines quaderförmigen Bauteils nach Abb. A-15. Ziehkraft in der Übergangszone Ziehkraft in den graden Ziehteilseiten σ ZS s Ziehkraft in der Ziehteilecke Abb. A-15: Spannungsverteilung in der Zarge eines quaderförmigen Werkstücks Während des Ziehens unregelmäßiger Blechteile erfahren die einzelnen Zonen des Blechformteils unterschiedliche Beanspruchungen, die sich darüber hinaus während des Umformvorgangs ändern können. So werden Bereiche unterschieden, in denen Zug-Zug-Spannungszustände vorliegen, d.h. eine Streckziehbeanspruchung vorherrscht, und Bereiche, in denen eine Zug-Druck-Beanspruchung vorliegt, d.h. eine Tiefziehbeanspruchung auftritt (Abb. A-16). A σ Ze x r e Streckziehbereich Tiefziehbereich s 0 Abb. A-14: Quaderförmiges Ziehteil, Ausgangsplatine rechteckig (Bildquelle: IFU Stuttgart) In Abb. A-14 bildet die räumliche Geometrie des Ziehstempels demnach einen Quader mit unterschiedlich abgerundeten Kanten ab, mit einem entsprechend rechteckförmigen Ziehumriss. Die räumliche Geometrie des Ziehstempels bedingt beim Tiefziehen somit stets die notwendige Rückhaltefunktion des Blechalters, die Beträge der Abb. A-16: Tiefzieh- und Streckziehbeanspruchung Bei streckziehdominierten Umformprozessen, d.h. bei relativ flachen bzw. nur gering gekrümmten Bauteilen, liegt der Spannungszustand überwiegend im Zug-Zug-Bereich. Die Umformzone breitet sich, 12

13 ausgehend von den Einspannstellen, zur Stempelmitte hin aus. Zu Beginn des Umformprozesses verformen sich zunächst die nicht am Formstempel anliegenden freien Werkstückbereiche aufgrund der zeitlich instationären Reibungsverhältnisse und erfahren hierdurch eine Kaltverfestigung. Die relativ kleineren Formänderungen und somit auch niedrigen Fließspannungswerte liegen insbesondere bei flachen Formteilen in der Bauteilmitte vor. Bei streckziehähnlichen Teilen strebt man demnach eine möglichst geringe Reibung zwischen Stempel und Ziehteil an, um eine homogene Verteilung von Zugund Tangentialspannungen (ohne Einschnürungen und Zug-Druckkombinationen) zu erreichen. Bei flachen nichtrotationssymmetrischen Teilen (z.b. Außenhaut von Kraftfahrzeugen, Tragflügelbeplankungen, Gehäuseelementen, Verkleidungen usw.) dominiert eine solche Streckziehbeanspruchung. Von erfahrenen Mitarbeitern aus der Fertigung wird die Qualität eines Ziehteils u.a. nach seinem Auszug (laterale Verteilung der plastischen Formänderungen in der Ebene des Werkstücks) beurteilt. Für z.b. Beplankungen von PKW- Fahrzeugtüren ist in diesem Zusammenhang die erreichte Mindestumformung im Mittenbereich des Bauteils von besonderem Interesse, die einen Betrag von mindestens 0,02 aufweisen sollte. 3.2 Steuerung des Werkstoffflusses Beim Ziehen nicht-rotationssymmetrischer Blechformteile, insbesondere von Bauteilgeometrien mit größeren Ziehtiefen (relativ hoher Tiefziehanteil), ist es erforderlich, den Materialfluss zwischen dem Blechhalter und der Matrize zu steuern. Hierzu bestehen prinzipiell die in Abb. A-17 dargestellten Möglichkeiten. In der Praxis wird von diesen Möglichkeiten spezifisch Gebrauch gemacht, wobei in der Regel verschiedene Maßnahmen miteinander kombiniert werden. Berücksichtigt werden müssen neben den betrieblichen Randbedingungen, d.h. insbesondere den zur Verfügung stehenden Fertigungseinrichtungen wie z.b. eine Beölungsanlage für Platinen, auch wirtschaftliche Gesichtspunkte. Platinenform Praktische Einflussmöglichkeiten auf die Rückhaltung R des Ziehteilflansches Schmierstoff Sicken Laufsicken Klemmsicken Ziehkissen- kraft Blechhalterkraft F BH Ziehweg s Abb. A-17: Möglichkeiten der Beeinflussung der Rückhaltewirkung des Ziehteilflansches Durch die Beeinflussung der Reibung selbst zwischen der Platine und dem Blechhalter bzw. der Matrize besteht eine weitere Möglichkeit der Steuerung des Materialflusses während des Prozesses. Beim Tiefziehen rotationssymmetrischer Blechformteile sollte die Blechhalterkraft lediglich so groß gewählt werden, dass eine Faltenbildung 1. Art verhindert wird und die Ronde problemlos eingezogen werden kann. Im Gegensatz dazu wird die Blechhalterkraft beim Tiefziehen von nichtrotationssymmetrischen Blechformteilen für die Erzeugung von am Ziehumriss lokal spezifischer Reibungswirkung eingesetzt, um den Materialfluss geometriespezifisch ausgestalten zu können. Unter der vereinfachten Annahme des Coulomb`schen Reibungsgesetzes ergibt sich ein direkter Zusammenhang zwischen der Blechhalterkraft und der Reibungskraft als Summe der zwischen Blechhalter, Matrize und Platine (Ober- und Unterseite) wirkenden Reibungskraft. Bezüglich der Reibung zwischen Platine und Blechhalter sowie zwischen Platine und Ziehmatrize ergeben sich mehrere Einflussparameter: Unterschiedliche Schmierstoffart und -menge pro Fläche auf der Platinenoberfläche. Erzeugung unterschiedlicher Flächenpressungen durch Eintuschieren der Druckverteilung zwischen Blechhalter und der gegenüber liegenden Fläche Einleitung unterschiedlicher Blechhalterkräfte (Angriffspunkte, Kraftverlauf über dem Ziehweg) 3.3 Schmierstoffe Beim Tief- und Streckziehen sowie beim Ziehen von unregelmäßigen Blechformteilen besitzt die Viskosität der verwendeten Schmierstoffe einen entscheidenden Einfluss auf die Reibungsverhältnisse während des Umformvorganges und auch auf die vorherrschenden Verschleißmechanismen. An die Schmierstoffe werden daher verschiedenartige Anforderungen gestellt. Vornehmliche Aufgaben der Schmierstoffe bilden daher die Verringerung von Reibung zwischen Werkzeug und Platine, die Verschleißminderung und das Ableiten von Umformwärme in den Werkzeugkörper. Die Umformung von Platinen ist gekennzeichnet durch Flächenpressungen zwischen 1 und 60 MPa bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten zwischen Werkzeug und Werkstück im Bereich zwischen 0 und 500 mm/s. Die Einstellung eines idealen Tribosystems der reinen Flüssigkeitsreibung ohne eine Berührung der metallischen Oberflächen ist daher für das Tiefziehen ausgeschlossen. Der überwiegende Teil der Blechumformvorgänge erfolgt im Bereich der Mischreibung, die das gleichzeitige Auftreten von Flüssigkeits- und Grenzreibung darstellt. 13

14 Um die Anforderungen der Blechumformung erfüllen zu können, müssen die Schmierstoffe stark druckbelastbar sein und zudem eine hohe Haftung an metallischen Oberflächen aufweisen. Eine weitere Eigenschaft, die zur Verbesserung von Blechumformvorgängen führen kann, ist die Bildung von Aktivschichten an der Werkstückoberfläche, die den Abtrag von Metallpartikeln erschwert und damit den Verschleiß an den Werkzeugen, insbesondere am Matrizeneinlaufradius und an den Stempelradien reduziert. Eine weitere Aufgabe der Schmierung in der Blechumformung ist die Beeinflussung der Reibung während der Umformung. Für das Tiefziehen von rotationssymmetrischen Teilen ist es beispielsweise erwünscht, eine niedrige Reibungskraft unter dem Blechhalter und am Ziehring zu erhalten. Im Gegensatz hierzu ist zwischen Stempel und Platine eine hohe Reibungszahl erwünscht, um über Reibungskräfte zwischen Stempelwandung und Blech zusätzliche Kräfte in die Umformzone einleiten zu können. Dadurch lässt sich ein größeres Grenzziehverhältnis für den Umformprozess erreichen. Festzuhalten bleibt, dass die Anforderungen an den am besten geeigneten Schmierstoff stets in Abhängigkeit vom Anwendungsfall (Blechdicke, Topologie der Platinenoberfläche und des Umformwerkzeugs, Werkstückwerkstoff, Bauteilgeometrie uvm.) ausgestaltet werden müssen. Korrosionsschutzöle auf Mineralölbasis werden von den Stahlwerken seit Jahren zur Schlussbeölung der beschichteten und unbeschichteten Stahlblechbänder appliziert. Diese Öle weisen einen guten temporären Korrosionsschutz für die Lagerung und den Transport von Coils oder Platinen auf, das Material sollte jedoch dann umgehend verarbeitet werden. Bis Anfang der 90er Jahre wurden in Deutschland fast ausschließlich Standard-Korrosionsschutzöle (Viskosität ca mm²/s bei 40 C) zur Beölung von Feinblechen verwendet. Von Nachteil ist zwar die geringe Schmierwirkung bei anspruchsvollen Prozessführungen, jedoch kann in der heutigen Praxis mit diesen Ölen ein erheblicher Prozentsatz an Ziehteilen ohne zusätzliches Ziehöl gefertigt werden. Die Auftragsmenge liegt üblicherweise zwischen 0,5 und 1,5 g/m². Moderne thixotrope Korrosionsschutzöle besitzen verbesserte Schmiereigenschaften und reichen in vielen Fällen für eine große Bandbreite von Blechwerkstoffen und Bauteilgeometrien aus. Im Falle des Tief- und Streckziehens von PKW- Beplankungsteilen mit besonderen Anforderungen an die Sauberkeit der großflächigen Platinen müssen diese vor dem Umformvorgang gewaschen und mit alternativen oder Zusatzschmierstoffen benetzt werden (Abb. A-18). Alle Öle bzw. Emulsionen für die Blechumformung müssen heute den VDA-Richtlinien genügen. Walzwerk Bandölen Dressieren Korrosionsschutzöl g/m² Bandwaschen Schneiden Presswerk Umformen Waschen Zusatzbeölung Rohbau Abb. A-18: Prozesskette für die Karosserieteilfertigung unter Verwendung von Korrosionsschutzölen Walzwerkseitig auf Platinen oder Coil applizierte Korrosionsschutzöle gehören teilweise zu den sog. Prelubes, welche die Korrosionsschutzeigenschaften der Standard-Korrosionsschutzöle erfüllen, jedoch aufgrund ihrer erhöhten Viskosität (ca. 60 mm²/s bei 40 C) und einem erhöhten Anteil an schmierwirksamen Bestandteilen eine relativ gute Eignung für das Tiefziehen und andere Blechumformverfahren aufweisen. Aufgrund der höheren Viskosität ist die Ablauftendenz im Vergleich zu reinen Korrosionsschutzölen geringer. Eine Waschoperation der Platine sowie eine zusätzliche Beölung sind hier nicht erforderlich (Abb. A-19). Die Auftragsmenge liegt ebenfalls zwischen 0,5 und 1,5 g/m². Das Konzept der Prelubes sieht vor, dass die Platine partiell mit anderen geeigneten Schmierstoffen lokal zusatzbeölt werden kann. Dressieren Walzwerk Presswerk Rohbau Bandölen Prelube g/m² Schneiden Umformen Abb. A-19: Prozesskette für die Karosserieteilfertigung unter Verwendung von Prelubes Trockenschmierstoffe (Drylubes) oder Hotmelts werden im geschmolzenen Zustand elektrostatisch auf die Bandoberfläche aufgetragen. Beim Waschen von Coils und Platinen kommen in Europa selten lösemittelhaltige Systeme, sondern vermehrt niedrig viskose Öle zum Einsatz. Beim Waschen wird etwa die Hälfte des anhaftenden Öls entfernt und die überschüssige Ölmenge durch poröse Walzen abgequetscht. Sollten schwierige Umformoperationen lokal einen zusätzlichen Schmierstoff erfordern, muss ein prozessfähiges und systemkompatibles Umformöl verwendet werden, das an diesen kritischen Stellen dosiert aufgetragen wird. Hierbei handelt es sich in der Regel um ein höherviskoses Öl, welches auf die unterliegende Coilbeölung aufgetragen wird. 4 Zug-Druck-Umformverfahren 4.1 Weiterzug Unter Tiefziehen im Weiterzug versteht man das weitergehende Umformen von Ziehteilen, die im 14

15 Erstzug bereits eine Vorform erhalten haben. Das Tiefziehen im Weiterzug erfolgt in der Praxis zumeist an zylinderförmigen, hohlen Bauteilen, wobei der Durchmesser zylindrischer Bauteilabschnitte in den nachfolgenden Ziehprozessen schrittweise reduziert wird. Hierbei werden die Verfahren Gleichlaufweiterziehen, Stülpziehen und Abstreckgleitziehen eingesetzt. Beim Gleichlaufweiterziehen wird zwischen dem Ziehen ohne und dem Ziehen mit Blechhalter unterschieden (Abb. A-20). Das Ziehen ohne Blechhalter ist bis zu einer bestimmten werkstoffspezifischen Blechdicke möglich. Bei geringeren Blechdicken muss aufgrund der zu geringen Knickstabilität mit einer Faltenbildung gerechnet werden. Entstehen beim Weiterziehen Falten 1. Art, so treten diese meist erst gegen Ende des Ziehvorgangs auf, wenn der obere Rand des Werkstücks bereits über den Matrizeneinlaufradius gezogen wurde. Prinzipiell sind jedoch zur Faltenunterdrückung geringere Blechhalterkräfte als beim Ziehen im Erstzug erforderlich. Der Blechhalter übernimmt während des Weiterziehens nicht nur die Funktion der Unterdrückung von Falten 2. Art, sondern auch eine Ausfüll- und Abstützwirkung und auch das Erzeugen von Rückhaltekräften. Neben dem Risiko des Entstehens von Falten 1. Art entsteht zu Beginn des Weiterzuges in der freien Umformzone ebenfalls das Risiko der Entstehung von Falten 2. Art. Diese freie Umformzone befindet sich in Bereichen des Ziehteils zwischen Ziehring und Stempel, die nicht am Ziehring oder Stempel anliegen. Blechhalter s Ziehring (Matrize) F BH r R F Z d 1 d R d St III d 2 Stempel I α II α= α für ein gänzliches Durchziehen eingesetzt, da das erreichbare Ziehverhältnis niedriger liegt als das des zuvor dargestellten Weiterziehens. Vielfach werden bei einfachen Werkstückgeometrien heute Erst- und Stülpzug im selben Arbeitsgang, d.h. in einer einzigen Werkzeugstufe im selben Pressenhub durchgeführt. Voraussetzung hierfür ist jedoch entweder eine dreifach wirkende Umformpresse oder eine gleichartige Funktionsweise des Umformwerkzeuges Stempel für den Erstzug 2... Blechhalter für den Erstzug 3... Stempel für den Stülpzug 4... Blechhalter für den Stülpzug 5... Ziehring für den Erstzug Abb. A-21: Wirkprinzip des konventionellen Stülpziehens (links: Ausgangssituation mit Werkstück aus dem Erstzug; rechts: Funktionsweise des Stülpstempels) Anwendung findet das Verfahren des Stülpziehens bei rotationssymmetrischen, quadratischen oder rechteckigen Bauteilgeometrien, wie in Abb. A-22 dargestellt. In den meisten Fällen ersetzt das Stülpziehen den mehrfachen Weiterzug von Bauteilen aus Blech. Durch eine geschickte Wahl der Stufenfolge können auch andere Umformoperationen und damit auch technischer Aufwand für den Transport der Werkstücke innerhalb des Werkzeugsatzes entfallen (Abb. A-22 rechts). r St Ronde schneiden Ronde schneiden Tiefziehen Tiefziehen Abb. A-20: Gleichlaufweiterziehen mit Blechhalter Ziehen Stülpen 4.2 Stülpziehen Das Stülpziehen von Ronden gehört ebenfalls zu den Verfahren des Weiterziehens, wobei die Wirkung des Stülpstempels (Komponente 1 in Abb. A-21) in entgegengesetzter Wirkrichtung des Stempels des Erstzugs liegt (Abb. A-21). Die Innenseite des Werkstückes aus dem Erstzug wird damit zumindest teilweise zur Außenseite des Blechteils. In der Regel wird das Stülpziehen nicht Ziehen Ziehen Rand hochstellen Rand hochstellen Radien formpressen Ziehen Ziehen Radien formpressen Abb. A-22: Entfall von Umformstufen durch Einsatz des Stülpziehens 15

16 B Werkzeuge der Blechumformung 1 Situation Werkzeugbau Der Werkzeugbau am Standort Deutschland umfasst derzeit etwa Unternehmen und beschäftigt ca Mitarbeiter. Dadurch befindet sich der Werkzeugbau in der industriellen Schlüsselposition. Mit ca. 4,4 Mrd. Umsatz in 2012 trägt er auch wesentlich an der Beschäftigungssituation und der wirtschaftlichen Entwicklung in Deutschland bei. 2 Der VDMA, Verband deutscher Maschinen und Anlagenhersteller mit Sitz in Frankfurt, vertritt die Interessen des Werkzeugbaus im Fachzweig Präzisionswerkzeuge. Dieser ist einer unter 39 Fachzweigen des Maschinenbaus. Eine Ausnahme in Bezug auf die Größenverhältnisse bilden unternehmensinterne Werkzeugbaueinheiten der Automobilhersteller und anderer produzierender Großunternehmen, die teilweise mehr als Mitarbeiter umfassen. Obwohl der typische Werkzeugbau zu den KMU zählt, sind seine Aufträge in der Regel großvolumig und zeitaufwendig. Der Anteil eines einzelnen Auftrags am Gesamtumsatz ist daher vergleichsweise hoch. Die Unternehmen des Werkzeugbaus beschäftigen anteilig wesentlich mehr hochspezialisierte Fachleute als die meisten Sektoren der Industrie. Die Branche ist sehr arbeitsintensiv. Daher ist der Anteil der Personalkosten am Umsatz wesentlich höher als in vielen anderen Branchen und beispielsweise etwa doppelt so hoch wie in der Automobilindustrie. In der deutschen Automobilindustrie werden ca. 65% der Blechumformwerkzeuge von den OEM selber gefertigt, die restlichen 35% werden von Zulieferern übernommen. Abb. B-1: Erzeugnisspektrum im Werkzeugbau (Bildquelle: RWTH Aachen) Unsere Branche kann im Moment sehr zufrieden sein. Ich sehe das auch der Tatsache geschuldet, dass es durch die Krise eine Marktbereinigung gab und sich das Auftragsvolumen auf weniger Betriebe verteilt. Wer jetzt jammert, der sollte sein Geschäftsmodell überprüfen. Die Werkzeugbauer aus dem deutschsprachigen Raum stehen nach wie vor an der Spitze. Ich sehe keine internationale Konkurrenz, vor der wir uns fürchten müssen. 3 Der deutsche Werkzeugbau ist mittelständisch geprägt. Von den insgesamt rd Werkzeugbauunternehmen in Deutschland haben über 80 Prozent weniger als 20 Mitarbeiter. Noch nicht einmal ein Prozent der Firmen haben mehr als 100 Mitarbeiter. 2 Quelle: VDMA-Fachverband Präzisionswerkzeuge 3 Marco Schülken, Vorsitzender der Fachabteilung Werkzeugbau VDMA-Fachverband Präzisionswerkzeuge 2 Bauarten 2.1 Einteilung nach den Verfahren Eine Fahrzeugkarosserie besteht aus insgesamt ca. 350 Blechformteilen. Diese lassen sich unterteilen in Beplankungsteile (ca. 20), Strukturteile (ca. 150) und Kleinteile (ca. 180). Blechformteile werden in mehreren Fertigungsschritten hergestellt, bei großflächigen Karosserieteilen sind es üblicherweise 4-6 Stufen, auch Operationen genannt, Als Fertigungsverfahren werden neben Prozessen des Umformens (Tiefziehen, Streckziehen, Biegen, usw.) auch Verfahren des Trennens (Beschneiden, Lochen usw.) eingesetzt. Folglich können Werkzeuge hinsichtlich des damit ausgeführten Verfahrens unterschieden werden, wobei Beschneide- und Nachformoperationen oftmals innerhalb eines Werkzeugs kombiniert werden. Ziehwerkzeuge dienen dazu, die Form des Blechteils im Tiefziehverfahren weitestgehend herzustellen. Mit Schneidwerkzeugen werden Ausschnitte (Fenster, Türen, etc.) und die Außenkontur des Blechteils - in mehreren Beschneidvorgängen - hergestellt. Mit Biegewerkzeugen werden z.b. Flansche für spätere Falzoperationen geformt. In Nachformwerkzeugen werden weitere Formgebungen, wie Flansche ab- und einstellen oder Radien schärfen, durchgeführt. 16

17 2.2 Einteilung nach der Bauart Folgeverbundwerkzeuge Folgeverbundwerkzeuge bestehen aus mehreren Umform- und Schneidoperationen (Biegen, Prägen, Formen, Anschneiden, Ausschneiden uvm.), die stets am zusammenhängenden Streifen (oder Steg) in 10 bis 30 Einzeloperationen aufeinander folgen (Abb. B-2). Diese Werkzeugart findet Anwendung bei der Herstellung von kleinen und sehr kleinen Blechformteilen mit hohen Gesamtstückzahlen und einem Leistungsvermögen der dafür spezifischen Pressen bis zu Hub/min. Haupteinsatzgebiet von Einzelwerkzeugen stellt derzeit die Karosserieteileproduktion und die Hausgeräteindustrie dar. Derartige große Einzelwerkzeuge (Einzelgewichte pro Werkzeug bis zu 60 to) werden üblicherweise in Pressenlinien oder in Großteilstufenpressen mit bis zu 20 Hub/min. betrieben. Abb. B-2: Folgeverbundwerkzeug (Bildquelle: Fischer IMF GmbH & Co. KG) Abb. B-4: Einzelwerkzeuge (Bildquelle: Audi AG) Einzelwerkzeuge werden aus technologischen Gründen entweder mit einer einfachen Bauteilform belegt (Einfachanlage) oder zur Erhöhung der Ausbringung auch mit 2, 4 oder 8 ähnlichen Geometrien belegt (Mehrfachanlage), Abb. B Stufenwerkzeugsätze Stufenwerkzeugsätze bestehen aus mehreren mittelgroßen Einzelwerkzeugen, die auf einer gemeinsamen Grundplatte und Kopfplatte montiert sind (Abb. B-3). Diese Werkzeuge werden zur Fertigung von kleinen bis mittelgroßen Blechformteilen mit relativ hohen Losgrößen und einem Hubzahlbereich zwischen 20 und 80 Hub/min. eingesetzt. Die maximale Tischlänge beträgt üblicherweise bis zu 6 Meter. Abb. B-5: Ziehwerkzeug 4-fach fallend (Bildquelle: Tianjin Motor Dies Europe GmbH) Abb. B-3: Stufenwerkzeugsatz für ein Verstärkungsteil aus Blech (Bildquelle: AWEBA Werkzeugbau GmbH) Einzelwerkzeuge Einzelwerkzeuge werden heute für die Herstellung großflächiger Blechformteile (Abb. B-4) eingesetzt. 2.3 Einteilung nach der Funktionsweise Bei der Auslegung und Konstruktion eines Werkzeugsatzes muss immer die Spezifikation der für den späteren Einsatz vorgesehenen Umformmaschine berücksichtigt werden. Neben den geometrischen Einbaubedingungen spielen hier die Wirkungsweise der Presse, Presskräfte, Pinolenbild, Kinematik des Stößels, zulässige Außermittigkeiten, Einbauraum, Auswerfer- und Anheberfunktionen uvm. eine Rolle. Dementsprechend unterscheidet man doppeltwirkende Werkzeuge und Werkzeuge für einfachwirkende Pressen. Bei doppeltwirkenden Werkzeugen (Abb. B-6) verfügt die Maschine über zwei eigenständige, separat angetriebene Presskraftachsen, die zeitlich versetzt zum Einsatz 17

18 kommen. Bezogen auf Tiefzieh- oder Scherschneidprozesse wird üblicherweise der Werkzeugstempel (Ziehen, Formen, Schneiden) mit dem innenliegenden Stößel verbunden und der Blech- oder die Niederhalter für die Folgeoperationen am außenliegenden Stößelsystem befestigt. Die Matrizen in den Folgeoperationen werden oftmals in der Werkzeuggrundplatte integriert und werden auf dem Pressentisch befestigt. Bei großen Ziehwerkzeugen, die nach diesem Prinzip konstruiert sind, erfolgt der Ziehvorgang von oben nach unten und das fertig gezogene Ziehteil (noch im Werkzeug liegend) erinnert an eine Wanne mit oben liegendem Ziehflansch. Man spricht in diesem Fall vom Ziehen in Wannenlage. Abb. B-8 zeigt die Pinolen einer Zieheinrichtung ohne das Unterwerkzeug. Ziehstößel Blechhalterstößel Blechhalter Stempel Ziehteil Matrize Abb. B-6: Ziehwerkzeug für doppeltwirkende Presse Im Falle großer einfachwirkender Karosserieziehwerkzeuge wird der Ziehstempel dagegen auf dem Pressentisch angeordnet und der Blechhalter liegt auf den Pinolen der Zieheinrichtung auf, die im Fußstück der Ziehpresse integriert ist. Hierbei wird die Ziehmatrize stets am Stößel befestigt, so dass das fertig gezogene Ziehteil (noch im Werkzeug liegend) an einen Hut mit unten liegendem Ziehflansch erinnert. Man spricht in diesem Fall daher auch vom Ziehen in Hutlage (Abb. B-7). Ziehstößel Matrize Ziehteil Abb. B-8: Pinolen einer 10-Punkt Zieheinrichtung (Bildquelle: IFU) 2.4 Einteilung nach dem Einsatz Ein weiteres Kriterium für die Einteilung von Umformwerkzeugen ist die Art des Einsatzes. Hierbei wird in Abhängigkeit der zu erwartenden Stückzahl und der geforderten Teilequalität zwischen Prototypwerkzeugen (siehe Abschnitt 4) und Groß- bzw. Kleinserienwerkzeugen unterschiedenen. In einigen Fällen werden auch Versuchswerkzeuge zur Erprobung und Gewinnung von Erkenntnissen für das spätere Serienwerkzeug eingesetzt. 3 Teiletransfer In enger Wechselwirkung des gewählten Konstruktionskonzeptes des Umformwerkzeuges mit der Wirkungsweise der Umformmaschine erfolgt auch die Auswahl des optimalen Teiletransferprinzips. Die folgende Tabelle zeigt in einer Übersicht die üblicherweise eingesetzten Transfersysteme. 4 Werkzeug Presse Transfer Folgeverbundwerkzeug Einzelpresse Streifen (Balken) Blechhalter Stempel Druckbolzen Stufenwerkzeug Einzelpresse Einzelwerkzeug Pressenlinie GT-Presse Streifen, Balken Roboter, Feeder Balken, Sauger Zieheinrichtung Abb. B-7: Ziehwerkzeug für einfachwirkende Presse 4 Transfersysteme werden ausführlich in der Vorlesung Maschinen und Anlagen der Umformtechnik I behandelt. 18

19 In Pressenlinien erfolgt der Transfer des Blechformteils mechanisiert von Werkzeug zu Werkzeug durch Feeder oder Roboter (Abb. B-8). In Großteil-Transferpressen werden Transportsysteme mit Greiferschienen oder Saugerbrücken eingesetzt, die sich im seitlichen Arbeitsraum der Presse bewegen. Bei Folgeschneid- und Folgeverbundwerkzeugen, aber auch teilweise bei kleineren Stufenwerkzeugsätzen wird das Halbzeug oftmals vom Coil oder als Blechstreifen zugeführt. Nach jedem Hub wird der gesamte Blechstreifen in einer definierten Schrittweite, welche dem Stufenmittenabstand entspricht, weitertransportiert. Das Werkstück verbleibt bis zum letzten Arbeitsgang teilweise / bereichsweise mit dem Streifengitter verbunden und wird erst im letzten Arbeitsschritt abgetrennt bzw. vereinzelt (Abb. B-11). Der Vorteil hierbei ist, dass für diese Werkzeuge keine Transfereinrichtung erforderlich ist. Nachteilig dagegen ist, dass durch die beiden erforderlichen Seitenstreifen der Blechabfall größer ist. Abb. B-9: Bauteiltransfer mit Roboter und Saugerspinne Der Transfer der Werkstücke aus den Zwischenoperationen erfolgt in Stufenwerkzeugsätzen in der Regel ebenfalls über Greiferschienen. Abb. B-10 zeigt den Transport der Umformteile mit Hilfe von zwei Transferschienen, die mit bauteilspezifischen Greifern ausgerüstet sind, von einer Stufe zur nächsten. Alle Bauteile werden einzeln gegriffen. Abb. B-10: Teiletransfer mit Greiferschienen (Bildquelle: Fischer IMF GmbH & Co. KG) Abb. B-11: Teiletransfer im Blechstreifen (Bildquelle: Fischer IMF GmbH & Co. KG) Vor dem konstruktiven Entwicklungsprozesses eines Umformwerkzeugsatzes muss zuerst unterschieden werden, ob es sich um großflächige Bauteile (z.b. Außenhautbauteile, Verkleidungsteile) handelt, die in Einzelwerkzeugen gefertigt werden sollen, es sich um Struktur- oder Verstärkungsteile handelt, die in Einzel- oder auch Stufenwerkzeugsätzen hergestellt werden können, oder es sich um eher kleine Bauteile handelt, welche in Folgeverbundwerkzeugen gefertigt werden. Weiterhin müssen die betrieblichen Randbedingungen, wie die zur Verfügung stehenden Umformmaschinen, das Konzept des Teiletransfers, die geplanten Losgrößen, die zu erzielende Lebensdauer der Betriebsmittel, die Betriebslogistik, die erforderliche Ausbringung uvm. bei der Festlegung der Werkzeugkonstruktion berücksichtigt werden. In allen Fällen dient der CAD-Datensatz oder, bei geometrisch einfachen Bauteilen, die Teilezeichnung als Basis für den gesamten Werkzeugentwicklungsprozess. 19

20 C Werkzeugentwicklung 1 Bauteilgeometrie 1.1 Design und Aufbau von Modellen Bei den Automobilherstellern werden ausgehend von Designskizzen und Designstudien (Abb. C-1) neben dem Rendering, d.h. der Umsetzung diverser Designstudien in ein graphisches Computermodell als fotorealistische Darstellung (Abb. C-2), letztlich auch körperliche Modelle der neu zu entwickelnden Fahrzeugreihe hergestellt. Diese Modelle werden aus Clay, einem nahezu idealplastischen Modellierwerkstoff auf Wachsbasis, aufgebaut. Abb. C-1: Designskizze (Bildquelle: Abb. C-4: Modellierung am Clay-Modell, Beispiel BMW 1- er (Bildquelle: Solche Modelle werden in der Regel im Maßstab 1:1, teilweise aber auch im kleineren Maßstab als Ansichtsmodelle hergestellt. Neben der rein manuellen Bearbeitung können Modelle alternativ durch Fräsen hergestellt werden. Hierzu wird erwärmtes Clay auf das Polystyrol als formlose Masse aufgetragen, das erkaltete Clay wird dann auf Nullmaß gefräst (Abb. C-5). Die Fräsprogramme werden zuvor aus den vergleichsweise einfachen Konzeptflächen des Fahrzeugdesigns abgeleitet. Erst dieses gefräste Modell ermöglicht eine genaue Beurteilung von physikalischen Proportionen und Formen der Fahrzeugaußenhaut im Maßstab 1:1. Das Design kann dann, sofern erforderlich, durch manuelle Bearbeitung weiterentwickelt und manipuliert werden, bis die gewünschte finale Form erreicht ist. Abb. C-2: Rendering am Beispiel Audi R8 Ein derartiges Fahrzeugmodell besteht aus einem Holz- oder Metallrahmen, auf dem Polystyrolplatten befestigt sind. Auf diese wird dann die Modelliermasse Clay aufgetragen (Abb. C-3) und die Fahrzeugkontur manuell geformt (Abb. C-4). Abb. 9: Manuell aufgetragenes und erkaltetes Clay für das Modell einer Tür (Bildquelle: Troydesign) Abb. C-5: Fräsbearbeitung eines Clay-Modells (Bildquelle: Troydesign) Anschließend wird dieses Modell des Fahrzeugs taktil (mittels 3D- Koordinatenmessmaschinen), stereophotogrammetrisch oder mittels 3D-Scanner digitalisiert (Abb. C-6). Die Datendichte wird hierbei mit den heute üblicherweise eingesetzten Systemen meistens automatisch in Abhängigkeit von der lokalen Krümmung festgelegt. Das Ergebnis stellt eine digitale Messpunktewolke dar, das sogenannte Rohdatenmodell. Aus diesen Punktdaten müssen nun die Flächen abgeleitet bzw. erzeugt werden. 20

21 Abb. C-5: Digitalisierung eines Clay-Modells im Maßstab (Bildquelle: Gesellschaft für optische Messtechnik mbh) 1.2 Flächengenerierung Eine Abteilung großer Automobilhersteller, die so genannte Strakabteilung, konstruiert nun mittels sogenannter CAS-Systeme (Computer Aided Styling) Freiformflächen höchster Güte aus diesem Rohdatenmodell. Das hierbei eingesetzte CAS- System ICEM Surf beispielsweise ist in der Automobilbranche stark verbreitet. Eventuell vorhandene Unebenheiten des Plastelinmodells, welche dann auch in den Rohdaten der Kontur- bzw. Flächenvermessung auftreten, müssen ausgeglichen werden, wobei computerunterstützte, interaktive graphische Methoden eingesetzt werden. Mit deren Hilfe wird entweder ein Netz von Formleitlinien (Skelett) erzeugt, welches dann zum Flächenmodell umgewandelt werden kann, oder aber man erzeugt aus den Rohdaten in einer Rasterstruktur definierte Flächen bzw. Patches, die ihrerseits krümmungsstetig miteinander verbunden werden und somit die theoretischen Kanten oder Formleitlinien erst erzeugen. Vorentwicklung Vorentwicklung Design Design Klassischer Klassischer Weg: Math. Weg: Math. Modell Modell vom vom Handgefertigtes Handgefertigtes Clay- Stylingsystem Clay- Stylingsystem Modell Modell Digitalisierung ( Digitalisierung ( Rohdaten) Rohdaten) Rohdaten Rohdaten Flächenerzeugung Flächenerzeugung Schleife Schleife zum zum Design Design Virtuelle Virtuelle Tonmodellierung Tonmodellierung ( Facettenmodell) ( Facettenmodell) Werkzeugkonstruktion Werkzeugkonstruktion Wechselwirkung Wechselwirkung FEM-Prozesssimulation FEM-Prozesssimulation Gerippekonstruktion Gerippekonstruktion Optimierung Optimierung der der Ankonstruktion Ankonstruktion für für den den Werkzeugbau Werkzeugbau Flächenmodifikation Flächenmodifikation Die Flächenmodellierung der Außenhaut des Fahrzeugs kann generell in zwei Phasen unterteilt werden: Die Erzeugungs- und die Modifikationsphase. In der industriellen Praxis entfallen zum Teil mehr als 80% des Zeitaufwandes der Flächenmodellierung auf die Modifikationsphase. Am äußeren Erscheinungsbild von Fahrzeugen wird fortlaufend geändert und optimiert (Struktur- und Übergangsqualität), bis die endgültige Fahrzeugaußengeometrie nach möglichst modernen Design-Merkmalen in Form eines CAD-Modells zur Verfügung steht. Abb. C-6 verdeutlicht prinzipiell diese Vorgehensweise, bei welcher ein produktionsreifes Flächenmodell aus dem ursprünglichen Designmodell generiert wird. An alle sichtbaren Bauteilflächen des Exterieurs als auch des Interieurs von Fahrzeugen werden besonders hohe Anforderungen hinsichtlich Stilistik und Ästhetik gestellt. Diese mathematischen Flächenbeschreibungen erfordern daher besondere Sorgfalt beim Strakprozess. Sie werden auch als Class A -Flächen bezeichnet. Nicht sichtbare Innenflächen müssen keine ästhetischen, dafür aber funktionelle Anforderungen erfüllen und werden daher als Class B -Flächen eingeordnet. Darüber hinaus gibt es noch Class C -Flächen. Hierbei handelt es sich um Flanschflächen und Flächen der Ankonstruktion des Tiefziehteils (siehe Abschnitt Umformmethode in diesem Kapitel). Diese Flächen gehören nicht zur späteren Bauteilgeometrie, stattdessen handelt es sich hierbei um Bereiche des Ziehteils, die nach dem Ziehen ganz oder teilweise abgeschnitten werden. Bei der Konstruktion von Class A -Flächen mit einem CAD-System sind bestimmte Regeln zu beachten, welche auszugsweise in folgender Übersicht dargestellt sind. Die Flächen eines Bauteils sind aus sogenannten Patches, d.h. mehreren ebenen oder wohldefiniert gekrümmten Teilflächen aufgebaut. Bei deren mathematischer Beschreibung handelt es sich hierbei in modernen CAD-Systemen meist um Bézier-Flächen (Splines) (Abb. C-7), wobei die Ordnung der einzelnen Patches so niedrig wie möglich gewählt werden sollte. P 01 P 10 P02 P 11 P 03 P 20 P 12 P 21 P 30 P 22 P 31 P 32 P 13 P 23 P 33 Abb. C-6: Einzelschritte der gesamten Prozesskette zur Flächengenerierung 5 5 Bonitz, P.: Freiformflächen in der rechnerunterstützten Karosseriekonstruktion und im Industriedesign. Springer Verlag, Heidelberg, 2009, ISBN P 04 Abb. C-7: Generierung einer Bézier-Fläche Die Anzahl an Patches zur Beschreibung einer gesamten Bauteilgeometrie sollte ebenfalls so niedrig wie möglich festgelegt werden. Dies bedeutet, dass die einzelnen Patches so groß wie möglich ausgelegt werden sollten. Hierzu bieten die 21

22 CAM-Systeme entsprechende Tools zur Unterstützung. Bei dem in Abb. C-8 gezeigten Beispiel sind vor der Korrektur des Face-Layouts die Einzelflächen schlecht an die Verrundungen angepasst. Nach der Korrektur (so wenig Flächen wie möglich, so viele wie nötig) folgt die Flächenausrichtung nun der Verrundung. 1.3 Flächenanalyse Bei den Übergängen zwischen den Nachbarpatches ist zu beachten, dass diese positions-, krümmungsund tangentenstetig ausgeführt werden. Positionsstetigkeit bedeutet, dass die Endpunkte zweier Kurven oder Flächen ohne Spalt zusammentreffen. Trotzdem können Kurven oder Flächen sich in einem Winkel berühren, der zu einer scharfen Kante oder Ecke an dieser Stelle führt und Störungen bei Lichteffekten verursachen kann. Bei Parallelität der Endvektoren spricht man von Tangentenstetigkeit; hiermit werden scharfe Kanten unterbunden. Solche tangentenstetigen Übergänge zwischen Patches erfüllen bei vielen Bauteilen die Anforderungen an die heute geforderte Oberflächenqualität. Bei gleichem Betrag der Orientierung der Endvektoren besteht Krümmungsstetigkeit zwischen zwei benachbarten Teilflächen. Ein beleuchteter krümmungsstetiger Übergang zeigt bei der Projektion von beispielsweise sog. Zebra-Lines keine Veränderung der Lichteffekte an diesem Übergang, so dass die zwei benachbarten Flächen als eine einzige Fläche erscheinen, was vom menschlichen Auge als optisch glatt wahrgenommen wird. Abb. C-8: Flächenmodell vor (oben) und nach (unten) der Korrektur (Bildquelle: Tebis Technische Informationssysteme AG) Es ist jedoch zu beachten, dass die Abweichung von den Rohdaten (Punktewolke) nicht zu groß wird, das heißt, dass die ursprünglichen Designmerkmale möglichst formgenau beibehalten werden müssen. Abb. C-9 zeigt hierzu beispielhaft die Abweichungen eines neu generierten Flächenmodells zu den ursprünglichen Scan-Daten. Abb. C-9: Darstellung der Abweichungen des Flächenmodells zum Scan (Bildquelle: Tebis Technische Informations-systeme AG) Abb. C-10: Flächenübergänge von Freiformflächen (Bildquelle; Birkert et. al.) Die Länge der auf den Kurven senkrecht aufgetragenen Stacheln steht für das Ausmaß der Krümmung am jeweiligen Kurvenpunkt. Lange Stacheln bedeuten große Krümmung, kurze Stacheln eine kleine Krümmung. Verbindet man die Enden der Stacheln mit einer Kurve, so ergeben sich die Krümmungsverläufe. 22

23 Bereits während der Design- und Konzeptphase ist die spätere umformtechnische Herstellbarkeit des Blechformteils zu berücksichtigen. Zielsetzung ist eine robuste, prozesssichere Fertigung. Erste wichtige Entscheidungen hinsichtlich zum Beispiel der Aufteilung in mehrere Einzelteile und des zu wählenden Fertigungskonzeptes sind bereits frühzeitig zu treffen. Hierzu sind die Methodenplanung und der Werkzeugbau bereits mit einzubeziehen. Üblich sind hierbei Bauteilanalysen und erste Machbarkeitsbewertungen anhand vorliegender Clay- oder anderer Modelle bzw. unter Zuhilfenahme der VR. Außerdem erfolgt bereits sehr frühzeitig eine Designanalyse der bis dato vorliegenden CAD- Daten mittels sogenannter Lichtlinien oder Zebra- Lines (Abb. C-11). Abb. C-11: Lichtlinienanalyse (Bildquelle: : DYNAmore GmbH) Bei dieser Analyse wird die Oberflächenqualität anhand des Reflexionsverhaltens von Lichtlinien beurteilt. Insbesondere die Stetigkeit der einzelnen Flächenübergänge und die Homogenität insgesamt kann hierdurch beurteil werden. Auch wird diese Analyse über mehrere benachbarte Bauteile hinaus ausgedehnt, um z.b. über die gesamte Seitenfläche einen gleichmäßigen Verlauf zu gewährleisten. Bereits sehr frühzeitig können so in enger Zusammenarbeit des Designs mit der Entwicklung und der Fertigung die erreichbaren Qualitäten bewertet und weiter optimiert werden. Dies betrifft insbesondere Kriterien wie Fugenbilder, Toleranzen, Radien, Falze, Passungen zu Leuchten oder die Markanz von Designkanten. 1.4 Konstruktionsdatensatz Abb. C-12 zeigt den fertig gestellten Konstruktionsdatensatz (KDS) am Beispiel eines Kotflügels. Bei Außenhautteilen werden die formgebenden Flächen (blau) wie beschrieben im Design erzeugt. Alle fertigungstechnisch relevanten Flächen (orange) werden in der Entwicklung/Konstruktion erzeugt und dienen z.b. als Fügeflansche für Anschlussbauteile. Abb. C-12: CAD-Datensatz eines Außenhautteils (Bildquelle: Daimler AG) Der Entwicklungs- und Entstehungsprozess der Umformwerkzeuge ist somit in den gesamten Produktentstehungsprozess integriert und involviert. Der Werkzeugentstehungsprozess kann in mehrere Schritte unterteilt werden, wobei drei Hauptphasen definiert werden können: 1. Parallel zur Fahrzeugentwicklung erfolgt die Konzeption und Konstruktion der Umformwerkzeuge 2. Anfertigung der Werkzeuge, Einarbeitung 3. Inbetriebnahme der Werkzeuge parallel zum Anlauf der Serienproduktion. 2 Prozessfolge 2.1 Fertigungsverfahren Folgende Fertigungsverfahren kommen zum Einsatz: Tiefziehen: Grundsätzlich ist das Tiefziehen das erste formgebende Fertigungsverfahren in der Operationsfolge. Beschneiden: Hierbei handelt es sich um ein trennendes Fertigungsverfahren, in dem die Außenform und die großen Ausschnitte des Bauteils durch Wegschneiden von Abfallblechen hergestellt werden. Lochen: Wird eingesetzt zur Herstellung kleinerer Ausschnitte, die rund oder auch beliebig geformt sein können. Das Loch wird mit einem Lochstempel ausgestanzt. Nachformen: Hierbei handelt es sich um eine Kombination (Mischform) aus Biegen, Dehnen und Stauchen. Teilbereiche des Bauteils, die nicht fertiggezogen werden konnten, werden in die geforderte Geometrie gebracht. Als richtungsbezogene Bezeichnungen werden Hochstellen (entgegen der Arbeitsrichtung) und Abstellen oder Abkanten (in Arbeitsrichtung) verwendet. Kalibrieren (auch Nachschlagen genannt): Wird am Ende der Arbeitsfolge eingesetzt, um 23

24 Abweichungen der Bauteilform von der Sollgeometrie durch Kalibrierwerkzeuge zu korrigieren. 2.2 Folgeverbundwerkzeuge Zur Herstellung kleinerer Blechformteile (auch genannt Stanzteile) werden wie beschrieben sogenannte Folgeverbundwerkzeuge (auch genannt Stanzwerkzeuge) eingesetzt. Diese bestehen aus zahlreichen Umform- und Schneidstufen, deren Auslegung meist erfahrungsbasiert erfolgt. Man spricht auch vom sogenannten Streifen (Abb. C- 12). Je nach Konfiguration der einzusetzenden Presse besteht durch den Einsatz von Schieberwerkzeugen die Möglichkeit, einzelne Verfahren auch innerhalb einer Pressenstufe miteinander zu kombinieren. Die Größe und der Aufbau der verfügbaren Presse sowie die Abfallbeseitigung begrenzen den Einbauraum und lassen nicht jede beliebige Schieberintegration zu. 3 Umformmethode 3.1 Werkzeugentwicklung In Abb. C-13 ist in einer Übersicht der gesamte Entstehungsprozess eines Umformwerkzeuges für Karosserieteile, ausgehend von der Entwicklung und der Konstruktion bis hin zur Inbetriebnahme, detaillierter dargestellt. Engineering Modellbau Aufbau, Montage Endform Bearbeitung Abb. C-12: Operationsfolge Folgeverbundwerkzeug bzw. Streifengitter (Bildquelle: Brinkmann GmbH) Grundbearbeitung Werkzeugkonstruktion Guss Vorformbearbeitung Montage & Tryout 2.3 Stufen- und Einzelwerkzeuge Die erste Operation bildet stets den (ersten) Ziehvorgang, wobei die Platine meist in ebener Lage auf den vorwiegend ebenen oder ein- bzw. zweisinnig gekrümmten Blechhalter aufgelegt wird. Um das Ziehteil nach der ersten Umformoperation nicht wenden zu müssen, werden die Ziehoperationen heute zumeist in einfachwirkenden Ziehpressen mit Ziehapparat ausgeführt. Die Folgeoperationen, im Besonderen ein weiterer Ziehvorgang oder Beschneide-, Nachform- oder Schieberoperationen, erfolgen dann in Folgepressen mit gleichen Tischgrößen, jedoch mit geringerer Presskraft. Die im Automobilbau insbesondere bei Außenhautteilen sehr hohe geforderte Oberflächenqualität führt zu der Bedingung, dass alle Sichtbereiche am Fertigteil bereits in der ersten Ziehstufe fertig ausgeformt sind. Als Vorbereitung auf die Werkzeugkonstruktion sind folgende Planungsentscheidungen zu treffen: Arbeitsrichtung in der Ziehstufe Ausführung als Einzel- oder Doppelteil Auswahl einzusetzender Umformprozesse Festlegung der Operationsreihenfolge: Die Anzahl und Reihenfolge der umformenden Operationen ist hierbei von entscheidender Bedeutung. Abb. C-13: Gesamter Werkzeugentwicklungs-Prozess (Bildquelle: CENIT) In den folgenden Ausführungen wird entlang dieser Prozesskette ausführlich auf die einzelnen Schritte eingegangen. Bei der Entwicklung von Umformwerkzeugen für z.b. Karosserieaußenhautteile wird, ausgehend von den CAD-Daten der geforderten Bauteilgeometrie zunächst die sogenannte Umformmethode, d.h. die Folge der schrittweisen Umform- und Schneidvorgänge in Abhängigkeit von den Raumverhältnissen und der Aufteilung von Umformoperationen in den Folgewerkzeugen entwickelt. Die Methodenplanung kann dabei als komplexer und stark erfahrungsbasierter Vorgang angesehen werden, wobei viele Einzelheiten berücksichtigt werden müssen und umformtechnisches Wissen des Methodenplaners erforderlich ist. Vielfach kann jedoch auf ähnliche Bauteilgeometrien, für welche im Unternehmen bereits eine funktionierende Umformmethode vorliegt, zurückgegriffen werden. Unterstützung erhält der Methodenplaner darüber hinaus von der FEM-Prozesssimulation (siehe Abschnitt Rechnergestützte Erstellung von Methodenplänen ). 24

25 Um den Methodenplan für ein Blechformteil zu erstellen, müssen u.a. folgende Randbedingungen bekannt sein: Zur Verfügung stehende Pressen und Transfereinrichtungen, Typ und Größe der Pressen, Presskräfte, Automatisierungsgrad Blechwerkstoff: Blechgüte und Blechdicke Hubzahl pro Minute Zu erwartendes Produktionsvolumen in einem bestimmten Zeitraum Werkzeug- und Liefervorschriften für Betriebsmittel Vorschriften, welche den weiteren Zusammenbau des Blechformteils betreffen (Schweißflanschbreite, Fügeflächen) Bauteiltoleranzen Materialausnutzung, Verschnitt Qualitätsansprüche an das Blechformteil Produktionslogistik Technische Ausstattung der Einzelwerkzeuge. Die Herstellung der Platine, der Platinenschnitt, erfolgt mit geraden (Messerleiste, Messerbalken) oder schrägen (Schwenkschere) Beschnittkanten. Die Platine kann aber auch aus einer individuellen Form (Formplatinenschnitt), ggf. mit Aussparungen, bestehen. 3.2 Entwicklung der Ziehanlage Die Ziehoperation, d.h. die erste Operation stellt an den Methodenplaner große Anforderungen. Insbesondere bei Karosserie-Außenhautteilen muss heute aufgrund der geforderten Oberflächenqualität des Blechformteils der Ziehvorgang in nur einem einzigen Werkzeug erfolgen. Die nachfolgenden Operationen dürfen nur noch Schneid-, Nachformund Abkantvorgänge enthalten. Für die Ziehoperationen hat der Methodenplaner die Aufgabe, die sogenannte Ziehanlage zu entwickeln. Unter dem Begriff der Ziehanlage versteht man den gesamten Flächenverbund, bestehend aus der bauteilbezogenen Ausgestaltung der Blechhalterund Matrizenwirkflächen, aus der der Rückfederung des Bauteils angepassten Wirkfläche des Ziehstempels sowie aus den Stempelergänzungsflächen. Die Auslegung des Ziehwerkzeuges und Festlegung der finalen Wirkflächen erfordert eine große Erfahrung des Methodenplaners, da die technologischen Abhängigkeiten aus den Folgeoperationen quasi rückwärts auf die Lage des Ziehteils (im Raum) und die Details der Ziehanlage (Stempelergänzungsflächen, Winkel, Schnitte usw.) projiziert werden müssen. Bei der Methodenplanung sind daher nicht nur die Teilaufgaben der Integration von Halte-, Umform- und Scherschneidoperationen in die Werkzeugkonstruktion zu lösen, sondern auch die geometrische Abhängigkeit der verschiedenen Werkstückbereiche in den einzelnen Umformoperationen untereinander zu berücksichtigen Platinenform Die Festlegung der optimalen Platinenform erfolgt entweder manuell auf Basis von Erfahrungswissen und/oder praktischen Versuchen in der Phase der Werkzeugausprobe oder rechnergestützt anhand von Zusatzmodulen der FEM-Prozesssimulation. Die endgültige Festlegung der Platinenform erfolgt dann empirisch auf der Basis des funktionsfähigen Ziehwerkzeuges nach der Einarbeitungsphase. Daher werden die Platinenschneidwerkzeuge im Falle von Formplatinen (beliebig gestalteter Umriss der Platine) stets erst gegen Ende der Einarbeitung des gesamten Werkzeugsatzes angefertigt. Prinzipiell kann durch Variation der Platinenform das Einlaufen der Platine lokal beeinflusst werden. Durch eine örtliche Vergrößerung der zwischen den Ziehrahmen geführten Platinenbereiche werden die Reibungskräfte im Bereich der Blechhaltung erhöht, aus dem sich ein verzögerter bzw. reduzierter Materialfluss ergibt. Zu beachten ist jedoch, dass diese Maßnahme ein höheres Einsatzgewicht des Bauteils zur Folge hat. Umgekehrt ergibt sich durch örtliche Reduzierung der Platinengröße eine Begünstigung des Materialflusses. Hier besteht jedoch die Gefahr, dass insbesondere gegen Ende des Ziehvorgangs nicht mehr genügend Restflanschfläche zur Rückhaltung der Platine vorhanden sein kann. Abb. C-14: Platinenform am Beispiel einer Seitenwand, dargestellt sind Blechdickenreduktion und der Platineneinlauf (Bildquelle: Audi AG) Neben der Festlegung der Platinenaußenkontur ist es bei großflächigen Blechteilen teilweise erforderlich, sogenannte Spannungsentlastungslöcher in Abhängigkeit von der zu fertigenden Bauteilgeometrie in die Platine einzubringen (Abb. C-15). Derartige Aussparungen sind immer dann erforderlich, wenn bereits während des Tiefziehensvorgangs stark durch Zugspannungen beanspruchte Platinenbereiche zum Prozessende beim Einfahren in eine Matrizengeometrie weiter umgeformt werden müssen und dadurch die Gefahr des Einreißens der Platine besteht. 25

26 Spannungsentlastungslöcher Abb. C-15: Spannungsentlastungslöcher Bauteillage, Ziehrichtung Spannungsentlastungslöcher Die endgültige Bauteillage, d.h. die Orientierung des Bauteildatensatzes im Raum zu den Hauptachsen des Ziehwerkzeuges wird aufgrund zahlreicher Wechselwirkungen aus den Folgeoperationen zeitlich erst relativ spät festgelegt. Mögliche Hinterschneidungen in Ziehrichtung, die zu berücksichtigenden Platzverhältnisse für das Anheben (Abb. C-16) und den Weitertransport des Bauteils (Abb. C-17) sowie der (zeitliche) Verlauf des Stempelkontakts mit der Platine (Abb. C-18) bilden dabei unumgängliche Randbedingungen. Abb. C-18: Stempelkontaktzonen aufgrund unterschiedlicher Bauteilorientierungen zur Bewegungsrichtung des Ziehstempels (Bildquelle: ETH Zürich, IVP) Abb. C-19 zeigt anhand eines Türaußenteils, wie bereits sehr frühzeitig kurz nach Beginn des Ziehvorgangs im Stempelkontaktbereich Falten im Bauteil auftreten. Hierbei besteht die Gefahr, dass derartige Falten, die später im sichtbaren Bauteilbereich liegen werden, nicht mehr ausgezogen werden können. A Detail A A Schnitt A-A Abb. C-19: Faltenbildung beim Anziehen der Bauteilgeometrie (Bildquelle: Volvo) Winkel zur Vermeidung eines Hinterschnitts Detail A Abb. C-16: Vermeidung von Hinterschneidungen in Ziehrichtung (Bildquelle: FTI) Abb. C-17: Auswirkung der Bauteillage auf den Weitertransport des Bauteils (Bildquelle: FTI) Flächenkonstruktion Die Ziehanlage ist neben der Stempelfläche aus mehreren Flächen aufgebaut. Abb. C-20 zeigt die prinzipielle Unterteilung der Ziehanlage in 5 Bereiche. Diese Bereiche der Ziehanlage werden wie folgt bezeichnet und voneinander abgegrenzt: A: Nicht modifizierte Teileform Unter Nicht modifizierter Teileform versteht man diejenigen Flächen des Ziehwerkzeugs, die unveränderte Geometriebereiche des Fertigteils darstellen. B: Zu kalibrierende Teileform Teilweise müssen Flächenbereiche nach dem Ziehvorgang durch Kalibrieroperationen (auch Nachschlagen genannt) in die gewünschte Soll- Geometrie des Blechteils gebracht werden. Dies betrifft insbesondere Flächenbereiche des Fertigteils, welche mit engen Radien versehen sind. Diese werden zunächst mit größeren Radien in die Ziehgeometrie abgebildet und als zu kalibrierende Teileform bezeichnet. 26

27 A B C D E Abb. C-20: Bereiche der Ziehanlage (Bildquelle: ETH Zürich, IVP) C: Ausgelegte Teileform (Kap ) Einzelne Flächenbereiche müssen ausgelegt werden. Dies bedeutet, dass Bereiche, die ansonsten einen Hinterschnitt aufweisen würden, modifiziert werden müssen. Dies betrifft auch die für das nachträgliche Falzen erforderlichen Flanschflächen, diese müssen bereits bei der Ziehstufe berücksichtigt werden. D: Blechhalterfläche (Kap ) Der Ziehprozess erfordert den Einsatz eines Blechhalters, der ein kontrolliertes Nachfließen des Blechwerkstoffs in die Ziehgeometrie realisiert. Dazu wird eine möglichst gering gekrümmte, nahezu senkrecht zur Ziehrichtung bzw. Stößelbewegung verlaufende Fläche konstruiert. E: Ankonstruktion (Kap ) Zwischen der Blechhalterfläche und der nicht modifizierten Teileform werden als Übergangsflächen die sogenannte Ankonstruktion entwickelt. Deren Gestaltung entspricht ausschließlich ziehtechnischen Anforderungen Flanschauslage Abb. C-21 zeigt die Fertigungsfolge am Beispiel einer Seitenwand, wobei hier ein Schnitt durch den Dachrahmen betrachtet wird. A A 3. Beschneiden 1. Ziehen 4. Einstellen 5. Fertig Einstellen 2. Ziehen Abb. C-21: Operationsfolge am Beispiel eines Dachrahmens (Bildquelle: Audi AG) Nach dem Ziehvorgang erfolgen das Beschneiden und daran anschließend das sogenannte Einstellen. Es ist zu berücksichtigen, dass derartige Blechformteile nach der Fertigstellung durch den Prozess des Falzens mit Anschlussbauteilen gefügt werden müssen. Hierzu dient der Flansch, der nach dem Beschneiden am Bauteil verbleibt. Bei der Auslegung der Flanschgeometrie (Flanschauslage) muss der sogenannte Falzverlust (Abb. C-22) berücksichtigt werden. Bei der Qualität insbesondere von Außenhautteilen stellt die Toleranz Umrissgeometrie ein wichtiges Kriterium dar, da das Erscheinungsbild der Fuge hierdurch direkt bestimmt wird. Vorfalzwinkel Falzverlust (FV) Fertigfalzverlust (FFV) Vorfalzverlust (VFV) Abb. C-22: Falzverlust (Bildquelle: Daimler AG) Messebene 2 Messebene 1 Bezugsebene (ideale Abkantgeometrie) Weiterhin muss bei der Konstruktion der Flanschauslage bereits der Bauteilschnitt berücksichtigt werden. Legt man an der Stelle des Beschnitts eine Tangente durch die Bauteilgeometrie, so darf der Winkel zwischen dieser Tangente und der Horizontalen (also der Vertikalen zur Stößelbewegung) maximal 15 bei Stahlblechen, bei Aluminiumblechen sogar max. 3, betragen. Kann diese Forderung nicht eingehalten werden, müssen Werkzeugschieber (siehe Kap. E- 5.2) vorgesehen werden Blechhalterfläche Das Verfahrensprinzip des Tief- und Streckziehens erfordert stets eine sogenannte Blechhaltung. Sie dient dem kontrollierten Nachfließen der Randzonen der Platine in die Hohlform der Ziehmatrize. Dazu wird in grober Annäherung eine möglichst gering gekrümmte, möglichst senkrecht zur Ziehrichtung verlaufende Fläche um den Stempelumriss (Kap ) herum konstruiert, die zum einen auf dem Blechhalter und zum anderen auf der Ziehmatrize erzeugt wird. Mit dem Ziel der Gestaltung einer möglichst gleichgroßen Ziehtiefe entlang des Ziehumrisses muss die Krümmung und Orientierung der Blechhalterflächen oftmals der spezifischen Geometrie des Werkstücks bzw. der Geometrie der Stempelergänzungsflächen angepasst werden, wie in Abb. C-23 beispielhaft dargestellt. 27

28 Abb. C-23: Angepasste Blechhalterfläche im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Ziehtiefe (Bildquelle: CTK CAD - Technik GmbH) Abb. C-24 zeigt dazu einige prinzipielle Gestaltungsvarianten heute eingesetzter Blechhaltergeometrien. Nicht abwickelbare Flächen sind solche, die in zwei Dimensionen gekrümmt sind, wie die Kugel, das Erdellipsoid oder verschiedene Sattelflächen. Hier kommt es bei jeder Abbildung auf eine Ebene zu kleinen oder größeren Formänderungen, den sog. Verzerrungen. Abb. C-26 zeigt am Beispiel eines Kotflügels, inwieweit sich die Gestaltung der Blechhalterfläche auf das Ziehergebnis auswirkt. Während beim Einsatz eines ebenen Blechhalters (Abb. C-26 links) zwar keine Falten beim Schließen des Blechhalters auftreten, ist in diesem Fall aufgrund der lokal vergrößerten Ziehtiefe die Gefahr der Reißerbildung gegeben, was sich auch in der Formänderungsverteilung zeigt. Beim Einsatz eines abwickelbaren, einsinnig gekrümmten Blechhalters (Abb. C-26 Mitte) wird die maximal auftretende Ziehtiefe reduziert, was sich positiv auf die Formänderungsverteilung auswirkt. Abb. C-24: Verschiedene Gestaltungen von Blechhalter-Geometrien in Abhängigkeit von der Ziehtiefe des Bauteils (Bildquelle: K. Lange, Handbuch der Umformtechnik, Band 3 Blechumformung) Beim Schließen des Blechhalters muss insbesondere bei Außenhautteilen unter allen Umständen eine schädigende, plastische Faltenund Beulenbildung zu Beginn des Ziehvorgangs vermieden werden. Dies ist bei abwickelbaren Blechhalterflächen gewährleistet. Unter einer abwickelbaren Fläche versteht man eine zweidimensionale Fläche, die sich ohne innere Formverzerrungen, d.h. ohne weiteres Dehnen oder Stauchen in eine Ebene transformieren lässt. Gerade Abb. C-26: Zusammenhang zwischen Abwickelbarkeit und Ziehtiefe am Beispiel eines Kotflügels (Bildquelle: Birkert et.al.) Akzeptiert werden auch sogenannte quasiabwickelbare Blechhalterflächen, d.h. Flächen mit einem geringen Grad der Nicht-Abwickelbarkeit. Hierbei ist jedoch stets durch eine FEM-Simulation vorab zu prüfen, ob die beim Schließen des Blechhalters entstehenden Falten bei der weiteren Umformung wieder herausgezogen werden können. Profilleitkurve Abb. C-25: Abwickelbare Blechhalterfläche Abb. C-25 zeigt beispielhaft eine abwickelbare Fläche, die durch eine Gerade, welche entlang einer Profilkurve geführt wird, entsteht. Derartige Blechhalterflächen sind insbesondere für symmetrische Außenhautteile geeignet Ankonstruktion Zwischen der Blechhalterfläche und der Bauteilgeometrie werden in einigen Zonen des Werkstücks spezielle Formelemente im Bereich des Ziehumrisses im Sinne von Ankonstruktionen (Abb. C-27) ergänzt, um einen versagensfreien Ziehprozess zu ermöglichen. Diese Flächen nennt man Ankonstruktion oder auch Stempelergänzungsflächen. 28

29 Abb. C-27: Auslegung eines Ziehwerkzeugs für eine PKW- Seitenwand außen; Bauteilgeometrie (rote Flächen), Blechhalter (türkisfarbene Flächen), Ankonstruktion von Stempelergänzungsflächen (gelbe Flächen) (Bildquelle: Tianjin Motor Dies Europe GmbH) Das Fertigteil enthält in der Regel zahlreiche Löcher und weitere geschlossene Schnittlinien. Diese Innenflächen müssen bei der Entwicklung der Ziehanlage aufgefüllt werden (Abb. C-28). Die aufgefüllten Flächenbereiche zählen ebenfalls zur Ankonstruktion, da über deren Gestaltung das Einfließen des Blechwerkstoffes und damit die Bauteilqualität (Reißer, Falten, Oberflächenqualität) beeinflusst werden. Sowohl beim Auffüllen der Innenflächen als auch beim Auffüllen der Zwischenflächen sind somit die im beschriebenen ziehtechnische Anforderungen zu berücksichtigen. Offene Enden der Bauteilgeometrie werden aus ziehtechnischen Gründen durch einen sogenannten verloren Kopf ergänzt (Abb. C-30). Hier sind möglichst weiche Übergänge zu wählen. Abb. C-28: Inneres Schließen von Löchern (Bildquelle: DYNAmore GmbH) Werden Doppelteile oder vierfach fallende Blechformteile gefertigt, so müssen die Flächenbereiche zwischen den Bauteilen ebenfalls aufgefüllt werden (Abb. C-29). Abb. C-30: Verschiedene Ausführungen Verlorener Kopf (Bildquelle: DYNAmore GmbH) In Abb. C-31 rechts wird ersichtlich, dass bei der ohne Kopf gezogenen Variante an der offenen Seite keine Möglichkeit der Materialrückhaltung während des Tiefziehens besteht, was zur Bildung von Falten führt. Abb. C-29: Auffüllen von Zwischenflächen (Bildquelle: DYNAmore GmbH) Abb. C-31: Vergleich mit/ohne Stempelkopf (Bildquelle: Birkert et.al.) Insbesondere in den Eckenbereichen von Ziehteilen besteht die Gefahr, dass aufgrund der geometrischen Verhältnisse überschüssiger Blechwerkstoff vorhanden ist, der dann während des 29

30 Ziehens stark faltet und Oberflächenunruhen in den sichtbaren Bauteilbereichen bewirkt. Um dies zu vermeiden, kann man in diesen Bereichen sogenannte Materialverbraucher (Abb. C- 32) in den Stempelergänzungsflächen konstruieren, welche den überschüssigen Blechwerkstoff an diesen Stellen gezielt ausstrecken und somit die Nachbarbereiche nicht negativ beeinflusst werden. Abb. C-34 zeigt, inwieweit sich große weiche Radien des Stempels positiv auf die Herstellbarkeit sowie auf die Formänderungsverteilung und damit auch auf die Oberflächenqualität auswirken. Auf der anderen Seite ist zu beachten, dass bei weichen Radien die Fläche der Ankonstruktion zunimmt und damit die Menge des Blechabfalls steigt. Verbraucher Abb. C-32: Materialverbraucher in der Stempelergänzungsfläche, Motorhaube BMW Z Stempelumriss Die Umschlingungsradien der Bauteilecken (Draufsicht) bestimmen die erreichbare Ziehtiefe im Eckenbereich, die sogenannte Eckenziehtiefe. An den Ecken kann ein lokales Ziehverhältnis berechnet werden, welches in Korrelation zum Grenzziehverhältnis des Blechwerkstoffes gesetzt werden kann. Abb. C-33 zeigt die Ableitung des Stempelumrisses beispielhaft an einer Kotflügelgeometrie. Spitz zulaufenden Ecken wurden durch ziehtechnisch darstellbare, d.h. durch Ziehteilecken, an denen gerade noch keine Reißer auftreten, unter Berücksichtigung der entsprechenden Platinengröße, Blechdicke und Werkstofffestigkeit ersetzt. Abb. C-34: Formänderungsverteilungen in Abhängigkeit der Stempelumrissgeometrie (Bildquelle: Birkert et.al.) Anhiebkanten Zwei Ursachen für die Entstehung von Anhiebkanten in Ziehteilen mit relativ großer Ziehtiefe können in diesem Zusammenhang genannt werden. Zum einen zeichnet sich beim Schließen des Blechhalters und der Matrize am Matrizeneinlaufradius eine Markierung auf dem Werkstück ab (Abb. C-35). Ziehteilboden Streckziehanteil Endlage der Matrizenanhiebkante Streck- Tiefziehanteil Ziehteilflansch Einlauf der Platinenkante Ziehteilzarge Abb. C-35: Einlaufen der Matrizenanhiebkante bei einem rechteckförmigen Napf 6 Abb. C-33: Ermittlung des Stempelumrisses am Beispiel eines Vorderkotflügels, Rot: Bauteilgeometrie, Gelb: Ankonstruktion, Hellblau: Blechhalte (Bildquelle:) 6 Harthun, S.: Beitrag zur Entwicklung der Geometrie von Ziehwerkzeugen für PKW-Außenhautteile. Beiträge zur Umformtechnik Nr. 23, Hrsg. Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. K. Siegert, Institut für Umformtechnik der Universität Stuttgart. Frankfurt/M.: MAT-INFO Werkstoff- Informationsgesellschaft, ISBN

31 Weiterhin führt die vergleichsweise starke plastische Biegeumformung an einer Ziehsicke ebenfalls zu einer bleibenden Markierung auf der Platinenoberfläche. Diese Markierungen sind bei verschiedenen Blickwinkeln bei lackierten Karosserieteilen mit bloßem Auge erkennbar und deshalb inakzeptabel. Insbesondere bei Bauteilen mit großer Ziehtiefe (und langen Laufwegen) besteht die Gefahr, dass diese Anhiebkanten in den sichtbaren Bauteilbereich einlaufen. In diesem Fall muss die Ankonstruktion oder die Ziehanlage auf diese Weise modifiziert werden. Auch bewirkt eine Erhöhung des Blechhalterdruckes oder der Einsatz von Ziehsicken, dass derartige Materialanhiebkanten aus der Sichtfläche herausgehalten werden. Abb. C-36 zeigt das Einlaufen einer Matrizenanhiebkante am Beispiel eines Frontbereichs im Schweller. Abb. C-37: Beispiel Nachlaufkante Dekorteil (Bildquelle: Fischer Werkzeugtechnik GmbH & Co. KG) Treten Nachlaufkanten im sichtbaren Außenhautbereich auf, muss die Ankonstruktion und/oder das Einlaufverhalten des Blechwerkstoffes beispielsweise durch eine Modifikation der Anordnung von Ziehsicken oder durch eine Modifikation der Ziehanlage optimiert werden. Dies wird in Abb. C-38 beispielhaft an einem Kotflügel gezeigt, wo in den Bereich der Ankonstruktion zwei zusätzliche Sicken zur Vermeidung des Entstehens einer Nachlaufkante im Bereich des Radlaufs eingebracht wurden. Abb. C-36: Einlaufen der Matrizenanhiebkante (Bildquelle: RTH Zürich, IVP) Nachlaufkanten Im Bereich von Strukturkanten oder an kleinen Radien im Mittenbereich der Stempelfläche können am Blechformteil Nachlaufkanten auftreten. Verursacht ein ungleichmäßiges Einlaufen des Ziehteilflansches eine Relativbewegung der Platine an einer derartigen Strukturkante (Abb. C-37) bzw. an kleinen Radien, so entsteht eine linienförmige plastische Biegedeformation, welche sich an der Bauteiloberfläche abzeichnet. Bei Innen- oder Strukturteilen können Nachlaufkanten oftmals nicht vermieden werden. Da sie jedoch bei derartigen Blechformteilen nicht qualitätsrelevant sind, führen derartige Oberflächenfehler hier nicht zum Ausschuss. Bei sichtbaren Außenteilen dagegen sind Nachlaufkanten nicht tolerierbar, werden auch grundsätzlich nicht nachbearbeitet und sind daher ausnahmslos Ausschuss. Abb. C-38: Modifikation der Ankonstruktion (unten) zur Vermeidung des Entstehens von Nachlaufkanten (Bildquelle: Autoform Deutschland GmbH) 31

32 Übersicht Die bei der Bauteilkonstruktion und bei der Entwicklung der Methode zu berücksichtigenden geometrischen Anforderungen sind in der folgenden Übersicht zusammenfassend dargestellt: 7 Bauteilkonstruktion: Schroffe Formunterschiede sollen vermieden werden Ungleichmäßige Ziehtiefen sollen vermieden werden Die Teiletiefe muss, soweit möglich, reduziert werden Weiche große Formübergänge mit großen Radien sind zu wählen Großflächige gleichmäßig anliegende Bodenformen mit großen übertragenden Flächen gestalten Keine linienförmige Anzugsgeometrien realisieren Auslegung der Ziehanlage: Möglichst gleichmäßige Ziehtiefe Keine freie Umformung, d.h. Anlage des Blechs an Stempel und Matrize Blechhalter möglichst nahe am Stempelumriss Keine kleinen umschließenden Winkel mit großer Ziehtiefe Große weiche verlorene Köpfe Beim Schließen des Ziehrahmens dürfen keine Falten in der freien Stempelfläche auftreten Kein Auftreten von Falten beim Eintauchen des Stempels Freigabe der Ziehanlage Die Freigabe der Ziehanlage erfolgt in der Praxis heute trotz fortschrittlicher CAD-Technik häufig auf der Basis räumlicher, realer Körper im Maßstab 1:1, da das Vorstellungsvermögen und Praxiswissen von Erfahrungsträgern mit solchen Hilfsmitteln am besten genutzt werden kann. An derartigen Modellen können die umformtechnischen Bedingungen des Ziehteils diskutiert und evtl. Modifikationen der Ziehanlage vorgenommen werden. Es ist darauf zu achten, dass diese Modifikationen abschließend in den Datensatz zurückgeführt werden. Abb. C-39 zeigt ein derartiges Modell einer Ziehanlage. Zu erkennen ist die Aufteilung der Fertigung in einzelnen Stufen anhand z.b. der Beschneidelinien oder auch anhand der eingezeichneten Flanschauslage. 7 Haller, G.: Werkzeuge für die Fertigung von Aluminium- Karosserieteilen. In Siegert, K. (Hrsg.): Neuere Entwicklungen in der Blechumformung DGM, ISBN Abb. C-32: Modell Ziehanlage (Bildquelle: Allgaier Werke GmbH) Alternativ zur Erstellung von Modellen werden die Ziehanlagen heute vereinzelt auch an VR-Systemen (Virtual Reality) diskutiert und bewertet (Abb. C-33). Abb. C-39: Einsatz von VR-Systemen zur Visualisierung der entwickelten Methode (Bildquelle: Audi AG) Rechnergestützte Erstellung von Methodenplänen Während der Designphase ändert sich, wie oben beschrieben, die Bauteilgeometrie unter Umständen aufgrund mehrerer Design-Vorgaben mehrfach. Dennoch werden bereits in einer frühen Phase des Fahrzeugdesigns die Wirkflächen des Tiefziehwerkzeugs, basierend auf dem zuvor gültigen Bauteildatenstand, entwickelt. Aufgrund der immer kürzer werdenden PKW-Entwicklungszeiten nach dem sogenannten Design-Freeze verbleibt ansonsten nicht mehr genügend Zeit, um das FE- Modell für die Simulation des Umformprozesses stets vollständig neu aufzubauen. In der Designphase wird meist ein schneller FE-Code eingesetzt, mit dem verschiedene Prozess- und Ziehanlagenvarianten untersucht und im Vorfeld der Werkzeugherstellung bewertet werden können. In den letzten Jahren wurden mehrere Ansätze für eine rechnerunterstützte Entwicklung von Methodenplänen entwickelt. Hierbei erfolgt eine stufenweise Auflösung der Bauteilgeometrie in sogenannten Fertigungs-Features, wie zum Beispiel zu fertigende Löcher oder Randbereiche, zu formende Flansche oder Nachformbereiche. Jedem 32

33 Feature kann eine Folge von Fertigungsschritten zugeordnet werden, welche dann auf die Arbeitsoperationen verteilt werden. Für einen Flanschbereich werden beispielsweise die Stufen Vorbeschnitt - Abstellen - Nachbeschnitt mit Schieber zugeordnet. Diese standardisierte Darstellung der Grobmethode kann dann auch zu einer genauen Abschätzung der Werkzeugkosten herangezogen werden und in die weitere Fertigungsplanung des Werkzeugsatzes integriert werden. 4 FEM-Prozesssimulation Ablauf FEM-Prozesssimulation Mit den heutzutage für die Umformsimulation eingesetzten Programmen der Finite-Element- Methode (FEM) lassen sich die Riss- oder Faltenbildung mit sehr guter und die Rückfederung mit hinreichender Genauigkeit vorausberechnen. Bereits während der Designphase werden die ersten Umformsimulationen durchgeführt, um die technsiche Herstellbarkeit der Blechformteile abschätzen zu können. Auch werden bereits frühzeitig Erfahrungen und Hinweise hinsichtlich der Werkzeugauslegung gesammelt. Somit können auf Basis der Ergebnisse der FEM- Berechnungen bereits frühzeitig die Detailkonstruktionen der Einzelwerkzeuge als auch die gewählte Stufenfolge bei Stufen- und Folgeverbundwerkzeugen überprüft und optimiert werden. Zeit- und damit auch kostenintensive Änderungen der Werkzeuggeometrie können dadurch eingespart werden. Insbesondere in der Automobilindustrie und bei den großen Zulieferern werden heute keine Umformwerkzeuge mehr hergestellt, ohne dass FEM-Simulationen des Umformprozesses vorliegen. Hierzu werden in der industriellen Praxis folgende Arten von kommerziell erhältlichen Simulationsprogrammen eingesetzt: Zur schnellen Übersicht und einer ersten Abschätzung der Herstellbarkeit und zur Voroptimierung werden inverse Programme eingesetzt. Zur Optimierung des Werkzeugs und des Prozesses kommen je nach Blechformteil implizite Finite Elemente Programme mit Membran- bzw. Schalenelementen und explizite Programme mit Schalenelementen zum Einsatz. Zur Berechnung von Spannungsverteilungen und rückfederungsbedingten Formänderungen werden explizite und implizite oder Kombinationen von expliziten und impliziten Programmen mit Schalenelementen verwendet. Die Vorgehensweise bei der FEM-Prozesssimulation gliedert sich in drei Schritte: 1. Preprocessing: Vor dem Beginn der eigentlichen Simulation muss das FE-Modell aufgebaut werden. Hierzu sind folgende Einzelschritte erforderlich: Generieren der Werkzeuggeometrie für die einzelnen Herstellungsstufen Generieren des Platinenzuschnitts Importieren der Werkstück- und Werkzeuggeometrie Definieren der Werkzeuge und Prozessparameter (Weg, Kraft usw.) Vernetzung der Platine und Werkzeuge Definieren der Platinenmaterialeigenschaften Positionieren der Werkzeuge 2. FEM-Berechnung 3. Postprocessing: Das sogenannte Postprocessing beinhaltet die Ergebnisauswertung und -darstellung. Unter anderem werden dargestellt: Prozesskräfte, die für die Auslegung des Werkzeugs erforderlich sind Maximale Blechausdünnung Formänderungsverteilung und Evaluierung der Machbarkeit mit Hilfe eines Grenzformänderungsdiagramms Folgende Parameter (Abb. C-40) können zur Simulationsvalidierung herangezogen werden: Platineneinzug: - nach Blechhalterschluss - nach Tiefziehstufe Weitere Auswertekriterien: - Faltenabgleich - Stempelkraft - Nachlauf- und Anhiebkanten Rückfederung: - Maßabweichungen Blechdicke: - aktuelle Blechdicke - Blechdickenreduzierung Formänderungsanalyse: - Haupt- und Nebenformänderungen - Abstand zum Materialversagen Abb. C-40: Parameter der Simulationsvalidierung (Bildquelle: VDI-Richtlinie 3418, AutoForm) Insbesondere die erste Stufe (Ziehstufe) wird per FEM ausgelegt und optimiert. Zielsetzung jedoch ist die Simulation der kompletten Operationsfolge, d.h. der Umformstufe incl. aller nachfolgenden Operationen, um Informationen über potentielle Probleme der gesamten Prozesskette zu betrachten. Der grundsätzliche Ablauf der Simulation eines kompletten Herstellungsprozesses für ein Karosseriebauteil ist in Abb. C-41 dargestellt. 8 Die FEM-Simulation wird ausführlich in der Vorlesung Prozesssimulation in der Umformtechnik behandelt. 33

34 ellllung CAD Netzerzeugung Werkzeuggenerierung parameter, welche nicht berücksichtigt werden (Abb. C-43). ormess Schwerkraft Blechhalterschließen Tiefziehen folgeesse Beschnitt Abkanten Falzen Abb. C-41: Simulation der umformtechnischen Prozesskette (Bildquelle: Daimler AG) 4.2 Grenzen der FEM Die Möglichkeiten der Vorhersage der Bauteileigenschaften sind in Abb. C-42 in einer Übersicht dargestellt. Während Versagen durch Falten oder Reißer mit den heute gängigen Programmen gut vorausberechnet werden können, gibt es noch Probleme bei der Darstellung möglicher Oberflächenfehler und der Faltenbildung unter Kontaktbedingungen, d.h. unter dem Blechhalter. Gut Versagen durch Reißer Faltenbildung im freien Umformbereich Blechdicken- und Dehnungsverteilung Stofffluss Niederhalterpressung Durchschnittlich Umformkräfte Blecheinzug Ausgangskontur der Platine Spannungsverteilung Oberflächenfehler (dehnungsbedingt) Rückfederungsbedingte Formänderungen Schlecht Oberflächenfehler (spannungsbedingt) Faltenbildung unter Kontaktbedingungen Abb. C-42: Vorhersagemöglichkeiten bei der FEM- Prozesssimulation (Bildquelle: Daimler AG) Abb. C-44: Beispiel FEM, Darstellung Hauptformänderung (Bildquelle: Compass Technologies Inc.) 4.3 Stochastische Simulation Die sogenannte stochastische Simulation stellt eine neue Entwicklung dar. Hintergrund ist die Tatsache, dass einzelne Prozessparameter, z.b. Werkstoffkennwerte, während der Produktion ändern können. Mithilfe der stochastischen Simulation lassen sich nun Schwankungen verschiedener Einflussgrößen innerhalb einer Produktion auf das Umformergebnis ermitteln. So lassen sich z.b. die Streuungen der Materialkennwerte innerhalb eines Coils aber auch von Coil zu Coil auf die geometrische Genauigkeit des Blechformteils berechnen (Abb. C-45). Example: Scatter of simulated springback, reinforcement-part, high-strength-material Einflussgröße Produktionshubzahl Realität nicht konstant Simulation nicht abgebildet Used for example: tolerance-range ±0,5mm Maschine elastisch nicht abgebildet Werkzeug elastisch starr Zieheinrichtung Reibungszahl Temperatur nicht konstant nicht konstant nicht konstant nicht abgebildet konstant nicht abgebildet variations less than 1 mm variations larger than 1 mm Topologie Blechhalter nicht konstant nicht abgebildet Werkstoff komplex einfache Modelle Werkstoffkennwerte nicht konstant (nicht) konstant Abb. C-43: Stand der FEM-Prozesssimulation (Bildquelle: Daimler AG) Es muss jedoch beachtet werden, dass bei der FEM-Prozesssimulation nur ein Modell des realen Umformprozesses erstellt wird. Es gibt zahlreiche Prozess-, Werkstoff-, Werkzeug- und Maschinen- Abb. C-45: Stochastische Simulation (Bildquelle: Audi AG) 34

35 5 Rückfederung 5.1 Ursachen der Rückfederung Beim Tiefziehen bestehen neben den geschilderten Verfahrensgrenzen weitere technologische Ursachen, die zur Abweichung der Produkt- Geometrie von der Sollgeometrie (Fahrzeugdatensatz) auf Grund von Rückfederungen führen. Die Ursache der Rückfederung liegt darin, dass der Blechwerkstoff während der Umformung elastische Energie speichert. Wird das Werkstück nach dem Umformvorgang aus dem Werkzeug entnommen, verursacht die gespeicherte Energie eine räumliche Rückfederung der sich zuvor unter Last einstellenden Bauteilgeometrie. Diese Rückfederung bewirkt eine Verringerung des energetischen Niveaus, bedeutet aber auf der anderen Seite auch eine Abweichung von der Soll-Geometrie. Der Betrag der Rückfederung eines plastisch umgeformten Blechwerkstoffes hängt wesentlich von den mechanischen Eigenschaften, insbesondere vom E- Modul und der Fließspannung des Blechwerkstoffes, aber auch von der Geometrie des Bauteils ab. Die Rückfederung nimmt betragsmäßig mit steigender Fließspannung und mit sinkendem Elastizitätsmodul zu. Das ausschlaggebende Maß für die Größe der rückfederungsbedingten Formänderungen bildet dabei der Anteil der elastischen Dehnungen el an der Gesamtdehnung ges. Eine Erhöhung der Streckgrenze Re und des Verfestigungsexponenten (n-wert) führen ebenfalls zu einer Steigerung des Anteils der elastischen Dehnung und somit zu einer Erhöhung der Rückfederung des Bauteils. Nach Umformen Nach Rückfedern - σ + - σ + plastisch elastisch plastisch Abb. C-46: Mechanismen der Rückfederung beim Abstellen von Bauteilflanschen (Bildquelle: Daimler AG) Während für das Biegen einer Platine um eine gerade Biegelinie analytische Berechnungsmethoden des Rückfederungswinkels zur Verfügung stehen, ist eine Berechnung der Rückfederung eines Tiefziehteils geschlossen analytisch nicht möglich. Derartige Bauteile weisen komplexe Geometrien auf, dadurch liegen die auftretenden Spannungen im Zug-Druck- oder im Zug-Zug-Bereich und die σ σ σ σ Umformung einzelner Bauteilbereiche erfolgt teilweise entlang nicht-linearer Dehnpfade. Zwar lässt sich die Speicherung der elastischen Energie während der Formgebung im Werkzeug nicht verhindern, jedoch der Einfluss auf den Betrag der Rückfederung lässt sich minimieren. Grundsätzlich können verschiedene Maßnahmen angewendet werden, um Formabweichungen eines Bauteils von seiner Soll-Geometrie des Datensatzes in Abhängigkeit von der Gesamtgeometrie und des Blechwerkstoffes zu reduzieren 9 : 1. Das Bauteil wird versteift durch Kleinere Radien in der Bauteilgeometrie Zusätzliche Verprägungen (Sicken, Strukturkanten, Aushalssegmente). Die Bauteilform darf dabei natürlich nur dann verändert werden, wenn die Bauteilfunktion nicht beeinträchtigt wird und der Bauraum des Bauteils im Gebrauch dieses zulässt. 2. Der Betrag der Formänderung (Auszug) der Platine wird auf ein hohes Niveau angehoben und gleichmäßig verteilt durch Optimierung und Homogenisierung der Rückhaltekräfte mittels Ziehsicken Optimierung der Ankonstruktion des Werkzeuges und durch Steuerung der Blechhalterkraft in Abhängigkeit vom Stempelweg. Der Auszug darf dabei natürlich nur soweit erhöht werden, solange ein robuster Herstellungsprozess gewährleistet werden kann, d.h. solange keine Risse, Einschnürungen oder Falten im Bauteil entstehen. In zahlreichen Untersuchungen zeigte sich, dass die Rückfederung in besonderem Maße von den überlagerten Zugspannungen in der Ziehteilzarge abhängig ist. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Vergrößerung der Rückhaltekräfte durch die Wirkung von Ziehsicken, eine Erhöhung der Reibungszahl infolge geringerer Schmierstoffviskositäten oder durch eine Erhöhung der Blechhalterkraft zustande kommt. Komplexe Bauteilformen und die Forderung nach möglichst kleinen Platinenzuschnitten schränken die Möglichkeiten einer Überlagerung von Zugspannungen jedoch ein, so dass zwangsläufig rückfederungsbedingte Abweichungen der Ist- Geometrie von der Soll-Geometrie auftreten. Diese Rückfederungen lassen sich jedoch unter Umständen beim anschließenden Fügen in Abhängigkeit vom gewählten Fügeverfahren kompensieren. Jedoch ist insbesondere bei 9 Roll, K.; Lemke, T.; Wiegand, K.: Simulationsgestützte Kompensation der Rückfederung. 3. LS-DYNA Anwenderforum, Bamberg

36 hochfesten Blechwerkstoffen zu berücksichtigen, dass beispielsweise die Spannzangen von Punktschweißanlagen derartige Bauteile in der Spannvorrichtung im Karosserie-Rohbau nur schwerlich verformen können und dass nach dem Fügen auch Eigenspannungen in der Fügestelle verbleiben. Zu beachten ist weiterhin, dass Rückfederungseffekte nicht nur nach der Bauteilentnahme aus dem Werkzeug auftreten. Wird das Bauteil nach der Umformung auf die gewünschte Geometrie beschnitten, können sich das Rückfederungsverhalten und damit der Betrag der dadurch verursachten Formabweichung des beschnittenen Bauteils nochmals ändern. 5.2 Verringerung der Rückfederung Es existieren verschiedene Strategien, um den Effekt der Rückfederung durch Variation von Prozessparametern während des Pressenhubes, durch den Einsatz von zusätzlichen Rückhaltekräften oder durch die Anwendung von geometrischen Modifikationen zu minimieren. Diese Strategien werden derzeit bei der Umformung von hochfesten Stählen nur bis zu einem Festigkeitsniveau von bis zu 600 MPa Zugfestigkeit erfolgreich angewendet und haben sich in der Praxis bewährt. Bei der Anwendung dieser Strategien bei der Umformung von höchstfesten Stählen (Zugfestigkeit > 600 MPa) stellen sich die erzielten Ergebnisse in Bezug auf die Bauteilgenauigkeit aufgrund der noch stärkeren erhöhten Rückfederungsneigung nicht zufriedenstellend ein. Für die Kaltumformung von höchstfester Stähle mit einer Zugfestigkeit größer als 600 MPa fehlt bis dato eine definierte Strategie oder Methodik, die für die Rückfederungskompensation verwendet werden kann. Abb. C-47: Bauteilformänderungen mit dem Ziel der Rückfederungsreduktion (Bildquelle: IFU/Radonjic) Es ist bekannt, dass eine geeignete Methodik für eine Rückfederungs-kompensation von z. B. U- förmigen Trägerstrukturen stets vom Spannungs- Dehnungs-Zustand als auch von der Größe der Zargenkrümmung und der Bauteilverdrehung (Torsion) abhängig ist. Die hierfür favorisierte Methode wird auf der globalen und/oder lokalen Anwendung von Verprägungen in den identifizierten Bauteilbereichen sowie auf Gegenschlägen der Bauteilradien basieren (Abb. C-47). Abb. C-48 zeigt die simulierte Rückfederung einer A- Säule nach dem Umformen. Die Rückfederung ist in Normalenrichtung abhängig von der Referenzgeometrie dargestellt. Der hier verwendete Werkstoff ist ein höchstfester Dualphasenstahl der Güte DP 980 (HCT 980 X), der hohe Rückfederungsbeträge im Bereich eines Flansches an der A-Säule aufweist (Abb. C-48 rechts). In das Bauteil wurde zur Reduzierung der Rückfederung auf beiden Seiten eine Verprägung in die Zarge modelliert. Abb. C-48 rechts zeigt die Rückfederung nach der Einformung einer versteifenden Stufe in der Zarge zur lokalen Versteifung der Geometrie. Bereits diese kleine Änderung führt zu einer deutlichen Reduzierung der Rückfederung verglichen mit der ursprünglichen Geometrie. Abb. C-48: Rückfederungsbeträge des Bauteils; (links) ohne Verprägung und (rechts) mit der Verprägung in der Bauteilzarge (Bildquelle: IFU/Radonjic) 5.3 Rückfederungskompensation Sind die rückfederungsbedingten Abweichungen des Bauteils von der Sollgeometrie aus den oben geschilderten Gründen nicht akzeptabel, muss eine sog. Rückfederungskompensation erfolgen. Hierbei müssen die Werkzeugwirkflächen insbesondere des Ziehwerkzeugs modifiziert werden. Folglich wird das Bauteil in einem Werkzeug umgeformt, das nicht der Soll-Geometrie entspricht, sondern einer dem lokalen Rückfederungsbetrag des Bauteils korrespondierenden Abweichung vom Konstruktionsdatensatz (KDS). Nach der Entnahme des Bauteils aus dem Werkzeug federt dieses dann im besten Fall in die vorgegebene Soll-Geometrie zurück. Bei der konventionellen Vorgehensweise der Rückfederungskompensation werden die Werkzeuge zunächst mit der Soll-Geometrie angefertigt, Teile mit diesem Werkzeug hergestellt und beschnitten. Auf Basis von Geometriemessungen bzw. der Darstellung der 36

37 Geometrieabweichungen der Bauteile werden nun Kompensationsmaßnahmen erarbeitet und in das Ziehwerkzeug eingearbeitet. Dies erfordert jedoch relativ viel Erfahrung. In der Regel wird der Bereich im Werkzeug um den Betrag der Formabweichung oder dem Vielfachen davon verändert. Die Größe des Faktors hängt davon ab, ob die Überbiegung der Werkzeugwirkflächen im Bauteil eine plastische oder elastische Verformung bewirkt. Liegt im Bauteil ein relativ hoher elastischer Anteil vor, ist der Faktor relativ groß zu wählen, dass der dann auftretende plastische Anteil ausreicht, um das Bauteil nach Entlastung, d.h. nach dem Ziehen und Beschneiden, in der gewünschten Form zu halten. In der Praxis können daher maßliche Abweichungen in der Form (Stempel, Matrize) bis zu 15 mm bei z.b. großflächigen Außenhautteilen auftreten. Diese konventionelle Vorgehensweise der Rückfederungskompensation ist jedoch langwierig und zeitintensiv. Es ist jedoch zu beachten, dass durch Kompensationsiterationen der FEM-Simulation sogar Verschlechterungen der Bauteilmaße in Bezug auf die Referenzgeometrie auftreten können. Ein Grund dafür kann beispielsweise eine unzureichende Ausreckung in den ebenen Bereichen des Bauteils während der Umformung sein. Um die Werkzeugoberflächen effektiv kompensieren zu können, ist es notwendig, zunächst einen optimalen Dehnungszustand nach dem Umformprozess im Bauteil einzustellen, der zu einer geringeren Rückfederung führt. Rückfederung durch die Kompensationsmaßnahmen signifikant reduziert werden konnte. Die FEM-Rückfederungssimulation ist heute für die meisten Stahl- und Aluminiumlegierungen mit einer Genauigkeit möglich, die eine produktive Anwendung der Rückfederungskompensation bereits während der Methodenplanung ermöglicht. Eine derartige rechnerunterstützte Rückfederungskompensation eröffnet ein großes Einsparpotential solcher oben beschriebenen Optimierungszyklen im Werkzeugbau, da sich nach heutigem Erfahrungsstand ca. die Hälfte der Korrekturschleifen gegenüber der konventionellen Methode einsparen lassen. Bei einer rechnerunterstützten Kompensation werden die Ergebnisse der Umform- und der Rückfederungssimulation miteinander verglichen und ein Verschiebungsfeld aus den Distanzen der zurückgefederten Knoten und der Referenzknoten berechnet. Um die virtuelle Werkzeugoberfläche zu bombieren bzw. zu überbiegen, wird dieses Verschiebungsfeld invertiert und auf die Werkzeugoberfläche projiziert. Nun wird es möglich, das Verschiebungsfeld mit dem oben bereits beschriebenen Kompensationsfaktor zu beaufschlagen (Abb. C-50). Wie bei der konventionellen Kompensation müssen auch bei der rechnerunterstützten Kompensation mehrere Iterationsschleifen durchgeführt werden, bis die Bauteilgeometrie im geforderten Toleranzbereich liegt. Abb. C-49: Rückfederungsergebnisse nach der Umformung mit dem ursprünglichem und dem kompensierten Werkzeug; (links) simulierte Bauteilabweichungen ohne Werkzeugkompensation, (rechts) simulierte Bauteilformabweichungen der kompensierten Werkzeugoberflächen (Bildquelle: IFU/Radonjic) Abb. C-49 zeigt den Unterschied zwischen Bauteilform-abweichungen einer A-Säule nach dem eigentlichen Tiefziehprozess (Abb. C-49 oben) und mit der kompensierten und angepassten Werkzeuggeometrie (Abb. C-49 unten). Nach dem Tiefziehen mit nicht kompensierter Werkzeuggeometrie und Rückfederung weist das Bauteil relativ hohe Formabweichungen auf. Schwarze Bereiche des Bauteils zeigen Abweichungen zwischen Bauteilflächen und Referenzgeometrie größer als 2 mm an. In Abb. C-49 oben ist ersichtlich, dass die Abb. C-50: Gegenüberstellung der Werkzeug-flächen vor und nach der Kompensation, sowie des Verschiebungsfeldes (Bildquelle: ESI Deutschland GmbH) Abb. C-51 zeigt am Beispiel des Bauteils Türscharnierverstärkung die per FEM-Simulation ermittelte Formabweichung ohne Kompensation, d.h. mit den ursprünglich geplanten Wirkflächen. Gezeigt werden weiterhin in diesem Bild die Formabweichungen nach einer ersten und zweiten Iterationsschleife. Die Formabweichung konnte in diesem Beispiel in fast allen Bereichen kompensiert werden. Die daraus resultierende erforderliche Abweichung der Werkzeugwirkflächen des Stempels 37

38 (kompensierte Stempelgeometrie) gegenüber der ursprünglichen Geometrie ist ebenfalls dargestellt. Herstellbarkeit und die Robustheit des Umformprozesses zu bewerten. KDS KDS: Konstruktionsdatensatz Material: TRIP 700 Blechdicke: 1.4 mm Ohne Kompensation 1. Kompensation 2. Kompensation Abweichung zum KDS mm 1.2 Abweichung vom KDS mm 1.0 Kompensierte Stempelgeometrie Abb. C-51: Rückfederung einer Türscharnierverstärkung und erforderliche Modifikationen der Stempelwirkflächen (Bildquelle: Daimler AG, DYNAmore GmbH) Eine Kompensation der Stempelflächen hat unter Umständen auch Auswirkungen auf die Ankonstruktion, d.h. diese Flächen müssen evtl. angepasst werden. Dies wird in Abb. C-52 verdeutlicht. Durch eine Kompensation können Sprünge zur ursprünglichen Konstruktion der Blechflächen entstehen (Abb. C-52, Kurve c). Hier ist ein geeigneter Übergang zwischen den kompensierten Werkzeugflächen und der Ankonstruktion zu finden. Dieser Übergang sollte den Materialfluss während der Umformung nicht beeinflussen, da sich ansonsten das Rückfederungsverhalten des Bauteils erneut verändern könnte. Abb. C-53: Entwicklungsverlauf eines Tiefziehwerkzeugs, Simultaneous Engineering (Bildquelle: Daimler AG) Während der Planungsphase treten in der Regel nur noch geringe Geometrieänderungen auf. In dieser Phase werden das Werkzeugdesign und bereits auch das 3D-Werkzeugmodell konstruiert (Abb. C- 53, Mitte). In diesem Konstruktionsstadium wird bereits frühzeitig der Guss für die Werkzeuge bestellt. Durch ein Aufmaß werden evtl. noch kommenden Änderungen sowie ggf. erforderliche Kompensationsmaßnahmen berücksichtigt. 6 Datenaufbereitung für spanende Bearbeitung Abschließend müssen die CAD-Daten für die spätere spanende Bearbeitung (Kap. F-4) der Werkzeuge generiert werden. Dies erfolgt auf Basis der Simulationsergebnisse, d.h. die Herstellbarkeit der Blechformteile muss gewährleistet sein. Bei der Datenaufbereitung müssen folgende Punkte beachtet werden: Prüfung aller Flächen hinsichtlich Lücken und Tangentenstetigkeit Einbringen von Bombierungen zur Kompensation der Rückfederung Festlegung von Tuschierflächen für die spätere Einarbeit. Diese werden mit Bearbeitungsoffsets versehen (Abb. C-54) Freifräsen funktionsloser Flächen. Abb. C-52: Ausgleich von Sprüngen zwischen Bauteil und Ankonstruktion, verursacht durch die Kompensation (Bildquelle: Daimler AG Durch die ständig kürzer werdenden Entwicklungszeiten laufen in der Praxis bei der Werkzeugentwicklung und Werkzeugkonstruktion zahlreiche Prozesse parallel ab (Abb. C-53). Obwohl sich während der Designphase (Abb. C-53, links) die Bauteilgeometrie noch sehr stark verändern kann, werden bereits in dieser frühen Phase die ersten FEM-Berechnungen des Umformprozesses durchgeführt. In diesem Stadium wird meist ein schneller FEM-Code eingesetzt, um für zahlreiche Varianten die versagensfreie Radienfreifräsung Tuschieraufmaße Abb. C-54: Schematische Darstellung Bearbeitungsoffsets (Bildquelle: Audi AG) 38

39 D Prototypwerkzeuge 1 Einteilung Die steigende Variantenvielfalt von PKW-Modellen in den aktuellen Marktnischen erfordern heute bei sinkenden Gesamtstückzahlen stets kürzer werdende Durchlaufzeiten der Betriebsmittelproduktion von der Design- und der Prototypphase bis zum Produktionsstart. Obschon der Bedarf an Prototypenbauteilen wegen der deutlich verbesserten Simulationstechniken in den letzten Jahren im Durchschnitt zurückgegangen ist, werden solche prototypischen Validierungen beabsichtigter Produktionsprozesse in der Serie aufgrund des Einsatzes neuartiger, hochfester Stahlblechgüten mit vorher schwer bestimmbaren Auswirkungen des werkstofflich bedingten Rückfederungsverhaltens wieder verstärkt erforderlich. Einerseits schließt die Herstellung von Prototyp- Blechformteilen mittels Prototyp-Werkzeugen die Erprobung der bis dahin entwickelten Ziehanlage mit ein. In Bezug auf das elasto-plastische Werkstoffverhalten und der sich einstellenden Reibungsverhältnisse im Werkzeug sind solche fertigungsorientierten Aussagen bzgl. möglichem Bauteilversagen und der grundsätzlichen fertigungstechnischen Machbarkeit in der frühen Phase der Werkzeugentwicklung von großer Bedeutung. Andererseits werden die in dieser Entwicklungsphase gefertigten Prototypbauteile zur Beurteilung möglicher Oberflächendefekte (im Falle von Außenhautteilen) wie Einfallstellen und Unebenheiten bewertet, um diesbezügliche Qualitätsanforderungen in der nachfolgenden Serienproduktion besser abschätzen zu können. Hinsichtlich der Qualitätsanforderungen an Prototypteile können diese in drei Gruppen eingeteilt werden (Abb. D-1). Die größten Anforderungen werden an Karosserieaußenhautteile gestellt, hier ist neben der Maßhaltigkeit und der Bauteilfestigkeit auch die Oberflächenqualität von großer Bedeutung. Gruppe A Hohe Qualitätsanforderungen (Maßhaltigkeit, Festigkeit, Oberflächenqualität) Prototypherstellung: seriennaher Umformprozess z.b. Kotflügel Werkzeugwerkstoff: Grauguss Durchlaufzeit: Wochen Gruppe B Mittlere Qualitätsanforderungen (Maßhaltigkeit, Festigkeit) Prototypherstellung: serienähnlicher Umformprozess z.b. Strukturteil Werkzeugwerkstoff: Zamak, Aluminium Durchlaufzeit: 1-5 Wochen Gruppe C Niedrige Qualitätsanforderungen (Maßhaltigkeit) Prototypherstellung: nicht serienähnlicher Umformprozess z.b. Hitzeschirm Werkzeugwerkstoff: (Cerrotru), Kunststoff Durchlaufzeit: 48 Stunden Abb. D-1: Einteilung der Prototypteile hinsichtlich der Qualitätsanforderungen Diese Qualitätsanforderungen sind auch der Grund dafür, dass Prototypteile, welche durch andere verfahren (z.b. inkrementelles Umformen, Dengeln) hergestellt werden, zwar die geometrischen Anforderungen erfüllen, jedoch über andere Festigkeiten als im späteren Realprozess verfügen und so für Crashtests nicht aussagekräftig sind. Auch lassen sich mit derart hergestellten Prototypteilen keine Aussagen über die fertigungstechnische Machbarkeit im Serienprozess herleiten. Prototypwerkzeuge werden heute oftmals nur für die Ziehstufe angefertigt. Alle Beschneideoperationen werden im Prototypenbau stets manuell mit handgeführten Scheren oder mittels Laser durchgeführt. Auch Biege- und Falzoperationen am Bauteilrand werden aufgrund der geringen Stückzahl heute mit manuell geführten Vorrichtungen, mittels flexibler Arbeitsstationen (einfache Vorrichtungen, Robotereinsatz) oder mittels handgeführter Kraftformer ausgeführt. Prototypteile werden im Hinblick auf ihre Qualität vornehmlich maßlich bewertet. 2 Werkzeugwerkstoffe Vor dem Hintergrund der möglichst weitgehenden Übertragung von Fertigungswissen und konkreten Erfahrungen aus der Herstellung von Prototypteilen auf die Serienproduktion ist man bestrebt, dieses auch in der zeitlich nachfolgenden Bauphase der Serienbetriebsmittel zu nutzen. Man unterscheidet daher Prototyp-Werkzeugkonzepte, die seriennah ausgeführt werden, eine möglichst serienrelevante Ziehanlage aufweisen und aus Grau- und/oder Stahlguss hergestellt werden, um das tribologische System ähnlich zur Serie einzustellen. Einfachere Werkzeugkonzepte aus z.b. niedrigschmelzenden metallischen Legierungen oder aus Kunststoff werden heute nicht seriennah ausgeführt, da der Wissenstransfer aus der Prototypenfertigung in die Konstruktionsphase der Serienbetriebsmittel nicht im Vordergrund steht und das Prototypenbauteil möglichst preiswert hergestellt werden soll. Hierfür haben sich spezielle Werkstoffe in der Praxis etabliert: die eutektische Bismut/Zinn-Legierung Bi57Sn43 (Handelsnamen: Cerrotru, MCP 137), Schmelztemperatur 139 C die Feinzink-Legierung G-ZnAl4Cu3 (Handelsname ZAMAK), Schmelztemperatur 390 C verschiedene Kunststoffe, die in Form von Blockmaterialen oder als Gießharzsysteme erhältlich sind. Die beiden erstgenannten niedrig schmelzenden Zinn- bzw. Zinklegierungen haben den Vorteil, dass der Gießvorgang bei sehr geringen Temperaturen erfolgt, was geringere sicherheitstechnische Maßnahmen im vergleich zum Grauguss erfordert, und die Prototypwerkzeuge nach Gebrauch wieder nahezu vollständig eingeschmolzen werden können. 39

40 Abb. D-4 enthält eine kurze Aufstellung von Vor- und Nachteilen der o.g. Werkzeugwerkstoffe im Vergleich zum Grauguss GG25. Abb. D-2: Herstellung von Prototypwerkzeugen aus niederschmelzenden Zinnlegierungen (Bildquelle: Metallguss Schiefelbusch) Cerrotru wird jedoch immer weniger eingesetzt, da dieser Werkzeugwerkstoff insbesondere bei der Umformung von hochfesten Blechwerkstoffen sehr stark verschleißt und so die Herstellung nur sehr weniger maßlich genauer Bauteile möglich ist. Kunststoffe finden mehr und mehr Einsatz als Materialien für Prototypwerkzeuge. Eingesetzt werden Epoxidharze, Duo- und Thermoplaste als Kunststoffmatrix, versehen mit Metallspänen, Quarzsanden, Graugusspulver, Aluminiumpulver oder weiteren Füllstoffen zur Erhöhung der Abriebfestigkeit. Ein Problem beim Einsatz von Kunststoffen stellt der sehr geringe E-Modul dar. So liegt dieser selbst bei Hochleistungskunststoffen nur bei maximal ca MPa. Auch ist das Reibungsverhalten gegenüber Serienwerkzeugwerkstoffen verändert, in der Regel besser. Dies ist bei der Übertragung der Ergebnisse von Kunststoffwerkzeugen auf Serienwerkzeuge zu berücksichtigen. Einzelne Hersteller von Blechformteilen mit geringen Ansprüchen an die Oberflächenqualität setzen Kunststoffwerkzeuge sogar für die Serienproduktion ein. Die schnelle Herstellbarkeit und die einfache Zerspanbarkeit bei geringen Kräften sind in diesem Fall als Vorteile zu nennen. Cerrotru (Bi57Sn43 Zamak (ZnAl4Cu3) Kunststoffe GG25 Vorteile Geringe Nachbearbeitung/ Geringer Schwund (0,05%) Niedriger Schmelzpunkt (139 C) Recycling nahezu 100% Druckfestigkeit besser als Cerrotru Niedriger Schmelzpunkt (390 C) Recycling nahezu 100% Höhere Spanleistung im Vergleich zu GG oder Stahl Kostenvorteil im Vergleich zu GG oder Stahl Recycling teilweise möglich Steifigkeit des Werkzeugs entspricht der des Serienwerkzeugs Hoher Verschleißwiderstand Relativ hohe Standzeit Abb. D-4: Werkstoffe für Prototypwerkzeuge Nachteile Hohe Materialkosten Hohe Dichte Geringe Härte Sehr geringe Standzeit Schwund ca. 1%, d.h. muss spanend nachbearbeitet werden Hohe Dichte Kleine Radien verschleißen bei höherfesten Blechwerkstoffen Geringer E-Modul (3.000 bis MPa) Geringe Steifigkeit des Werkzeugs Geringe Standzeit Hohe Herstellkosten Längere Fertigungszeiten Neben den genannten Werkstoffen werden in Einzelfällen Prototypwerkzeuge aus Aluminiumlegierungen (Abb. D-5), selten auch aus Hartholz hergestellt. Abb. D-5: Prototypenwerkzeug aus einer Aluminiumlegierung (Bildquelle: F.Y.T. Machining) 3 Herstellverfahren 3.1 Übersicht Die folgende Tabelle zeigt in einer Übersicht die möglichen Herstellverfahren für Prototypwerkzeuge und die Werkzeugwerkstoffe, für die die einzelnen Verfahren angewendet werden. Fräsbearbeitung von Halbzeugen Abformen von Genaugussmodellen Fräsbearbeitung vorgegossener Werkzeugteile Kunststoff Kunststoff Grauguss Stahl Cerrotru Kunststoff Aluminium Zamak Abb. D-3: Kunststoffwerkzeug zur Herstellung einer PKW- Seitenwand (Bildquelle: Rampf Tooling GmbH&Co. KG) In allen drei Fällen müssen zunächst Halbzeuge bearbeitet werden und das über der späteren Wirkfläche des Werkzeugs liegende Material abgetragen werden. Der Anteil des Zerspannungsvolumens, der zur Erzielung einer 40

41 kurzen Werkzeug-Durchlaufzeit im leicht zu zerspanenden Modellwerkstoff abgetragen wird, richtet sich u. a. nach der Bearbeitbarkeit, der Schwindung, dem notwendigen Bearbeitungsaufmaß und der Dauer der Gießprozesse für den späteren Werkzeugstoff Formerstellung aus Halbzeugen Halbzeuge aus Kunststoffen, Aluminium und Stahl sind in Standardabmessungen erhältlich (Abb. D-6). Um den Zerspanungsaufwand zu verringern, müssen diese vor der Fräsbearbeitung endkonturnah vorgesägt und gefügt, d. h. verklebt, verschraubt oder verschweißt werden. Fügestellen, die nach der Fräsbearbeitung in der Werkzeugwirkfläche liegen, sind zur Vermeidung von Pressteilfehlern evt. nachzuarbeiten. Abb. D-6: Blockmaterial Kunststoff (Bildquelle: Rampf Tooling GmbH&Co. KG) Die Fertigung von Werkzeugbauteilen aus Halbzeugen kann bei geringem Zerspanungsaufwand, d. h. geeigneter Geometrie der Werkzeugwirkflächen sehr schnell zum Werkzeug führen. Abb. D-7: Vollkunststoffwerkzeug, Aufbauverfahren (Bildquelle: Rampf Tooling GmbH&Co. KG) 10 Kap. 3: Haller, B.: Prototyp-Werkzeugsysteme für die Blechumformung. In Siegert, K. (Hrsg.): Neuere Entwicklungen in der Blechumformung DGM, ISBN Werkzeuge für die Blechformteile hoher Ziehtiefen, tiefen Einprägungen im Stempelstirnbereich und Höhenunterschiede bzw. Konterschwankungen in den Ziehrahmenflächen sind jedoch aufgrund des hohen Zerspanungsvolumens für diese Vorgehensweise ungeeignet. Diese müssen dann aus einzelnen Blockmaterialien zusammengesetzt werden (Abb. D-7). 3.3 Abformen von Genaugussmodellen Werkzeuge aus Cerrotru Die eutektische Bismut/ Zinn-Legierung Bi57Sn43 eignet sich für das Genaugussverfahren, da sie bei der Erstarrung in eutektischer Zusammensetzung nicht schwindet. Der Herstellungsprozess ist schematisch in Abb. D-8 dargestellt. In einem ersten Schritt wird das Gießmodell des Werkzeugunterteils auf Basis des Datensatzes gefräst. Durch Abformen mit Formsand erhält man die zugehörige Gießform. Aufgrund der Eigenschaften der Legierung ist, die Verwendung von Formkästen und das Anbringen eines Eingussbzw. Anschnittsystems für den Gießvorgang nicht notwendig. Modell von Stempel und Blechhalter anfertigen Modell einschalen, Gießform anfertigen Gießform wenden Stempel einschalen und abgießen Stempel in Gießform stellen, Stempelumriss mit Wachsfolie belegen, Blechhalter gießen Stempel und Blechhalter mit Wachsfolie belegen, Matrize gießen, nachfolgend Werkzeug montieren Abb. D-8: Herstellungsprozess für Ziehwerkzeuge aus Cerrotru (Bildquelle: B. Haller) Das Gießen der Legierung erfolgt über einen wärmebeständigen möglichst heizbaren Schlauch. Nach Erkalten der Legierung in der Gießform wird die Blechverschalung wieder entfernt und stattdessen am Stempelumfang eine wärmbeständige Wachsfolie entsprechend dem Spiel zwischen Stempel und Blechhalter aufgebracht. Durch erneutes Abgießen in die mit Kernen für Trag- und Hebehilfen versehene Gießform erhält man den Blechhalter. Für den Gießvorgang der Matrize werden Stempel und 41

42 Blechhalter gewendet, mit Wachsfolie in Blechstärke versehen und erneut eingeschalt. Nach dem Planen der Matrizenaufspannfläche erfolgt im Rahmen der Werkzeugmontage, ein Verschrauben des Stempels mit Grundplatte. Die Verarbeitung der Legierung Bi57Sn43 im Vollgussverfahren ermöglicht eine Prototyp- Werkzeugherstellung in relativ kurzer Zeit. Bei vorhandenem Umlaufmaterial ist diese zudem kostengünstig, da aufgrund der Wiederverwendbarkeit der Legierung lediglich ein äußerst geringer Materialverlust und die Verzinsung der Werkstoffkosten berechnet werden müssen Werkzeuge aus Kunststoff Prinzipiell unterscheidet man Vollgussverfahren Frontgussverfahren und Oberflächenschichtgussverfahren. Beim Vollgussverfahren wird der Kunststoff direkt in eine Form gegossen (Abb. D-9). Nach Abschluss des Gießvorganges und dem Aushärten des Hinterbaus wird das Werkzeugunterteil entformt und zur Berücksichtigung der Blechstärke mit Wachsfolie versehen. Der gegossene Hinterbau wird erneut, jedoch unter Verwendung von Distanzen, auf das Arbeitsmodell aufgesetzt, eingeschalt und abgedichtet. Der Frontguss entsteht durch das Befüllen des Hohlraumes zwischen Hinterbau und vorhandener Werkzeughälfte über den Einguss. Der Gießprozess lässt sich u. a. anhand den Steigern kontrollieren. Nach dem vollständigen Befüllen der Form und Aushärtung des Formstoffes lässt sich die frontgegossene Matrize entformen. Abb. D-9: Vollgussverfahren Kunststoffwerkzeug (Bildquelle: Rampf Tooling GmbH&Co. KG) Beim Frontguss einer Matrize ersetzt die bereits vorhandene Werkzeughälfte (d. h. Stempel und Blechhalter) die in Abb. 10 gezeigten Arbeitsmodelle. Diese wird zunächst zum Schutz der Oberflächen und leichterem Entformen mit Formversiegler und Trennmittel versehen. An stark geneigten Flächen muss zusätzlich eine, der Stärke des Frontgusses entsprechende, Distanzfolie aufgelegt werden. Die Gießform entsteht durch Anbringen einer Holzverschalung an der Werkzeughälfte. Vor dem Gießvorgang sollten der Einguss und die Steiger für den Frontguss gesetzt werden. Ferner können Kerne zur Erzeugung von Ziehsicken und Spannhilfen befestigt werden. Zur Senkung der Materialkosten besteht die Möglichkeit, während dem Gießen Bruchstücke aus zerkleinerten, ausgedienten Werkzeugen einzubringen. Abb. D-10: Herstellungsschritte einer Matrize nach dem Frontschichtgussverfahren (Bildquelle: Ebalta Kunststoffe GmbH) Prinzipiell ist die Herstellung von Werkzeugteilen aus Kunstharzen in Frontgussbauweise auf abformtechnischem Wege aufgrund der notwendigen Vorbereitungs- und Aushärtungszeiten zeitintensiver als die Herstellung von Teilen aus der Legierung Bi57Sn43. Jedoch verfügen Kunstharze über die höhere Verschleißbeständigkeit. Beim Oberflächenschichtgussverfahren (Gel-Coat- Verfahren) wird ein spezielles Oberflächenharz in Schichtdicken von ca. 3 mm manuell in die Gießform eingebracht. Nachdem diese Schicht ausgehärtet ist, wird mit einem konventionellen Gießharz der Hinterbau erzeugt. Das wesentliche Motiv für die Verwendung dieses Aufbauverfahrens ist auch hier die deutliche Verbesserung der Gleiteigenschaften der Werkzeugaktivfläche. Abb. D-11: Herstellungsschritte einer Matrize nach dem Gel-Coat-Verfahren (Bildquelle: Ebalta Kunststoffe GmbH) 42

43 Die beschriebene Vorgehensweise wird insbesondere bei Werkzeugen in Mischbauweise angewendet. Durch die Nutzung der Abformtechnik erübrigt sich die aufwändige Fräsbearbeitung des Werkzeugoberteils. In Kombination mit der geringen Dichte der Kunststoffe ist diese Vorgehensweise insbesondere für großvolumige Werkzeuge zur Senkung der Fräsbearbeitungszeiten und Werkzeuggewichte vorteilhaft. Aufgrund der mittleren Verschleißbeständigkeit von Kunstharzen eignen sich Werkzeuge in Mischbauweise (Stempel/ Blechhalter aus G- ZnAl4Cu3, Matrize aus Kunstharzen, Abb. D-12) insbesondere zur Herstellung großflächiger Außenhautteile üblicher Feinblechgüte. Abschließend erfolgt die Montage und Ausprobe der Werkzeuge. Modell von Stempel, Blechhalter und Matrize anfertigen Gießmodelle einformen Formkasten wenden, Modell ausformen, Abguss Bauteile entformen Kunststoff Gegossene Teile nach Datensatz fräsen Werkzeug montieren Frontguss Zamak Abb. D-12: Mischbauweise (Bildquelle: Rampf Tooling GmbH&Co. KG) 3.4 Fertigfräsen von vorgegossenen Werkzeugen Werkzeuge aus Zamak Eine schematische Darstellung der Werkzeugherstellung zeigt Abb. D-13. Feinzink- Legierungen schwinden bei der Erstarrung um ca. 1%. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Werkzeugteile und die Verwendung von Datensätzen zur Beschreibung der Bauteil- Werkzeuggeometrie werden heute in einem ersten Schritt Gießmodelle unter Berücksichtigung eines Bearbeitungsaufmaßes mit bis zu 10 mm und der Schwindmaßkorrektur durch NC-Fräsen ausgehend vom Werkzeugdatensatz hergestellt. Es folgt die Herstellung der Gießformen. Anstelle von Verschalungen werden Formkästen verwendet. Je nach Beschaffenheit der Modelle erfolgt die Verfestigung der Form auf chemischem oder mechanischem Wege. Die Notwendigkeit von Sandformen beim Gießen von Feinzink-Legierungen bedeutet jedoch hohe Investitionen in Formstoffmisch- und Aufbereitungsanlagen. Nach dem Abgießen und Erkalten der Gussstücke werden diese einer mechanischen Bearbeitung unterzogen. Abb. D-13: Herstellungsprozess für Ziehwerkzeuge aus Feinzinklegierungen (Bildquelle: B. Haller) Grundsätzlich ist der Fertigungsablauf von Werkzeugen aus Feinzink zeitintensiv. Die Wiederverwendbarkeit der Legierung durch Wiedereinschmelzen und die niedrigen Werkstoffkosten sind hingegen vorteilhaft. Die hohe Verschleißbeständigkeit der Feinverzink- Legierungen erlaubt ein Ziehen von Blechformteilen aus höherfesten Güten bzw. mit größeren Blechdicken. Ferner können bei mittlerer Beanspruchung (DC04, s < 1 mm, Radien > 2 mm) Gesamtstückzahlen von ca Teilen und somit Kleinserien realisiert werden Werkzeuge aus Grauguss Abb. D-14 zeigt ein Prototypwerkzeug aus Grauguss GG25, hergestellt durch Fräsen der einzelnen vorgegossenen Werkzeuge. Abb. D-14: Prototypwerkzeug aus Grauguss (Bildquelle: Audi AG) 43

44 E Werkzeugkonstruktion 1 Einzelwerkzeuge 1.1 Vorgehensweise Konstruktion 11 Parallel zur Erarbeitung der Fertigungsmethode, die die Werkzeugwirkflächen beschreibt, wird mit der Konstruktion der Werkzeuge begonnen. Diese bestimmt wesentlich deren Anfertigungskosten und - zeit, aber auch die Prozesssicherheit der Werkzeuge im Betrieb. Die Ausgangsdaten für die Konstruktion sind Anforderungen aus der zu produzierenden Stückzahl an Bauteilen (pro Losgröße und über Laufzeit) und die daraus resultierende geplante Hubzahl (Hübe pro Minute). Darüber hinaus sind dies spezifische Vorgaben aus den konkreten späteren Fertigungsanlagen (Presswerk) sowie Daten der Produktions-, Ersatz- und Einarbeitspressen. Weitere Grundlage sind die Informationen aus dem 3D-Methodenplan Erforderliche Operationsstufen Fertigungsfolge Bearbeitungsrichtungen Schwenklage der Bauteile Abfallgrößen Blechhalterflächen. Basis für die konkrete Ausführung der Konstruktion sind Vorgaben aus Richtlinien, Normen und Arbeitsanweisungen. Die Werkzeugkonstruktion gliedert sich in drei Phasen, die Konzeptphase, die Entwurfsphase und die Ausarbeitungsphase. Während der Konzeptphase werden parallel zur Erstellung der Fertigungsmethode erste grobe Bauraumuntersuchungen durchgeführt, um zu prüfen, ob die zur Fertigung erforderlichen Werkzeugelemente (Niederhalter, Schieber etc.) in ein Werkzeug integriert werden können. Desweiteren wird geprüft, ob die erforderlichen Werkzeugbewegungen und der Bauteiltransfer in der geplanten Presse möglich sind. Ein weiteres Kriterium ist die Kontrolle der zulässigen Abfallgrößen. Ergebnis ist das Konstruktionskonzept mit den erforderlichen Hubhöhen zur Sicherstellung des korrekten Funktionsablaufs. In der Entwurfsphase entsteht die erste Konstruktion des Werkzeugs. Hierbei werden folgende Kriterien zur wirtschaftlichen und prozesssicheren Anfertigung berücksichtigt: 11 Kap. 1.1 übernommen aus: Handbuch der Fertigungstechnik, Band 2 (Umformen), Kap. 10 (Werkzeuge), Autor Dr.-Ing. Matthias Kerschner, Audi AG Einfache und prozesssichere konstruktive Gestaltung Beanspruchungsgerechte Materialauswahl Gießgerechte Gestaltung und maximale Steifigkeit bei möglichst minimalem Materialeinsatz Zugänglichkeit der mechanischen Bearbeitung Montage- und wartungsgerechte Ausführung der einzelnen Bauteile. Dieser Konstruktionsentwurf ist die Basis für die folgende Simulation von Bewegungszusammenhängen zur Kontrolle kollisionsfreier Funktionsabläufe. Hierbei wird sowohl die Freigängigkeit während der Bewegung der Mechanisierung und während des Bauteiltransports geprüft, als auch die kollisionsfreie Bewegung der Werkzeugkomponenten. Bei freiprogrammierbaren Transfereinrichtungen, die nicht mechanisch an den Pressenantrieb gekoppelt sind, kann durch Ermittlung der optimalen Bewegungsbahn die Teileausbringung zusätzlich deutlich beeinflusst werden. In der abschließenden Detaillierungsphase erfolgt die Auskonstruktion und Detaillierung des Werkzeugs. Viele Details werden in Form sogenannter Konstruktionsfeatures eingebracht. Das heißt, dass beispielsweise nicht eine Bohrung alleine, sondern zugleich das damit verbundene Bearbeitungsprogramm in den Konstruktionsdatensatz (KDS) eingefügt wird. Häufig wiederkehrende Bauteile werden üblicherweise als Normteile / Standardteile hinterlegt und nicht selbst angefertigt. Dieses Normteil ist dann separat spezifiziert. Dadurch werden Fehler in der Ausführung vermieden und eine eindeutige Anfertigung sichergestellt Die Ergebnisse der Konstruktion sind neben den kompletten 3D-CAD Daten des Werkzeugs noch weitere Informationen für die Anfertigung: 3D- Gießmodelldaten 3D-Daten für die mechanische Bearbeitung inklusive auslesbarer NC-Features für die Bohrbearbeitung Stücklistenparameter von jedem Einzelteil, die zu einer Stückliste ausgedruckt werden Zeichnungen für die mechanische Bearbeitung von Zukaufteilen (Detaillierung) Zeichnungen für die Montage der Werkzeuge (ISO-Ansichten). Darüber hinaus entsteht der 3D-Durchlaufplan mit allen Informationen zur Einstellung der Presse: Einlaufhöhe Platine Einstellung der Mechanisierung (Transporthöhe, Hebehübe, Schwenkungen während des Bauteiltransports, Position der Greifer oder Sauger) Bauhöhe des Werkzeuges Verwendete Abfallschächte Ziehkissenhübe. 44

45 1.2 Gusswerkstoffe Heute gebräuchliche und häufig verwendete Gusseisenwerkstoffe für große Schneid- und Umformwerkzeuge sind die Werkstoffe EN-GJL-250 (GG25) und EN-GJL-HB255 (GG25CrMo) mit Lamellengraphit oder der Werkstoff EN-GJS-HB265 (GGG70L) mit Kugelgraphit. Die folgende Tabelle zeigt die früheren und aktuellen Bezeichnungen dieser Werkstoffe nach DIN 1561 (s. auch Kap. I-2). stützt den Blechhalter bei Vorhandensein eventueller Kippmomente von außen her ab. Verkippungen fallen geringer aus. Der Ziehprozess wird dadurch robuster. In Abb. E-1 sind die verschiedenen Bauarten von Ziehwerkzeugen am Beispiel eines Seitenwandrahmens im Schnitt dargestellt. 1 Grauguss (Lamellengraphit) DIN EN 1561 (neu) Kurzzeichen Nummer EN-GJL-250 EN-JL 1040 EN-GJL-HB255 EN-JL 2060 DIN 1691 (alt) Kurzzeichen Nummer GG GG 25 Cr Mo Sphäroguss (Kugelgraphit) EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS-HB265 EN-JS 1030 EN-JS 1050 EN-JS 1060 EN-JS 1070 EN-JS 2070 GGG 40 GGG 50 GGG 60 GGG 70 GGG 70 L L 5 Ziehwerkzeug einfachwirkend in Kastenbauweise; 1: Transportwangen (für Einsteckbolzen), 2: Ziehhilfen (Blechdickendistanzen), 3: Hauptdistanzen, 4: Blechhalter im Kasten geführt, 5: Führungs-/Abstützplatten 1.3 Werkzeugverrippung Aufbau Großwerkzeuge z.b. zur Herstellung von Karosserieteilen, werden im Allgemeinen in Verrippungsbauweise in Kombination mit einer durchgehenden und geschlossenen Innenwand sowie durchgehenden Boden- und Deckflächen ausgeführt. Dies hat den Zweck, das Blechhaltergewicht bei großen Abmessungen des Ziehwerkzeuges möglichst niedrig zu halten. Für Ziehwerkzeuge existieren verschiedene Bauarten, je nachdem ob das Werkzeug in einer doppelt- oder einfachwirkenden Presse betrieben wird. Ferner unterscheidet man zwischen der einfachen, konventionellen Bauweise (Normalausführung) und der Kastenbauweise. Bei der Normalausführung besteht das Werkzeug im Wesentlichen aus Stempel, Blechhalter und Matrize. Die Abstützung des Blechhalters zum Stempel erfolgt hierbei durch Führungsplatten, die zwischen Stempel und Blechhalter angebracht werden. Die Werkzeugaußengeometrie ist hierbei stark von der bauteilspezifischen Gestalt des Blechhalters abhängig. Bei der Kastenbauweise wird die Wirkeinheit Stempel/Blechhalter in einen Kasten gesetzt. Der Stempel ist mit dem Kasten fest verschraubt und verstiftet. Die Abstützung des Blechhalters erfolgt zum Kasten hin durch entsprechende Führungsplatten. Diese Bauweise erscheint auf den ersten Blick gegenüber der Normalausführung etwas aufwändiger. Dennoch geht der allgemeine Trend mehr und mehr hin zur Kastenbauweise. Sinn und Zweck der materialaufwändigeren Kastenbauweise ist in erster Linie die Darstellung einer standardisierten Werkzeugaußengeometrie inklusive Transportelementen und Spannstellen. Der Kasten Ziehwerkzeug einfachwirkend in Normalausführung; 1: Säulenführung (Feinzentrierung), 2: Tragzapfen (angegossen), 3: Blechhalter am Stempel geführt, 4: Grundplatte mit aufgeschraubten Tragzapfen und aufgesetzten Führungssäulen (optional) Ziehwerkzeug doppeltwirkend; 1: Blechhalter am Stempel geführt Abb. E-1: Bauarten von Ziehwerkzeugen (Bildquelle: A. Birkert et. al.) In der Praxis üblich sind heute Querschnittsgestaltungen des stets rahmenförmigen Blechhalters mit Kastenprofil- oder C-Profil- Verrippungen (Abb. E-2)

46 Die Gegenfläche des Blechhalters, die Matrize bzw. der Ziehring, sollte einerseits möglichst steif und andererseits möglichst leicht ausgeführt werden. Hierfür bietet sich eine prismatische Ziehringverrippung, vorzugsweise Bienenwaben- (Honeycomb-) Verrippung, an (Abb. E-4). Abb. E-2: Konstruktiver Aufbau konventioneller Blechhalterrahmen; Boxprofil (oben), C-Profil (unten) (Bildquelle: IFU Stuttgart) Hierbei sind die Rippen mit Wanddicken zwischen 40 und 60 mm (Ausnahmen bis zu 100 mm an Tragwangen) in teilweise großen Abständen orthogonal zueinander angeordnet. Diese Verrippungsgestaltung bewirkt zwar eine relativ leichte Bauweise des Blechhalters und führt insbesondere beim Kastenprofil im Vergleich zu anderen Konstruktionsausführungen zu relativ geringen Durchbiegungen und Torsionsverformungen. Jedoch ergeben sich bei dieser Konstruktionsausführung hinsichtlich der damit möglichen Erzeugung von hohen Flächenpressungen im Bereich der Blechhaltung gravierende technische Nachteile. Falls der Matrizenkörper in der gleichen Konstruktionsweise ausgeführt wird, so treten in bestimmten Zonen der Kontaktfläche beidseitig des Ziehteilflansches, in denen sich zwei Vertikalrippen (Matrizen- und Blechhalterseite) gegenüberstehen, relativ hohe Flächenpressungen auf. In den Zwischenzonen zwischen den Vertikalrippen kann jedoch aufgrund der fehlenden Stützwirkung durch die Rippen nur eine niedrige Flächenpressung erzeugt werden (Abb. E-3). In diesen Abschnitten mit nur geringer Flächenpressung wird somit unter Umständen die Faltenbildung 1. Art begünstigt bzw. es können hier keine hohen Rückhaltekräfte erzeugt werden. Rippenposition N/mm² Abb. E-3: Verteilung der Flächenpressungen bei einem als Kastenprofil verrippten Blechhalter (FEM-Belastungssimulation) (Bildquelle: IFU Stuttgart) Abb. E-4: Wabenstruktur (Bildquelle: IFU Stuttgart) Einflussfaktoren auf die Verteilung der Blechhalterpressung Beim gegebenen Pinolenbild der Presse ist vom Werkzeugkonstrukteur die Lage des Bauteils, genauer gesagt die Lage des Blechhalters, auf den die einzelnen Pinolen wirken, zu bestimmen (Abb. E-5). Positionen Pinolen Zieheinrichtung Positionen Führungshülse Abb. E-5: Lage der Pinolen der Zieheinrichtung, Anpassung an die Blechhaltergeometrie (Bildquelle: FTI) Hierbei sollte der Kraftmittelpunkt möglichst zentriert liegen. Auch ist die Lage der Führungen mit zu berücksichtigen. Neben der Gussstruktur und der Lage der Pinolen der Zieheinrichtung wird die Verteilung der Flächenpressung beeinflusst von: Der örtlichen Aufdickung des Blechwerkstoffes, insbesondere in den Eckenbereichen, in denen tangentiale Druckspannungen wirken. Der Kippung des Pressenstößels und der Zieheinrichtung aufgrund außermittiger Belastungen (Abb. E-6). 46

47 Pressenmitte Dl Resultierende Prozesskraft Blechhalter Bolzen der Zieheinrichtung im Pressentisch Matrize Stempel Pressentisch a Reißer Versatz Falten Abb. E-6: Stößelkippung (Bildquelle: IFUM Ein Nachteil vieler konstruktiver Ausführungen von Werkzeugverrippungen ist, dass bei Veränderung einzelner Pinolenkräfte, wie dies mit Vielpunkt- Zieheinrichtungen möglich ist, die Flächenpressung zwischen Blechhalter und Ziehmatrize nicht gezielt lokal beeinflusst werden kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die verwendeten Blechhalter konstruktiv meist biege- und torsionssteif ausgeführt sind und eine für diesen Zweck ungünstige Anordnung der Rippen aufweisen Gezielte Einstellung unterschiedlicher Blechhalterpressungen Eine zielgerichtete Blechhalterkrafteinleitung liegt dann vor, wenn bestimmte Bereiche der Platine mittels eines biege- und /oder torsionsweichen Blechhalters definiert im Sinne einer zuvor bestimmbaren Rückhaltung beeinflusst werden können. Diese Art der gezielten Steuerung der lokalen Einlaufwege der Platinenkante ist dann möglich, wenn das Gesamtsystem Werkzeug und Maschine für diesen Zweck aufeinander abgestimmt eingesetzt wird. Auf Seiten der Einleitung der Blechhalterkraft in die rahmenförmige Konstruktion des Blechhalters wird ein System benötigt, mit dem einzelne Druckpunkte gezielt und unabhängig voneinander angesteuert werden können. Das Ziehwerkzeug muss hierzu derart gestaltet sein, dass eine gezielte Weiterleitung dieser Kraft durch den Körper des Blechhalters hindurch in bestimmte Flanschbereiche während des Ziehens gewährleistet werden kann. Pressenseitig sind hier Zieheinrichtungen im Pressentisch mit einzeln oder gruppenweise ansteuerbaren Pinolen sinnvoll, oder, alternativ hierzu, eine flache Zwischenplatte mit Kurzhubzylindern, die direkt unter dem Ziehwerkzeug eingesetzt wird. Das in Abb. E-7 gezeigte System zur Herstellung von Spülen zeigt eine solche aufeinander angepasste Werkzeuggeometrie (Werkzeug mit abgesetzten Stümpfen) und eine Zylinderplatte mit einzeln ansteuerbaren und druckgeregelten Zylindern zur gezielten Steuerung des Ziehprozessverlaufes. Abb. E-7: Zylinderplatte zur gezielten Einleitung von Blechhalterkräften (Bildquelle: Schuler Pressen) Gieß-, fertigungs- und bearbeitungsgerechte Gestaltung Derartige verrippte Einzelwerkzeuge werden im Vollformgießverfahren hergestellt, welches in Abschnitt F genauer beschrieben ist. Aus gießtechnischer Sicht sind hierbei zahlreiche Gestaltungsregeln zu berücksichtigen. So sollten Materialanhäufungen weitestgehend konstruktiv vermieden werden, da sie Wärmezentrum bilden und damit einen Ansatzpunkt für Schrumpfungsfehler (Poren, Lunker). Als Bereiche für Materialanhäufungen kommen Rippen- Knotenpunkte im Unterbau von Werkzeugen und dickwandige Flächen zur Aufnahmen von Säulenbohrungen oder Gasdruckfedern in Betracht. Als Folge von Materialanhäufungen findet ein langsameres Erkalten der Bereiche mit Stoffanhäufungen statt, dadurch erfolgt der Erstarrungsprozess ungleichmäßig, was zum Anstieg der Lunkergefahr führt. Ausnehmungen / Verlegung einer Wand ungünstig günstig Vermeiden durch Rippenverstärkung ungünstig günstig Abb. E-8: Vermeidung von Materialanhäufungen (Bildquelle ETH Zürich) Je größer die Wanddicken und je mehr Wände in einem Knotenpunkt zusammentreffen, desto größer wird die Materialanhäufung an diesem Punkt. Zur Vermeidung lassen sich zum Beispiel Kreuzknoten in mehrere T-Knoten mit jeweils geringerer Materialanhäufung umwandeln (Abb. E-9). Grundsätzlich ungeeignet sind kubische Standardverrippungen, die die Werkzeugrückseite schachbrettartig überziehen. Ein derartiges Negativbeispiel zeigt Abb. E

48 ungünstig günstig Abb. E-9: Vermeidung von Materialanhäufungen an Knoten (Bildquelle: ETH Zürich) Durch ein Einziehen der Wand erreicht man einen gleichmäßigen Querschnitt über die Wand hinweg Beim Zusammentreffen von Wänden unterschiedlicher Dicke allmählicher Querschnittsübergang vorteilhaft. Eine kontrollierte Abkühlung mit zum Speiser gerichteter Erstarrung und günstiger Massenverteilung kann mit der Heuverschen Kontrollkreismethode erreicht werden. Bei dieser Methode müssen die Kreise (siehe Abb. E-12) zum Eingusspunkt hin stetig größer werden. Abb. E-10: Schachbrettartiges Kreuzmuster mit der Gefahr der Lunkerbildung an den Kreuzungspunkten (Bildquelle: Römheld&Mölle) Zur Vermeidung von Materialanhäufungen sollte ferner ein kontinuierlicher Querschnittsübergang vorgesehen werden (Abb. E-11). ungünstig günstig Abb. E-12: Querschnittsgestaltung bei Gussteilen (Bildquelle: ETH Zürich) Prinzipiell sollten die Rippen dort platziert werden, wo Druckbelastungen auftreten. Abb. E-13 zeigt dies am Beispiel eines Blechhalters. Hier ist eine umlaufende Rippe um den Stempel vorgesehen. Kraft ungünstig: günstig: Abb. E-11: Gestaltung von Querschnittsübergängen (Bildquelle: ETH Zürich) Zur Vermeidung von Materialanhäufungen können weiterhin folgende konstruktive Maßnahmen ergriffen werden: Ausbildung von Knotenpunkten mit sanften Übergängen spitze Winkel vermeiden (Belastung der Form aufgrund von Wärmekonzentration) Zu große Ausrundungen führen zu Materialanhäufungen Der Radius sollte deshalb etwa 30% der Wanddicke betragen Abb. E-13: Rippenanordnung und Gestaltung (Bildquelle: GM) Abb. E-14 zeigt die Konstruktion eines Werkzeuges, wo all die genannten Punkte berücksichtigt wurden. Neben der Gestaltung und Anordnung der Rippen ist auch die Kerngröße zu beachten. Die maximale Größe beträgt 300 mm x 400 mm, die Mindestgröße 100 mm x 100 mm (Abb. E-15). 48

49 Rissbildungsgefahr Fase oder Radius einbringen ungünstig optimiert ungünstig optimiert Abb. E-14: Rippenanordnung und Gestaltung (Bildquelle: Ford) Abb. E-15: Kerngestaltung (Bildquelle: GM) Bei Kernabmessungen A > 400 mm sind Rippen einer Mindestlänge von 100 mm von der Formfläche aus einzufügen (Abb. E-16). Abb. E-16: Abhilfe bei größeren Kernabmessungen (Bildquelle: GM) Zur weiteren Gewichtsreduzierung werden sogenannte Freigüsse eingebracht (Abb. E-17). Hierbei sind folgende Gestaltungsregeln zu beachten: Abstände Freigüsse zu Gussrippen: 80 mm Freigüsse nicht anbringen an tragenden Strukturwänden oder speisungsrelevanten Rippen Freigüsse sorgen für eine Verbindung der Sandkerne und ergeben Kernstützen Abb. E-17: Dimensionierung von Freigüssen (Bildquelle: GM, VW) Aus fertigungstechnischer Sicht der Gießerei sollten bestimmte Mindestwanddicken nicht unterschritten werden: Gefahr der Deformation des Modells beim Formvorgang. Bei großen Werkzeugen müssen bis zu 50 t Formsand um das Modell herum verdichtet werden. Die Bearbeitungszugaben können bereits dadurch unter Umständen aufgebraucht werden Dünne Wände erschweren die Formfüllung während des Gießvorganges (Kaltlaufgefahr) Dünne Wände erschweren die Dichtspeisung darunter liegender, dickwandiger Werkzeugbereiche und erhöhen das Fehlerrisiko Gefahr von Eigenspannungen und Rissen Dünne Wände in Verbindung mit großen Wanddickenunterschieden führen zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften 49

50 Spezifisches Volumen Gewichtseinsparungen können besser durch großflächiges Öffnen der Wände oder Rippen erzielt werden. Detaillierte Vorschläge für Mindestwanddicken finden sich in der VDI Erstarrung Bei Gusseisen müssen im Erstarrungsintervall zwischen 1170 C und 1140 C, bedingt durch Flüssigkeitsschwindung, die dickwandigen Bauteilbereiche, die zeitlich zuletzt erstarren, mit flüssiger Schmelze nachversorgt (gespeist) werden, um ein fehlerfreies, dichtes Gussgefüge zu erreichen. Abb. E-18 zeigt eine schematische Darstellung der Volumenänderung in Abhängigkeit von der Temperatur. Reines Metall Festes Material Speisungsbereich GGG70L Schmelze GG25 Temperatur Flüssige Schwindung (3,5 Vol.-%) Erstarrungsbereich Erstarrungsschrumpfung (2,0 Vol.-%) Feste Schwindung (1,0 Vol.-%) Abb. E-18: 1: flüssige Schwindung (etwa 3,5 Vol.%), 2: Erstarrungsschrumpfung (etwa 2 Vol.%), 3: feste Schwindung etwa 1% (Bildquelle: Römheld&Mölle) Während der Volumenausgleich vom flüssigen in den festen Zustand durch Speiser, also durch nachfließenden Gusswerkstoff ausgeglichen werden muss, erfolgt eine Berücksichtigung der Volumenabnahme während der Erstarrung durch ein vorher zu berücksichtigendes Übermaß. Darstellung der Wärmezentren (Hotspots) Bei allen Gussteilen ergibt sich nach dem Gießen eine Erstarrungsreihenfolge, die von den jeweiligen Materialvolumina und der zur Abkühlung zur Verfügung stehenden Oberfläche abhängt. In zuletzt erstarrenden Bereichen (Wärmezentren) besteht grundsätzlich große Lunkergefahr. Bei Ziehmatrizen ergibt sich eine Speisungsproblematik daraus, dass die in der Gießform unten liegende dickwandige Formfläche aus den darüber angeordneten dünneren Wänden nicht lange genug mit flüssiger Schmelze versorgt werden kann. Durch geeignete Simulationsprogramme kann eine Erstarrungssimulation durchgeführt werden. Die Zeit für die Erstarrung in den einzelnen Werkzeugbereichen kann ermittelt werden, und es können Bereiche detektiert werden, bei denen Lunkergefahr besteht (Abb. E-19). 1.4 Bauteiltransfer, Kollision Im Rahmen der Werkzeugkonstruktion müssen auch die Kinematik der einzelnen Werkzeugkomponenten sowie das Zusammenspiel der Werkzeuge mit der Presse und dem Transfersystem betrachtet werden. Hierbei finden Systeme zur konstruktionsbegleitenden Werkzeug- und Pressensimulation zunehmend Einsatz. Zielsetzung hierbei ist 12 : den Teiledurchlauf in frühem Stadium auf max. Hubzahl auszulegen, die Grundlage für Methode- und Werkzeugkonstruktion zu legen, den Werkzeugablauf und die Kollisionsfreiheit virtuell zu prüfen, den störungsfreien Werkzeuganfertigungsprozess sicherzustellen, den kollisionsfreien Ersteinbau in der Produktionspresse zu garantieren, elektronische Transfereinrichtungen offline zu programmieren und den Werkzeugsatz auf maximale Hubzahlen auslegen zu können. Unterschieden werden muss zwischen werkzeuginterner Bewegungssimulation und Pressendurchlaufsimulation. Prinzipielle Zielsetzung hierbei ist, mögliche Kollisionen und dadurch Funktionsstörungen bereits im Vorfeld vor dem Bau der Werkzeuge zu vermeiden. Bei der Werkzeugsimulation wird der Bewegungsablauf der einzelnen Werkzeugkomponenten jeder einzelnen Operation geprüft. Bei der Pressendurchlaufsimulation wird darüber hinaus für ein bestimmtes Bauteil das Abb. E-19: Erstarrungssimulation (Bildquelle: Römheld&Mölle) 12 Haller, B.: Konstruktionsbegleitende Werkzeug- und Pressensimulation. In Liewald, M. (Hrsg.): Neuere Entwicklungen in der Blechumformung DGM, ISBN

51 Flansche hochstellen mit Federboden teilweise fertig formen, teilweise vorformen Flansche abstellen und fertig formen Flansche abstellen Flansche zum Beschneiden ausgelegt Zusammenspiel zwischen Presse, Werkzeug und Transfersystem visualisiert und analysiert. Abb. E-22 zeigt beispielhaft die Operationsfolge für ein Doppelteil links-rechts, dargestellt in einem Stufenwerkzeugsatz. Auch hier ist in der ersten Operation die Ziehstufe enthalten. Folgeoperationen enthalten Beschneide-, Loch- und Biegeprozesse. OP 20 Ziehen OP 30 Beschneiden und Lochen OP 40 Beschneiden und Lochen Abb. E-20: Pressendurchlaufsimulation (Bildquelle: Audi AG) Mit Hilfe von sogenannten Freigängigkeitskurven (Abb. E-21 unten) steht dem Konstrukteur ein Hilfsmittel zur Verfügung, um bereits in der Konzeptphase die Kinematik der Transferbewegung zu optimieren. OP 50 Hochstellen Segmentierter Beschnitt in AR, Lochen mit Schieber OP 60 Abstellen und Trennen Abb. E-22: Operationsfolge in einem Stufenwerkzeug (Bildquelle: Ingenieurbüro Ossig) 2.2 Durchlaufplan Darüber hinaus ist zu beachten, dass der Durchlauf der Blechteile aus o.g. Gründen in einer Ebene erfolgen muss. Bei der Erstellung des Durchlaufplans sind die in Abb. E-23 gezeigten Randbedingungen zu berücksichtigen. Abb. E-21: Pressendurchlaufsimulation (Bildquelle: Schuler AG) Anzahl der Stufen Anzahl der Operationen 2 Stufenwerkzeuge 2.1 Konstruktion Für die Auslegung der einzelnen Operationen gelten prinzipiell die gleichen Regeln wie bei der Methodenplanung für Einzelwerkzeuge. Zu beachten ist jedoch, dass die einzelnen Werkzeuge, welcher auf einer gemeinsamen Grundplatte montiert sind, in einer einzelnen Presse eingebaut sind. Dies bedeutet, dass der Stößelhub, Ziehkissenhub usw. nicht individuell für jede Stufe eingestellt werden kann. Vielfach müssen daher Schieber (Kap. E-5.2) und Federn (Kap. E-5.3) eingesetzt werden. Greiferschienenstellung Werkzeuginhalte Durchlaufplan Gemeinsamer Aufbau Schließweg Hub, Schritt Bauteiltransport Greifer/Schaufel Abb. E-23: Randbedingungen bei der Entwicklung des Durchlaufplans (Bildquelle: Ingenieurbüro Ossig) Abb. E-24 zeigt einen kompletten Stufenwerkzeugsatz im eingebauten Zustand in die Presse. Der Vorschub der Teile erfolgt in diesem Beispiel mit einem Hubbalkentransfer. 51

52 u z 1,2...1,4 s 0 Abb. E-24: Stufenwerkzeugsatz (Bildquelle: Ingenieurbüro Ossig) 3 Gestaltungsrichtlinien 3.1 Ziehspalt Der Ziehspalt zwischen Ziehring bzw. Matrize und dem Stempel muss so groß gewählt werden, dass kein Abstrecken des Blechwerkstoffes, d.h. keine unbeabsichtigte Wanddickenverminderung auftritt. Hierbei ist die Blechdickenänderung während des Tiefziehens zu beachten. Es kann zwar in erster Näherung davon ausgegangen werden, dass die Wanddicke von Ziehteilen gegenüber der Dicke der Platine unverändert bleibt, dennoch treten bei genauerer Betrachtung örtliche Blechdickenreduktionen und Aufdickungen auf. So verringert sich die Wanddicke am stärksten im Bereich des Bodeneckenradius. In der Zarge nimmt die Blechdicke vom Boden zum Bauteilrand hin zu und erreicht ihren Maximalwert am Rand des Ziehteils (Abb. E-25). Ursache für diese Aufdickung sind die tangentialen Druckspannungen im Flanschbereich des Werkstückes, der während der Umformung in den Zargenbereich hineingezogen wird. Die sich ergebende Wanddicke s 1 am Rand des Ziehteils kann abgeschätzt werden durch die Beziehung s 4 1 s0 0 S 1 S 1 S 0 0,9 S 0 s Blechdicke der Ronde 0 s Randverdickung 1 Abb. E-25: Typische Wanddickenverteilung eines tiefgezogenen Napfes Sofern nach dem Tiefziehvorgang ein Restflansch stehen bleibt, ist die sich einstellende Blechdickenverteilung im Flansch stark abhängig von den mechanischen Eigenschaften des Blechwerkstoffes. Unter Berücksichtigung der beschriebenen Wanddickenerhöhung kann als Richtwert für eine ideale Ziehspaltweite angegeben werden: Falls der Ziehspalt u z kleiner gewählt wird als die sich einstellende Blechdicke s 1, wird dem eigentlichen Tiefziehen ein Abstreckgleitziehen überlagert, d.h. es findet eine Wanddickenverminderung statt. Durch die dadurch erzeugte Einwirkung von zusätzlicher Reibung und die Verlagerung von Werkstückvolumen in Richtung der Werkstückhöhe findet eine scheinbare Erhöhung des Grenzziehverhältnisses statt. Wird der Ziehspalt weiter verringert, wird ab einer gewissen Grenze die Kraft zum Abstreckgleitziehen größer als die Reibungskraft. Das Grenzziehverhältnis nimmt dann aufgrund der steigenden Bodenbelastung wieder ab (Abb. E-26). Grenzziehverhältnis β 0max 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 0,6 F RD<FB F RD>F 0,8 1,0 1,2 B α 1,4 Ziehspaltweite u / Blechdicke s z 0 F RD FS F B 1,6 Abb. E-26: Grenzziehverhältnis in Abhängigkeit des bezogenen Ziehspaltes Wird der Ziehspalt zu groß gewählt, führt dies zu geometrischen Ungenauigkeiten in Form von ausgebauchten Zargen und dem Auftreten von so genannten Lippen am oberen Zargenrand beim Durchziehen der Werkstücke. 3.2 Matrizenradien, Stempelradien 13 Durch Wahl eines optimalen Ziehkantenradius kann die Summe aus Reibungskraft und Biegekraft am Ziehkantenradius minimiert werden. Dabei ist der optimale Ziehkantenradius abhängig von den Parametern, die die Reibung und die Biegung beeinflussen. Diese Parameter sind Fließkurve des Blechwerkstoffs, Blechdicke, Oberfläche des Werkzeuges, Oberfläche des Bleches und Affinität zwischen Blechwerkstoff und Werkzeugwerkstoff respektive deren Beschichtungen sowie Schmierstoffart und Schmierstoffmenge. 13 Kap. 4.2: Farr, M.: Optimierung der Zieh- und Stempelkantenradien. In Siegert, K. (Hrsg.): Neuere Entwicklungen in der Blechumformung DGM, ISBN

53 Reibung und Biegung behindern auch die Umformung des Blechs im Bereich des Stempelbodens. Als Kriterium für die Wahl des Stempelkantenradius kann daher die im Ziehteilboden erreichbare Formänderung herangezogen werden. Die Ermittlung von Ziehkantenradien und Stempelkantenradien für Tiefziehwerkzeuge erfolgt in der Regel über empirisch ermittelte Beziehungen. So wird der Matrizenradius vielfach nach folgenden Beziehungen festgelegt: r r M M 0,035 [50 (D d )] s oder 0,6 0 D0 d0 s0 0 Als Parameter bei der Berechnung der Ziehkantenradien gehen dabei die Blechdicke und eventuell der Blechzuschnitt ein. Bei der Berechnung des Stempelkantenradius gehen Blechdicke und/oder Stempeldurchmesser ein, oder aber der Stempelkantenradius wird vom Ziehkantenradius abhängig gemacht: r St 1bis 5 r M Zu beachten ist jedoch, dass teilweise der Matrizenradius und vielfach der Stempelradius Bestandteil der Bauteilgeometrie sind, und somit nicht frei gewählt werden können. Die mechanischen Kennwerte des Blechwerkstoffs, das tribologische System Blech bzw. Blechbeschichtung/Schmierstoff/Werkzeug bzw. Werkzeugbeschichtung sowie die Mikrooberfläche des Blechs werden durch die gegebenen Beziehungen nicht berücksichtigt. 3.3 Blechhalterdruck Die Funktion des Blechhalters beim Tiefziehen besteht darin, zum einen durch seine Druckbeaufschlagung des Platinenrandes proportionale Reibungskräfte zu erzeugen und zum anderen gleichzeitig das Entstehen von Falten (1. Art) zu unterdrücken. Das Verhindern des Ausknickens des Ziehflansches und der Ausbildung von Falten im Ziehflansch für ein versagensfreies Einlaufen des Ziehflansches in den Ziehspalt bildet somit die untere Grenze der Kraftbeaufschlagung durch den Blechhalter. Die Blechhalterkraft darf andererseits höchstens so groß sein, dass die von ihr verursachten Reibungskräfte zwischen Platine und Blechhalter sowie zwischen Platine und Ziehmatrize in der Summe mit den Reibungskräften zwischen Platine und Ziehringrundung (Matrizeneinlaufradius) und der ideellen Umformkraft nicht die in der Bauteilzarge werkstoffspezifische, maximal übertragbare Kraft überschreitet. Für rotationssymmetrische Ziehteile lässt sich der erforderliche Blechhalterdruck zu Prozessbeginn nach der von Siebel aufgestellten Beziehung 0 d p ] 0 BH 0, ,005[( 0 1)³ 0,5 R m 100s0 berechnen 14. Diese Werte sind jedoch nicht ohne weiteres auf andere Ziehteilgeometrien übertragbar. So erfordern beispielsweise rechteckige Ziehteile mit kleinen Eckenradien durchweg höhere spezifische Flächenpressungen als rundliche Ziehumrisse. Bei dem Berechnungsansatz nach Sommer wird von der Annahme ausgegangen, dass die größte Blechhalterkraft bei einer Ziehtiefe erforderlich ist, bei der auch die maximale Ziehkraft auftritt. Die erforderliche Blechhalterkraft berechnet sich dabei nach der Beziehung A p BH k m( 0 1) R A St Hierbei bedeuten m k: Faktor, der die Blechdickenunterschiede im Flansch berücksichtigt m: Faktor, der die Werkstückgröße und Ungleichförmigkeiten der Bauteilgeometrie berücksichtigt A 0 /A St : Platinenfläche / projizierte Fläche der Stempelgeometrie. Die erforderliche Blechhalterkraft bei rotationssymmetrischen Blechteilen errechnet sich dann zu F B Do ² d 2r ² p 4 mit dem Innendurchmesser d der Ziehmatrize. Da der Ziehkantenradius und der Ziehspalt im Verhältnis zum Stempeldurchmesser d meist vernachlässigbar sind, gilt näherungsweise F B D 0² d0 ² p 4 Zu berücksichtigen ist, dass während des Ziehvorgangs die Flanschfläche des Ziehteils abnimmt. Bei üblicherweise konstant gehaltener Blechhalterkraft nimmt deshalb die Blechhalterpressung im Flansch zu, was weder erforderlich noch erwünscht ist. Derart hohe Blechhalterdrücke sind zur Unterdrückung der Faltenbildung nicht unbedingt erforderlich und führen darüber hinaus zu entsprechend hohen Reibungskräften, die zusätzlich zu den eigentlichen Umformkräften aufgebracht werden müssen. 3.4 Ziehsicken 14 Siebel, E.: Der Niederhalterdruck beim Tiefziehen. Z. Stahl und Eisen, Nr , S

54 t Beeinflussung der Rückhaltewirkung des Ziehflansches Ziehwulste und Ziehsicken werden eingesetzt, um dem Einlaufen der Platine im Bereich der Blechhaltung eine örtlich und bisweilen zeitlich unterschiedliche Rückhaltekraft entgegen zu setzen e 90 h e a b c b 90 e 45 Einlauf Sicke Sicke Abb. E-27: Ziehsicke und Ziehsickennut Dies entspricht dann der Reibungswirkung eines örtlich erhöhten Blechhalterdruckes. Die Rückhaltekraft auf die Platine zur Überwindung der durch die Ziehsicke verursachten Reibungs- und Biegekräfte ist abhängig von der Affinität zwischen Umformgut und Werkzeugwerkstoff der Oberflächentopologie des Werkzeugs, der Sicken und des Ziehstabs den Radienverhältnissen an Ziehsicke, Ziehsickennut und deren Breite, der Eindringtiefe des Ziehstabs usw. der Topologie der Blechoberfläche der Blechdicke und der Festigkeit des Blechwerkstoffs. Die Radien der Ziehsicke bestimmen die Charakteristik des Systems. Je kleiner die Ein- und Auslaufradien an der Ziehsickennut und je größer die Eindringtiefe des Ziehsicke in die Ziehsickennut sind, desto größer ist die Summe der auf die Platine wirkenden Biege- und Reibungskräfte und desto steiler ist somit der Anstieg der Rückhaltung. Bei genügend kleinen Radien kann schließlich jegliches Einlaufen der Platine unterbunden werden. Um die Ziehsicke geschlossen zu halten, muss eine bestimmte, von einer Vielzahl von Parametern abhängige zusätzliche Vertikalkraft vom Blechhalterstößel oder dem Ziehapparat aufgebracht werden. Früher wurden Ziehsicken aus Instandhaltungsgründen als Profilstab in eine vorbereitete Rechtecknut auf der Blechhalter- oder Matrizenseite eingeschlagen und mit Stiften in der Nut fixiert. Daher wird in der Praxis heute noch vereinzelt der Begriff Ziehsickenstab verwendet, obwohl die Sickengeometrie heute im Gusskörper der Matrize oder des Blechhalters vorgesehen und zerspanend aus dem Vollen erzeugt wird. b h a t e d e Abb. E-28: Anordnungen von Ziehsicken Die beabsichtigte, vom Ziehweg zeitlich abhängige Bremswirkung des Ziehflansches wird durch die Position der Ziehsicke als Abstand vom Matrizeneinlaufradius erzielt (Abb. E-28). Üblicherweise werden heute Sickenbreiten von 10 mm und 13 mm eingesetzt, wobei deren Höhe auf die Blechdicke und das beabsichtigte Bremsverhalten angepasst wird. Werden in diesem Zusammenhang eher größere Einlaufwege in Verbindung mit niedrigen Blechhalterkräften erwünscht, so wird die Ziehsicke eine eher geringe Höhe aufweisen. In diesem Fall spricht man von sog. Laufsicken. Im Gegensatz dazu besteht zum Beispiel bei flachen Bauteilen mit hoher Streckziehbelastung oftmals die Forderung, dass jegliches Einlaufen der Platinenkante unterbunden werden soll. In diesem Fall gestaltet man die Ziehsicke mit großer Sickenhöhe oder mit rechteckigem Querschnitt aus. Abb. E-29 zeigt die qualitative Ausführung von Sicken am Beispiel einer Beplankung einer Motorhaube. Klemmsicke Laufsicke 50 Laufsicke Klemmsicke Abb. E-29: Gezielte Veränderung des Platineneinlaufs durch Variation der Platinenform und Gestaltung von Laufund Klemmsicken Bei bestimmten Bauteilgeometrien können größere Falten 1. Art im Bereich der Blechhaltung auftreten, so dass die Blechhalterkraft nur in engen Grenzen erhöht werden kann. In diesem Falle erzielt man höhere Rückhaltekräfte während des gesamten Ziehweges (des Ziehstempels) durch Mehrfachanordnung von Ziehsicken in Laufrichtung hintereinander (Abb. E-30). Zu beachten ist jedoch, dass derartige Mehrfachanordnungen eine größere Platine und damit ein höheres Einsatzgewicht für das Bauteil zur 54

55 8(9,5) 25 0,25 Folge haben. Anfang und Ende der Ziehsicke wird nach handwerklicher Erfahrung in der Höhe reduziert und läuft dann auf die Höhe der Ziehanlage aus. Einen Erfahrungswert dafür bilden die in Abb. E-30 angegebenen 10 Grad nach dem Ende eines Radienbereiches des Ziehumrisses durch den Ziehstempel einzubringen. Einen weiteren technologischen Vorteil von Ziehwulsten bildet deren nahezu uneingeschränkter Einsatz auch bei extrem hohen Einlaufwinkeln des Ziehflansches in die Bauteilzarge. Abb. E-32 zeigt unterschiedliche Querschnittsformen von Ziehwulsten und deren Ausgestaltung prinzipiell auf. Generell können diese Geometrien jedoch in beliebiger Form modifiziert werden, um den oben genannten Anforderungen gerecht zu werden. Beispielsweise wird die in Abb. E-32 b dargestellte Geometrie mit relativ kleinen Radien häufig für Streckziehteile wie z. B. Tür- und Dachbeplankungen von PKW eingesetzt, während die in Abb. E-32 d dargestellte Geometrie mit relativ großen Radien für Tiefziehteile mit großen Einlaufwegen verwendet wird Abb. E-30: Mehrfachanordnung von Ziehsicken hintereinander Dabei ist zu beachten, dass die für diese Ziehanlagengestaltung zugehörige Ziehkraft zur Herstellung des Werkstücks und damit auch die erforderliche Stößelkraft der Ziehpresse mit zunehmender Anzahl von Ziehsicken ansteigen. Abb. E-31 zeigt neben der Anordnung der Laufsicken am Beispiel einer B-Säule auch das Aussehen der Formplatine sowie die eingezogene Platine. Platine, Blechhalter geschlossen Eingezogene Platine Ziehsicken Stempel a R 6,5 b 16(10) 1,5 Schräge Abb. E-32: Prinzipielle Darstellungen von Ziehwulsten Modellierung Ziehsicken werden in der FEM-Prozesssimulation (vgl. Kapitel C-4) nicht geometrisch mitberechnet sondern über eine Rückhaltekraft anhand des Linienverlaufs auf dem Blechhalter vereinfacht nachgebildet. Hierdurch kann sehr viel Rechenzeit eingespart werden. c d 25 Formplatine Blechhalter Bauteilbeschnitt Matrizeneinsatz Abb. E-31: Anordnung von Laufsicken am Beispiel B- Säule (Bildquelle: ThyssenKrupp) Ziehwulste Ziehwulste stellen ein Bremskonzept für den Ziehflansch dar, das an unterschiedliche Ziehtiefen im gleichen Bauteil bzw. an dessen Geometrie individuell entlang des Ziehumrisses angepasst werden kann. Grundsätzlich erzeugen Ziehwulste eine lokal spezifisch einstellbare Rückhaltekraft der Platine, die ideal nah am Ziehumriss wirkt. Darüber hinaus vermögen spezielle Ziehwulstgeometrien zum einen technologisch ungünstige Höhendifferenzen bei der Ziehanlagengestaltung auszugleichen und zum andern eine bestimmte Vorspannung in die noch unverformte Platine nach dem Schließen des Blechhalters vor der Berührung Abb. E-33: Ziehsickenverlauf; A: Ziehsicken orientiert am Stempeldurchgang; B: Ziehsicken orientiert an der Platinengröße; C: Stempeldurchgang; D: Platine (Bildquelle: ETH Zürich, IVP) Der Verlauf der Ziehsicken wird so gewählt, dass genügend Anpressfläche zwischen dem Auslaufradius der Sicke und dem Matrizeneinlaufradius vorhanden ist und Abzeichnungen der Ziehsicken auf der Blechoberfläche insbesondere bei Außenhautteilen nicht im sichtbaren Bereich des späteren Bauteils liegen (Abb. E-33). 55

56 Die Geometrieform, die Radien und die Höhen der einzelnen Sicken werden erst im Anschluss an die Umformsimulation festgelegt. Hierfür stehen dem Konstrukteur Tabellen und automatische Berechnungsalgorithmen zur Verfügung Höhenverstellbare Bremssysteme Eine weitere Verfahrensvariante für flache Bauteilgeometrien, die durch Tief- und Streckziehen hergestellt werden, stellt die Kombination von Tiefziehen und mechanischem Tiefen gegen Prozessende dar. Diese Kombination ist dann sinnvoll, wenn ein Bauteil in den ersten Prozessphasen tiefgezogen wird und der Ziehflansch nachlaufen kann. Eine sichtbare Verbesserung der Form- und Maßgenauigkeit des Blechformteils kann erreicht werden, wenn gegen Ende des Prozesses jegliches Nachlaufen des Ziehflansches unterbunden wird. Diese Vorgehensweise nennt man Shape Set und hat zum Ziel, eigenspannungsverursachte Krümmungen der Ziehteilzarge nach dem Beschneiden deutlich zu reduzieren. Diese Streckziehphase führt zu einer Oberflächenvergrößerung der Ziehteilzarge und erhöht deren nahezu einachsige, plastische Zugspannung merklich. Dieses Shape Set - Konzept kann entweder durch eine drastische Erhöhung der Blechhalterkraft gegen Prozessende oder durch eine Höhenverstellung von Ziehsicken erreicht werden, die im Ziehwerkzeug beispielsweise mechanisch oder hydraulisch angetrieben werden können. Generell gelten solche beweglichen Sickensysteme im Ziehwerkzeug als störanfällig und instandhaltungsintensiv. 4 Werkzeugelemente, DIN-Teile 4.1 Führungen Zur Zentrierung des Ober- mit dem Unterwerkzeug wird entweder eine Säulen- oder eine Stollenführung eingesetzt (Abb. E-34). Der durch unsymmetrische Belastung auftretende Versatz im Werkzeug wird durch diese Führungen kompensiert. Abb. E-34: Säulen- und Stollenführung (Bildquelle: Doege/Behrens, Handbuch der Umformtechnik) Eine Stollenführung stellt eine einfachere Führung dar, während eine Säulenführung einer genaueren Zentrierung dient. Bei beiden Führungsarten handelt es sich um Normteile bzw. Normalien (Abb. E-35). Abb. E-35: Links: Führungsplatten für Stollenführungen, rechts: Säulenführungen (Bildquelle: Fibro GmbH) 4.2 Schieber Schieber werden allgemein dort eingesetzt, wo eine Werkzeugbewegung, welche nicht der Richtung der Stößelbewegung entspricht, benötigt wird. Dies kann u.a. beim Lochen, Schneiden, Abstellen usw. der Fall sein. Abb. E-36 zeigt einen derartigen Schieber. Auch dieses Werkzeugelement stellt eine Normalie dar. Schieber stehen als Standardelemente in verschiedenen Breiten und in verschiedenen Winkeln zur Verfügung. Abb. E-36: Aufbau eines Werkzeugschiebers (Bildquelle: Fibro GmbH) Wie in Abschnitt C bereits ausgeführt, darf der Beschneidewinkel bei Stahlblechen maximal 15, bei Aluminiumblechen sogar max. 3, betragen. Kann diese Forderung nicht eingehalten werden, müssen Werkzeugschieber zwingend vorgesehen werden. Abb. E-37 zeigt in einer Übersicht die möglichen Einbauvarianten von Werkzeugschiebern mit verschiedenen Winkeln. Möglich ist hier auch der kombinierte Einbau von zwei Werkzeugschiebern, um eine Umkehrung der Bewegung von mehr als 90 zu realisieren. In Abb. E-38 wird anhand eines Einbaubeispiels der Einsatz von Werkzeugschiebern mit verschiedenen Winkeln gezeigt. In diesem Einbaubeispiel werden die Schieber u.a. zum Einformen und Einstellen eingesetzt. Beim gezeigten Werkzeug handelt es sich um ein Werkzeug (Folge-OP), Seitenwandrahmen außen des Audi A1. 56

57 4.3 Gasdruckfedern 15 Gasfedern sind mit hoch verdichtetem Stickstoff (bis zu 150 bar) gefüllt. Der Gasdruck wirkt auf den Kolben der Feder und erzeugt eine ständig wirkende Kraft. Bei einer Abwärtsbewegung der Kolbenstange wird Energie in Form einer Druckerhöhung in die Feder eingebracht, die während der Aufwärtsbewegung wieder abgegeben wird (Abb. E- 39). F N 2 Abb. E-37: Mögliche Anordnungen von Arbeitsschiebern im Großwerkzeugbau Abb. E-39: Aufbau Stickstofffeder Stickstoff ist ein sicheres Medium, denn es ist nicht brennbar und ungiftig. Der in Gasflaschen befindliche Stickstoff ist bei Raumtemperatur gasförmig, eine Verflüssigung oberhalb der kritischen Temperatur von T K = -147 C ist auch bei beliebig hohen Drücken nicht möglich. Die normale Umgebungsluft besteht zu ca. 78% aus Stickstoff. Im Gegensatz zu Luft oder reinem Sauerstoff ist Stickstoff ungefährlich hinsichtlich der Verwendung von Schmierstoffen. Bei Sauerstoff kommt es bei hohen Drücken und Anwesenheit von Öl oder Fett zur Explosion (Dieseleffekt). Im Vergleich zu mechanischen Federn bieten Stickstofffedern eine Vielzahl an Vorteilen. Werkzeugkonstruktion: Werkzeugelemente / DIN-Teile Institute for Metal Forming Technology Stefan Wagner WS 10/11 Abb. E-38: Werkzeug mit Schiebern (Bildquelle: Audi AG) Weitere Einsatzgebiete für Schieber finden sich in Nachformwerkzeugen (siehe Kap.L). Abb. E-40: Vergleich der Kraftverläufe (Bildquelle: Fibro GmbH) 15 Kap. 5.3 Haller, D.: Steuerbare Stickstofffedersysteme für den Werkzeugbau. In Siegert, K. (Hrsg.): Neuere Entwicklungen in der Blechumformung DGM, ISBN

58 Bei Stickstofffedern wirkt von Anfang an die volle Kraft (Abb. E-40). Es muss nicht vorgespannt werden. Der Kraftanstieg über dem Federweg einer Stickstofffeder ist weitaus geringer als bei konventionellen Federn. Stickstofffedern besitzen eine wesentlich höhere Kraftdichte als Schraubenfedern. Eine Stickstofffeder kann mehrere konventionelle Federn ersetzen. Autonome Stickstofffedern (Abb. E-44) werden einzeln an- oder eingeschraubt. Jede Feder arbeitet völlig unabhängig von den anderen. Die Federn können befüllt bestellt werden oder vor Ort einzeln auf den benötigten Druck eingestellt werden. Nachteil dieses Federtyps ist der relativ hohe Kraftanstieg von % über dem Federweg. Abstellbolzen Distanzkappe Stickstofffeder Abb. E-41: Federn zum Abstellen und Einrichten (Bildquelle: Fibro GmbH) Der Einsatz von Stickstofffedern reicht von einfachen Aufgaben wie das Abstellen des Werkzeugoberteils zum Erleichtern der automatischen Werkzeugspannung (Abb. E-41) über die Aufbringung von Blechhaltekräften quer zur Pressenwirkrichtung (Abb. E-42) bis hin zur Aufbringung von Niederhalterkräften in einfachwirkenden Pressen (Abb. E-43). Abb. E-44: Autonome Stickstofffeder (Bildquelle: Hyson) Bei verbundenen Stickstofffedern (Abb. E-45) wird das Ventil vom Befüllanschluss entfernt und alle Federn werden über Schläuche mit einer Kontrollarmatur verbunden. Das gesamte Federsystem kann von der Kontrollarmatur befüllt und entleert werden. Es herrscht der gleiche Druck im gesamten System. Dieser Druck kann leicht überwacht und verändert werden. Nachteil ist auch hier der relativ hohe Kraftanstieg von % über dem Federweg. Abb. E-42: Stickstofffedern in Schieberwerkzeugen (Bildquelle: Fibro GmbH) Stößel Matrize Platine Abb. E-45: Verbundenes Stickstofffedersystem (Bildquelle: EOC Normalien GmbH & Co. KG) Alternativ zu autonomen Stickstofffedern kann als externer Stickstoffspeicher ein Tank eingesetzt werden. Dies kann in Form einer Tankplatte (Abb. E- 46) oder eines Flaschentanks (Abb. E-47) erfolgen. Stempel Blechhalter Stickstofffeder Pressentisch Ausgleichstank Abb. E-43: Ziehen in einfachwirkenden Pressen mittels Stickstofffedern (Bildquelle: Schuler SMG GmbH&Co. KG) Die Systemart bezeichnet nicht den Aufbau der einzelnen Feder bzw. des Zylinders, sondern beschreibt das übergeordnete Gesamtsystem. Abb. E-46: Tankplatte (Bildquelle: EOC Normalien GmbH & Co. KG) 58

59 Der Vorteil eines Tanks liegt darin, dass der Kraftanstieg über dem Federweg den Erfordernissen entsprechend angepasst werden kann, je nach Auslegung %. Bei einer Tankplatte werden unten offene Stickstoffzylinder in eine Metallplatte eingeschraubt. Große Querbohrungen in der Platte verbinden die Federn mit der Kontrollarmatur und bilden ein Speichervolumen. mehreren, am Außenumfang angeordneten Distanzen (im Sinne fester mechanischer Anschläge) zwischen Blechhalter und Ziehmatrize ausgestattet sind (Abb. E-49). Die Distanzen zwischen Blechhalter und Ziehmatrize werden dabei höhenverstellbar ausgeführt, sodass hiermit während des Produktionsbetriebes eine Verstellmöglichkeit aufgrund schwankender Reibungsverhältnisse im Bereich der Blechhaltung, schwankende Festigkeitseigenschaften und Blechdicken der Platine geschaffen werden soll. Abb. E-47: Stickstoffzylinder, verbunden mit einem gemeinsamen Tank (Bildquelle: EOC Normalien GmbH & Co. KG) Derartige Systeme bestehen aus einem verbundenen Stickstofffedersystem, an das ein Flaschentank mit Kontrollarmatur angeschlossen wird. Der Flaschentank kann auch extern angebracht werden. Abb. E-48: Stickstoffzylinder, verbunden mit einem gemeinsamen Tank (Bildquelle: Allgaier Werke GmbH) Abb. E-48 zeigt beispielhaft ein Werkzeug, bei dem der Tank platzsparend unter dem Stempel platziert wurde. 4.4 Werkzeugdistanzen Verschiedene Presswerke bevorzugen heute ein Blechhaltungskonzept für Ziehwerkzeuge, das auf nur teilweise eintuschierten Blechhalterflächen beruht, die stets mit mindestens einer Ziehsicke und Abb. E-49: Werkzeugdistanzen (Bildquelle: Birkert et. al.) Bei diesem Konzept können die Distanzen am Außenumfang des Blechhalters bzw. der Ziehmatrize einen Spalt zwischen beiden Körpern erzeugen, der z.b. 10% bis 15 % über dem Nennmaß der Platinendicke liegt. Dies hat zur Folge, dass die lokal veränderliche Rückhaltung der Platine ausschließlich durch die Ziehsicken erzeugt wird und die Pressung zwischen Blechhalter und Matrize direkt am Ziehumriss noch geringfügig wirkt, da die Einleitung der Ziehkraft mittels Ziehpinolen und den außen angeordneten Distanzen zu einer elastischen Torsion des Blechhalterrahmens führen. Prinzipiell beruht das Blechhaltungskonzept mittels Distanzen und Ziehsicken auf der Modellvorstellung einer Blechrückhaltung, die mittels des distanzierten Abstands zwischen Blechhalter und Ziehmatrize im Bedarfsfall manuell verändert werden kann. Dieses Konzept impliziert somit starre (nicht elastische) Werkzeugkörper, die weggesteuert zueinander eingestellt werden können, und deren Wechselwirkung somit proportional zum eingestellten Distanzweg verändert werden kann. Die Folge dieses Konzeptes ist, dass die Ziehsicke einem besonders hohen Verschleiß unterliegt, da jegliche Erzeugung von Rückhaltekraft in der Blechhalterfläche ausbleibt. Die Berücksichtigung der Hintergründe des Tuschierens der Blechhaltung (siehe Kap. G-2) und der Erzeugung eines möglichst homogenen Druckbildes (Tragbildes) beruht hingegen auf der Modellvorstellung einer Blechhaltung, die ausschließlich kraftgesteuert funktioniert. Schwankenden Produktionsbedingungen (Betriebstemperatur des Ziehwerkzeuges, schwankende Reibungsverhältnisse zwischen Blechhalter und Platine, schwankende Festigkeitseigenschaften und Blechdicken der Platine usw.) kann hierbei lediglich mittels Veränderung der Blechhalterkraft (Ziehapparat, Blechhalterstößel) Rechnung getragen 59

60 werden. Dieses Konzept verspricht den minimalen Verschleiß im Bereich der Blechhaltung und damit die größten diesbezüglichen Instandhaltungsintervalle. 4.5 Trag- und Transportelemente Bei Plattensatzwerkzeugen können verschiedene Elemente konstruktiv vorgesehen werden: Tragschrauben Tragzapfen Traghaken Konstruktiv sollten für Ober- und Unterteil 4 Tragelemente vorgesehen sein, wobei 2 gegenüberliegende das volle Gewicht des Werkzeuges tragen müssen, was sehr wichtig ist beim Wenden des Werkzeuges. Bei Werkzeugen in Gussbauweise, insbesondere bei Großwerkzeugen, werden die Tragelemente direkt angegossen. Ältere Konzepte sehen noch Tragzapfen vor. Aus Sicherheitsgründen sollten jedoch die wesentlich sicheren Tragösen mit Fallringbolzen nach DIN 3335 verwendet werden. Bei diesen Lösungen sind ebenfalls 2 gegenüberliegende Elemente für das Gesamtgewicht auszulegen. Abb. E-51: Entlüften von Formhohlräumen beim Umformen sowie Verhinderung von Bereichen mit Unterdruck beim Ausheben des Teils aus dem Werkzeug (Bildquelle: Birkert et. al.) 4.7 Platineneinweiser Platineneinweiser und Einlegehilfen (Abb. E-52) unterstützen das lage- und wiederholgenaue Einlegen bzw. Hineinfallen der Platine in das Werkzeug und dienen der Absicherung der Platine gegen Verrutschen beim Schließen des Werkzeugs. In anderen Fällen lässt sich die Platine aufgrund ihrer Eigensteifigkeit erst gar nicht vollflächig auf den (stark unebenen) Blechhalter auflegen. Teilbereiche stehen also hoch und legen sich erst beim Schließen des Werkzeugs an den Blechhalter an. Abb. E-50: Transportelemente (Bildquelle: Fibro GmbH) 4.6 Entlüftung Insbesondere bei hohen Ziehgeschwindigkeiten spielt die Entlüftung von Tiefziehwerkzeugen eine große Rolle. Durch die Ausbildung von luftdicht abgeschlossenen Bereichen beispielsweise zwischen Stempelboden und Blechformteil treten während des Formgebungsprozesses oder beim Anheben des Bauteils im Werkzeug erhebliche Unter- oder Überdrücke auf, die zu plastischen Oberflächendeformationen im Bauteil führen können. Abb. E-52: Varianten von Platineneinweisern in Ziehwerkzeugen (Bildquelle: Birkert et. al.) 60

61 4.8 Werkzeugkühlung In den allermeisten Fällen ist keine Kühlung der Werkzeuge erforderlich. Ausnahmen sind die Umformung von hochfesten Blechwerkstoffen (Abb. E-53) oder die Umformung von Edelstählen, z.b. in der Spülenfertigung. Aufgrund der großen Ziehtiefe (lange Gleitwege) und der hohen Festigkeit der Blechwerkstoffe würde sich das Werkzeug ohne Kühlung derart stark erwärmen, dass die Viskosität des eingesetzten Schmiermittels stark abnimmt, und dadurch als auch durch die Erwärmung selber das Werkzeug schneller verschleißen würde. Die hier beschriebene Werkzeugkühlung darf nicht mit der Abschreckung des Bauteils beim Presshärten (Abschnitt O) gleichgesetzt werden. Gehärtete Stahleinsätze (mit CVD-Verschleißschutzschicht) Leitungen für Kühlung Abb. E-53: Gekühltes Werkzeug für die Umformung von hochfesten Stahlblechwerkstoffen (Bildquelle: BMW AG) 61

62 F Werkzeuganfertigung 1 Arbeitsvorbereitung Nach Abschluss der Werkzeugkonstruktion werden auf Basis von Stücklisten die erforderlichen Kaufteile beschafft. Auch wird die Beschaffung des Rohgusses angestoßen, wobei dieser bereits frühzeitig bestellt wurde (Kap. C-5.3). Insbesondere bei der Beschaffung des Gusses sind die teilweise langen Lieferzeiten zu beachten. Diese ergeben sich insbesondere aus den vergleichsweise langen Abkühl- und Prozesszeiten beim Anfertigen der schweren und großvolumigen Gussteile aus Grauguss und Stahlguss. Neben diesen Beschaffungsmaßnahmen werden bereits frühzeitig detaillierte Ablaufpläne für die auf das Gießen folgende mechanisch Bearbeitung der Werkzeuge durch Fräsen ausgearbeitet. Im Einzelnen werden Bearbeitungsmaschinen und die Reihenfolgen der Bearbeitung festgelegt. Diese Bearbeitung sowie die Anlieferung der einzelnen Teile werden terminiert. Darüber hinaus werden Bearbeitungszeiten vorgegeben und 2D-Zeichnungen oder CAD- Ansichten für die Anfertigung abgeleitet. 2 Modellbau Die einzelnen Gussteile des Werkzeuges werden im Sandgussverfahren hergestellt. Hierzu ist zunächst der Erstellung von Gießmodellen erforderlich. Diese werden aus Exporit (Polystyrol) angefertigt. Ungeeignet für das Vollformverfahren sind Polystyrole für die Isolier-, Bau- oder Verpackungstechnik (also Styropor), da ihnen Halogen-Additive aufgrund ihrer brandhemmenden Wirkung beigesetzt werden. Ausgegangen wird vom CAD-Modell des Werkzeugs als Basis. Dieses muss aus folgenden Gründen zunächst mit Gussaufmaßen versehen werden: Ausgleich Schrumpfung Wärmeverzug Bearbeitungszugaben Diese Gussaufmaße werden in Abhängigkeit des Gusswerkstoffes und der Werkzeugabmessung festgelegt (Abb. F-1). Grundfläche Werkzeuglänge [mm] < > Höhe > mm Gießlage oben > 20 Werkzeug- Wirkflächen, horizontal und vertikal, Formflächen Gießlage unten Vertikale Umrisse, Anschlag- und Führungsfläche in Umrissen In Gießlage über Höhe verteilt Abb. F-1: Gussaufmaße (Bildquelle: Römheld&Mölle) Teilweise (je nach Komplexität) wird das Exporitmodell in mehrere Schichten aufgeteilt. Für jede Schicht muss ein NC-Fräsprogramm abgeleitet werden. Die Modelle werden dann üblicherweise mit 3-Achsen Fräsmaschinen gefräst (Abb. F-2). Abb. F-2: Fräsen Exporitmodell (Bildquelle: Modell- und Formenbau Stehle OHG) Anschließend werden die gefrästen Modellschichten miteinander verklebt (Abb. F-3), wobei auf ein sauberes Abdichten der Modellfugen zu achten ist. So entsteht ein Abbild des CAD-Werkzeugmodells aus Exporit. Abb. F-3: Verkleben Exporitmodell (Bildquelle: Audi AG) Die Anzahl der Einzelsegmente sollte grundsätzlich so gering wie möglich gehalten werden, da hierdurch Klebefugen entstehen. Klebstoffe und Klebebänder erhöhen extrem die Gasentwicklung beim Abguss. Klebefugen sind mit vergasbarem, flexiblem und dünnem bzw. schmalem Klebeband abzukleben. Unterbleibt dies, so kann die Schlichte (siehe unten) in die Fugen eindringen und am Gussteil zu Defekten oder Ausschuss führen. Soll aus optischen Gründen auf Klebebänder verzichtet werden, müssen die Trennschichten sehr sauber bis zum Rand verklebt oder mit geeignetem Material verspachtelt werden, damit keine Schlichte eindringen kann. Anschließend müssen die Druckbolzen für eine evtl. vorhandene Zieheinrichtung modelliert werden. Da es sich bei Druckbolzen um lange, schlanke, 62

63 gemessen am Gussteil filigrane Bauteilansätze handelt, bestehen mehrere Gefahren: Bolzen können beim Aufformen des Oberkasten leicht verdrückt oder abgebrochen werden Bolzen kühlen nach dem Gießen sehr schnell ab und können dadurch hart und spröde werden Daher sollten die in Abb. F-4 gezeigten Dimensionierungsgrenzen eingehalten werden: feuerfeste silikatische Deckschicht (Suspension von Al-Silikaten in Wasser). Abb. F-4: Druckbolzen für Ziehkissen (Bildquelle: Römheld&Mölle) Zur Ermittlung der später beim Gießen erforderlichen Menge an Gusswerkstoff wird das Exporitmodell gewogen (Abb. F-5). Dies ist sehr wichtig, da während des Gießvorgangs eine ausreichende Menge an flüssigem Gusswerkstoff bereitstehen muss. Abb. F-6: Schlichten des Exporitmodells (Bildquelle: Römheld&Mölle) Durch Vergasen des Polystyrols, der Klebstoffe und Klebebänder entsteht eine große Menge an Gasen und dadurch ein hoher Gasdruck. Falls keine Schlichte vorhanden wäre, würde dieser Gasdruck zu einer Zerstörung des Formsandes (Abb. F-7, siehe auch Kap. 2) führen. Die Abfuhr der Zersetzungsprodukte muss durch die Schlichte und den Formstoff erfolgen. Abb. F-7: Gießvorgang (Bildquelle: Römheld&Mölle) Im Anschluss an das Auftragen der Schlichte erfolgt das Trocknen der Modelle bei ca. 50 C (Abb. F-8). Abb. F-5: Wiegen des Exporitmodells (Bildquelle: Römheld&Mölle 16 ) Das Modell wird anschließend mit einem Trennmittel, der sogenannten Schlichte überzogen Abb. F-6). Hierbei handelt es sich um eine 16 Bilder Römheld&Mölle entnommen aus Althausse, C.: Gießgerechte Gestaltung und Werkstoffauswahl gegossener Werkzeuge aus Eisengusswerkstoffen. Technische Akademie Esslingen, Lehrgang Wirtschaftlichkeit durch Einsatz leistungsstarker Werkzeuge, Abb. F-8: Trocknen der Modelle bei ca. 50 C (Bildquelle: Römheld&Mölle) 63

64 3 Werkzeugguss Das ausgehärtete Exporitmodell mit Schlichte wird daran anschließend in einem Formkasten eingesandet (Abb. F-9). Vorab werden Speiser unter Berücksichtigung der gießtechnischen Anforderungen eingebracht. Der Formsand härtet nach ca. 5 Stunden aus. /Druckprüfungen an entnommenen Probekörpern ermittelt und dokumentiert. Abb. F-11: Entleeren der Form, Stahlkorn-Strahlen, Schleifputzen des Gussteils (Bildquelle: Römheld&Mölle) Abb. F-9: Füllen des unteren Formkastens mit kunstharzgebundenem Quarzsand (Bildquelle: Römheld&Mölle) Nach Fertigstellung wird der Formkasten mit ca Grad heißem Guss befüllt (Abb. F-10). Das Exporitmodell verbrennt. Im verbleibenden Hohlraum füllt sich das Metall und kann darin erstarren. Abb. F-12: Härteprüfung nach Brinell (Bildquelle: Römheld&Mölle) 4 Fräsbearbeitung 4.1 Grundbearbeitung Nach der Herstellung der Gussteile beginnt die mechanische, d.h. zerspanende Weiterbearbeitung der einzelnen Werkzeugteile. Diese zerspanende Bearbeitung erfolgt in mehreren Schritten. Abb. F-10: Abguss der Form mit vergasendem Exporitmodell (Bildquelle: Römheld&Mölle) Das Abkühlen des heißen Gusses sollte nicht zu schnell erfolgen. Üblicherweise wird mit ca. 1 Tag Abkühlzeit pro Tonne Guss kalkuliert. Direkt nach dem Vergießen ist der Guss noch sehr spröde. Daher folgen zur Einstellung der gewünschten mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit) noch ein bis zwei Wärmebehandlungen. Nach dem Entleeren der Form folgen erste Gussteilnachbehandlungen wie Strahlen und Schleifputzen (Abb. F-11). Die Qualität des Gussteils wird durch Härtemessungen (Abb. F-12) und Zug Programmierung Bei der Grundbearbeitung (auch 2,5D-Bearbeitung genannt) werden eben Flächen, Bohrungen, Gewinde, Passungen, Nuten usw. eingebracht. Dies erfolgt auf numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschinen anhand von NC-Programmen zur Vorgabe des Bewegungsablaufes. Die Programmierung erfolgt in einem CAM-System (Computer Aided Manufacturing). Die Vorgehensweise hierbei zeigt Abb. F-13. Heutige CAM-Systeme verfügen über die Möglichkeit der sogenannten Feature-Konstruktion. Nach dem Einlesen der CAD-Daten werden diese analysiert und Elemente für die 2,5D-Bearbeitung automatisch erkannt. Aus einer Bibliothek mit standardisierten Bearbeitungssequenzen werden die NC-Daten dann fertig gestellt, bzw. falls nicht in der Bibliothek vorhanden, manuell eingegeben. 64

65 Konstruktion Rohteildefinition Datenübernahme Arbeitsvorbereitung Werkzeugkonstruktion Datenaufbereitung steifer und robuster ausgeführt, um auch hohe Zerspankräfte umsetzen zu können. Startmodelle auswählen Daten einlesen Daten sichten Features korrigieren Features ergänzen Hilfsflächen einbringen Rohteil einspielen Rohteil prüfen Rohteil bearbeiten Lageabgleich zur Sollgeometrie Arbeitsvorbereitung Werkstatt NC-Programmierung NC- Simulation Maschinelle Fertigung Aufspannlage Maschinen auswählen Aufspannungen festlegen Spannmittel setzen Machbarkeit analysieren Ablauffolge festlegen Maschine festlegen Aufspannung abgleichen Spannmittel abstimmen Machbarkeit prüfen Bearbeitung anpassen Ablauf optimieren Werkzeugliste NC- Programm Abb. F-15: Portalfräsmaschine Abb. F-13: Ableiten der NC-Daten aus der Werkzeuggeometrie (Bildquelle: Tebis Technische Informationssysteme AG) Das CAM-System leitet aus den CAD-Daten der Werkzeugkonstruktion Bewegungsbefehle für die mechanische Bearbeitung auf NC-Maschinen ab. Diese Programme werden ebenfalls im CAM- System vorab einer Kollisionskontrolle unterzogen (Abb. F-14). Hierbei kann für jede der vorgesehenen Bearbeitungsmaschinen individuell geprüft werden, ob die Zugänglichkeit am Werkstück durch die Bearbeitungswerkzeuge kollisionsfrei möglich ist. Abb. F-16: Gefrästes Werkzeug (Bildquelle: MPO Holding) Abb. F-14: Kollisionskontrolle (Bildquelle: Tebis Technische Informationssysteme AG) Eingesetzte Fräsmaschinen Die Grundbearbeitung erfolgt auf sogenannten Portalfräsmaschinen (Abb. F-15). Diese verfügen über einen fahrbaren Tisch, der das Gewicht des zu bearbeitenden Werkzeuges beschleunigen muss. Portalfräsmaschinen sind daher deutlich träger, aber Vorgehensweise 17 Die Grundbearbeitung der Bauteile erfolgt in drei Aufspannungen. In der ersten Aufspannung werden die Auflageflächen bearbeitet, das heißt auf der Form- oder Oberseite des Gusskörpers werden sogenannte Basen gefräst. In der zweiten 17 Kap teilweise übernommen aus: Handbuch der Fertigungstechnik, Band 2 (Umformen), Kap. 10 (Werkzeuge), Autor Dr.-Ing. Matthias Kerschner, Audi AG 65

66 Aufspannung wird das Bauteil gewendet und auf diesen Basen aufgespannt, so dass die Sohlenbearbeitung und die seitliche Bearbeitung inkl. der Messstifte zur Nullpunktaufnahme stattfinden können. Nach der Sohlenbearbeitung wird die Formseite des Rohgusses mit optischen (Abb. F-17) oder taktilen Messverfahren digitalisiert. Abb. F-19: Frässtrategie Z-konstant (Bildquelle: Audi AG) Das heißt, im Formbereich wird bei der höchsten Stelle des Bauteils begonnen und in bauteilspezifischen Zustellschritten die Z-Höhe am Bauteil entsprechend nach unten bearbeitet. Formflächen werden dabei mit einem Aufmaß von 1 mm geschruppt. Zur Berechnung der Verfahrwege werden ebenfalls CAM-Programme eingesetzt (Abb. F-20). Abb. F-17: Digitalisierung Rohteilguss (Bildquelle: Tebis Technische Informationssysteme AG) So können die tatsächlichen Gussaufmaße ermittelt werden (Abb. F-18). Sind die tatsächlichen Gussaufmaße bekannt, kann bei der folgenden mechanischen Bearbeitung der Schruppvorgang stark optimiert werden. Es werden Leerwege des Fräsers vermieden und Kollisionen des Fräsers mit dem Gusswerkzeug verhindert. Abb. F-20: Berechnung der Verfahrwege für die Schruppbearbeitung (Bildquelle: (Bildquelle: Tebis Technische Informationssysteme AG) Abb. F-18: Optisch erfasste tatsächliche Gussaufmaße (Bildquelle: GOM mbh) Schruppbearbeitung Anschließend erfolgt, aufbauend auf den gescannten Daten, die dritte Aufspannung, die Bearbeitung der Formseite. Hier wird der Guss durch Schruppen mit der Strategie Z-Konstant bearbeitet (Abb. F-19). Abb. F-21: Schruppbearbeitung Werkzeug Türinnenblech (Bildquelle: Nach Abschluss der Grundbearbeitung werden die einzelnen Teile zu Werkzeughälften montiert (siehe Kap. F-5) und zur Fertigbearbeitung der Oberflächen (Formbearbeitung) vorbereitet. 66

67 4.2 Formbearbeitung Eingesetzte Fräsmaschinen Nach dem Aufbau der Ober- und Unterteile des Werkzeugs im sogenannten Aufbaufeld erfolgt die letzte Bearbeitungsstufe, die Finishbearbeitung der Oberfläche und der Umrisse. Diese wird auf HSC Fräsmaschinen (High-Speed-Cutting) durchgeführt (Abb. F-22) Vorgehensweise Die in der Methodenplanung entwickelten Wirkflächen der Werkzeuge bilden die Basis für die Programmerstellung der Finishbearbeitung. Aus diesen Wirkflächen werden ebenfalls mittels CAM Programmiersystem die CNC-Programme abgeleitet (Abb. F-24). Hierzu werden diverse Frässtrategien verfolgt (Kap. F-4.2.3). Abb. F-22: Formschlichtfräsen Ziehmatrize auf 3-Achs Bearbeitungszentrum (Bildquelle: Tianjin Motor Dies Europe GmbH ) Während bei der Grundbearbeitung wie beschrieben Portalfräsmaschinen eingesetzt werden, erfolgt das Schlichten auf speziellen Bearbeitungszentren. Der Grund für die unterschiedlichen Maschinentypen liegt in der Dynamik der Maschine. Einrichtungen mit oben liegendem Antrieb (Abb. F-23) haben aufgrund der leichteren Komponenten eine sehr hohe Maschinendynamik. Nachteil ist die geringere Steifigkeit und Dämpfung, weshalb derartige Antriebe für die Schlichtbearbeitung prädestiniert sind. Abb. F-24: Berechnung der Verfahrwege für die Schlichtbearbeitung (Bildquelle: (Bildquelle: Tebis Technische Informationssysteme AG) Das zusammengebaute Unter- bzw. Oberteil ist mit einem Aufmaß von ca. 1 mm versehen. Dieses wird in zwei Bearbeitungsschritten abgetragen: Im ersten Schritt wird das Aufmaß bis auf 0,25 mm abgetragen. Die Bearbeitung erfolgt hier mittels Torusfräsern. Zuvor werden das Restmaterial in den Ecken und Kanten, sowie die Konturen auf 0,25 mm vorgeschlichtet. Im letzten Bearbeitungsschritt wird mittels eines bauteilspezifischen Zeilenabstandes (in der Regel 0,4 mm) das Bauteil abgezeilt (Abb. F- 25). Abb. F-23: Bearbeitungszentrum (Bildquelle: Audi AG) Abb. F-25: HSC-Fräsen eines Dachwerkzeugs (Bildquelle: Daimler AG) Nach dieser HSC-Bearbeitung der Oberfläche werden die Werkzeuge wiederum auf eine Portalfräsmaschine aufgespannt. Dort werden Umrisse, Säulenführungen und Zentrierungen bearbeitet. 67

68 4.2.3 Bearbeitungsstrategien Für leicht gekrümmte Oberflächen (z.b. bei Werkzeugen für Dächer oder Motorhauben) wird das 5-Achsen Simultan-Fräsen (Abb. F-26) eingesetzt. Abb. F-28: 5-Achs Simultan-Fräsen (Bildquelle: Tianjin Motor Dies Europe GmbH ) Abb. F-26: Achsenaufteilung beim 5-Achs Simultan- Fräsen Beim 5-Achsen-Fräsen kann die Maschine den Fräser unter jedem Winkel am Werkstück positionieren und verfahren. Es werden ebenfalls Torus-Fräser eingesetzt. Der Vorteil hierbei ist, dass der Fräser immer senkrecht zur Oberfläche steht (Abb. F-27), dadurch ein höherer Abtrag und höhere Zeilenbreiten entstehen und dadurch größere Zeilenabstände gefahren werden können. Dies hat zur Folge, dass sich die Fräszeiten drastisch reduzieren. Der Nachteil dieses Verfahrens ist der höhere Aufwand in der Programmierung sowie der hohe Aufwand zur exakten Abstimmung der Maschinenparameter. 5 Werkzeugmontage Ablauf Zwischen Schrupp- und Schlichtvorgang der zerspanenden Bearbeitung der Werkzeuggrundkörper folgt die Werkzeugmontage. Dort werden die Normteile wie Gleitplatten, Lochstempel und Buchsen, Schieber, Platineneinweiser etc. (vgl. Kap. E-3) an die Grundkörper montiert (Abb. F-29). Hierfür müssen diese maßlich eingerichtet, Fügeflächen tuschiert und Führungsspiel eingestellt werden (Beispiel Passungen). Abb. F-29: Montage von Gleitplatten Abb. F-27: 5-Achs Simultan-Fräsen (Bildquelle: Tebis Technische Informationssysteme AG) 18 Kap. 5.1 und 5.2 teilweise übernommen aus: Handbuch der Fertigungstechnik, Band 2 (Umformen), Kap. 10 (Werkzeuge), Autor Dr.-Ing. Matthias Kerschner, Audi AG 68

69 Als Hilfsmittel stehen dem Werkzeugmacher hierbei Schwenkplatten (Abb. F-30) zur Verfügung, um die Montage von großen Schieberelementen zu vereinfachen. Zwischen der Montage der Werkzeugelemente und der sonstigen Anbauteile erfolgt das Schlichten der Werkzeugwirkfläche. Dies geschieht im zusammengebauten Zustand, um Toleranzketten zu verringern. Im Anschluss an die mechanische Bearbeitung werden die Fräsrillen beseitigt und die Oberfläche geglättet. Dies geschieht durch automatisches Polieren (Abb. F-31) oder manuelles Abziehen der Oberfläche mittels Schleifstein. Eine Änderung der Wirkflächengeometrie erfolgt in diesem Schritt nicht. Abbildung F-30: Montage eines Schiebers auf einer Schwenkplatte (Bildquelle: Audi AG) Fügeflächen werden tuschiert, damit Setzeffekte während des Betriebes verringert werden und Spiel zwischen den einzelnen Werkzeugelementen vermieden wird. Es folgen weitere Montageschritte wie das Aufsetzen und Verstiften von Schneidsegmenten und Trennmessern, Einbringen von Federelementen (Gasdruckfedern, Endlagendämpfung von Schiebern) oder Montieren von verschleißfesteren Werkzeugeinsätzen. Bei den Schneidmessern wird die Einhaltung des Schneidspaltes also dem Spalt zwischen Oberund Untermesser, der Eintauchtiefe und der Schnittabstufung eingestellt und geprüft. In nicht formgebenden Bereichen von Ziehwerkzeugen werden Luftlöcher (siehe auch Kap. E-5.5) eingebracht, damit während des Ziehens die Luft entweichen kann und kein Überdruck im Werkzeug entsteht. Ein eingeschlossenes Luftkissen erschwert ein vollständiges Ausformen und führt am Bauteil zu Markierungen auf der Oberfläche. 5.2 Zusammenbau Am Ende des Montagevorgangs steht das Zusammensetzen von Ober- und Unterteil mittels Kran sowie der Ersteinbau in eine Einarbeitspresse oder ein Tuschiergestell. Damit verbunden ist ein Funktionshub, bei dem die Freigängigkeit und kinematische Funktion aller Werkzeugbestandteile geprüft wird. Dabei müssen auch die Endlagen von Schiebern geprüft und abgestimmt werden. Die Größe von Zwischenräumen, beispielsweise von Lauf- und Klemmsicken werden nach Bedarf mit Bleidraht ausgemessen. 5.3 Kosten Die in der Prozesskette Werkzeugbau bisher entstandenen Kosten teilen sich durchschnittlich wie folgt auf: Bank- und Nacharbeit 20% mechanische Bearbeitung 30% Konstruktion und Engineering 30% Modellbau und Gießerei NC-Programmierung 14% 6% Abb. F-32: Kostenanteile Werkzeugbau (ohne Tryout) In der Phase der Werkzeuganfertigung entstehen mehr als 50% der Werkzeugkosten. 30% der Werkzeugkosten müssen für die mechanische Bearbeitung aufgewendet werden. Die sogenannte Bankarbeit (Glätten der Oberfläche, Einpassen der Werkzeuge, Montage der Werkzeugteile) kann bis zu 20% der Gesamtkosten betragen. Darüber hinaus entstehen zusätzliche Kosten für die Einarbeitung bzw. das Tryout (Kap. G-3). Diese Kosten können bis zu 10% der Kosten der Prozesskette Werkzeugbau ausmachen. Abb. F-31: Automatisches Polieren (Bildquelle: Audi AG) 69

70 G Werkzeugausprobe 1 Qualitätsprozess Nachdem die Grundfunktionen des Werkzeuges im Rahmen der Montage sichergestellt wurden, werden im nächsten Schritt Blechformteile abgepresst, um deren Qualitätsanforderungen zu erfüllen. Für die Qualität von Blechformteilen sind aus Sicht der Serienfertigung unterschiedliche Kriterien von Bedeutung: Versagensfrei (Reißer, unzulässige Blechdickenreduktion, Falten 1. oder 2. Art) Maßhaltigkeit des Bauteils Formänderungsverteilung in der Bauteilfläche Oberflächenqualität (bei Sichtteilen, die beschichtet oder lackiert werden) Qualität der Bauteilkanten (Beschnitt, Radien, Winkel) Maßliche Kriterien wie Funktionsmaße von späteren Fügestellen, Flanschlängen, Anschlussmaße, Fugenverläufe und allgemeine Abweichungen von der Sollgeometrie. Abweichungen werden hauptsächlich durch Rückfederungseffekte verursacht. Aber auch unzureichende Werkzeugfunktion wie z.b. nicht korrekt abgestimmte Schieberwege oder unzureichende Blechhalterfunktionen haben maßliche Abweichungen zur Folge. Bei Außenhautteilen wird weiterhin die Oberflächenqualität als Kriterium herangezogen. Die Formänderungsverteilung im gezogenen Blechformteil beeinflusst die Kaltverfestigung und damit die Festigkeit des gesamten Bauteils. 2 Tryout-Pressen In den letzten Jahren wurden in den Presswerken der Automobilindustrie zahlreiche konventionelle Pressenstraßen durch Transferpressen und Großteilstufenpressen ersetzt. Derartige Pressen verkörpern ein Investment von bis zu 50 Mio. Euro pro Presse. Im Interesse einer möglichst wirtschaftlichen Nutzung derart teurer Anlagen sollte man hiermit nicht Neuwerkzeuge sowie überholte oder geänderte Werkzeuge über zum Teil mehrere Tage hinweg eintuschieren und ausprobieren. Es macht Sinn, diese Arbeitsvorgänge in speziellen Tryout-Pressen durchzuführen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass sich durch diese Maßnahme die Zeiten für Tuschieren und Ausprobieren in der Produktionsanlage um bis zu 80 % reduzieren lassen. Um neu angefertigte, überholte oder geänderte Umformwerkzeuge in der Tryout-Presse so eintuschieren und ausprobieren zu können, dass anschließend mit ihnen in der für sie vorgesehenen Produktionspresse vom ersten Hub an Gutteile gefertigt werden können, müssen die Umformwerkzeuge beim Ausprobieren genauso belastet und geführt werden, wie in der für sie vorgesehenen Produktionspresse. Diese Forderung setzt voraus: Die Tryout-Presse sollte möglichst weitgehend dasselbe Verhalten hinsichtlich Kippung, Horizontal- und Vertikalversatz sowie Durchbiegung des Pressenstößels und des Pressentisches aufweisen wie die Produktionspresse. Die Zieheinrichtung im Pressentisch in der Tryout-Presse sollte genauso ausgeführt sein wie die der Produktionspresse. Diese Forderung ist dahingehend zu präzisieren, dass die Punkte des Ziehwerkzeugblechhalters, in den die einzelnen Blechhalterkräfte eingeleitet werden, sowohl in der Tryout-Presse als auch in der Produktionspresse dieselben sind und dass sichergestellt sowie messtechnisch überprüft und dokumentiert wird, dass die in die einzelnen Krafteinleitungspunkte des Blechhalters eingeleiteten Blechhalterkräfte reproduzierbar einstellbar sind. Die Stößelgeschwindigkeit über dem Stößelweg sollte während des Umformens bei der Tryout- Presse gleichermaßen verlaufen wie bei der Produktionspresse (Abb. G-1). Abb. G-1: Nachbildung der Kinematik einer mechanischen Presse (Bildquelle: Dieffenbacher GmbH & Co. KG) Nun wird es äußerst schwierig und im Falle einer Realisierung sehr kostspielig sein, die genannten Voraussetzungen zu erfüllen. Ebenso ist zu beachten, dass auch bei neuen Großteilstufenpressen nur wenige Zieheinrichtungen im Pressentisch einen reproduzierbaren Blechhalterkraft-Umformweg-Verlauf aufweisen. Sehr gut reproduzierbar ist jedoch bei neueren Tryout-Pressen die Nachbildung des Verlaufs der Stößelgeschwindigkeit über den Stößelweg während des Umformens, wobei hier aus umformtechnischer Sicht ganz besonders die Geschwindigkeit von Bedeutung ist, mit der das am Stößel befestigte Werkzeugoberteil mit dem oberen Ziehrahmen auf 70

71 die auf dem unteren Ziehrahmen liegende Blechplatine auftrifft. Abb. G-2: Werkzeugeinarbeit in Tryout-Presse (Bildquelle: Schuler AG) Abb. G-2 zeigt eine Tryout-Presse mit einem in der Einarbeit befindlichen Werkzeugunterteil. Fahrtische ermöglichen zur Arbeitserleichterung das Bearbeiten der Werkzeuge auch außerhalb der Presse. Setz- bzw. Einebnungsverhalten von Funktionsflächen unter Druckbelastung auswirken. Mit dem Begriff Tuschieren meint der Praktiker das manuelle Erzeugen einer beabsichtigten Druckverteilung in der Kontaktfläche zwischen zwei elastisch verformbaren Werkstücken aus Metall. Dabei kann eine lokal hohe Flächenpressung nur durch vorsichtiges, manuelles Schleifen und den dadurch beabsichtigten Materialabtrag reduziert werden. Ein größerer Spalt zwischen Matrize und Blechhalter führt zu kleineren Flächenpressungen, dadurch zu einer Reduzierung der Reibungskraft und letztlich zu einer Begünstigung des Materialflusses. Ein kleinerer Spalt dagegen bewirkt eine Behinderung des Materialflusses (Abb. G-4). Flächen mit hoher Reibungszahl Flächen mit niedriger Reibungszahl Stempeldurchgangskurve Blechhalter Abb. G-3: Einarbeitungs- und Tryout-Zentrum (Bildquelle: Audi AG) 3 Tuschieren 3.1 Ursachen und Gründe Wie bereits dargelegt, werden alle Funktionsflächen von Umformwerkzeugen grundsätzlich spanend bearbeitet und weisen somit (temperaturkompensiert) die mit der CNC- Bearbeitungsmaschine erreichbaren Form- und Maßgenauigkeiten auf. Die Makro-Geometrie eines Werkstücks (z.b. Ziehstempel, Blechhalter oder Ziehmatrize) wird somit durch die technologischen Eigenschaften der spanenden Bearbeitung und zusätzlich durch die Werkstücktemperatur während dieser Bearbeitung bestimmt. Die Mikro-Geometrie der Werkstücke wird durch die technologischen Parameter des Fräsens wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Zeilenabstand, Frässtrategie, Geometrie der Werkzeugschneiden uvm. geprägt. Es wird daher offensichtlich, dass sich die Bearbeitungsparameter der Zerspanung unterschiedlich auf das Abb. G-4: Örtliche Beeinflussung des Materialflusses durch Tuschieren (Bildquelle: Daimler AG) Die Notwendigkeit für das Tuschieren leitet sich somit aus den nicht vorhersagbaren, elastischen Druckverformungen der Werkzeugkörper Ziehstempel, Blechhalter und Ziehmatrize in der Wirkkette der Presskraft an den örtlich unterschiedlichen Orten des Ziehwerkzeuges ab. Die durch Tuschieren erzeugte Druckverteilung ist folglich abhängig von der absoluten Presskraft, der Temperatur der Werkzeugkörper sowie der elastischen Druckeigenschaften der Umformmaschine (Durchbiegen der Aufspannflächen des Ziehstößels und des Pressen- oder Fahrtisches, elastische Verformungen im Ziehapparat). Der Gebrauch eines Ziehwerkzeuges (Setzverhalten des Werkstoffes der Werkzeugkörper) und der sich unter Umständen einstellende Verschleiß im Bereich der Blechhaltung mit hoher Relativbewegung zwischen Platine und Blechhalterflächen verändern ebenfalls mit der Zeit bzw. während der Serienfertigung eine initial erzeugte Druckverteilung bzw. das Tuschierbild zum Zeitpunkt der Werkzeugabnahme. 3.2 Erstellen von Tuschierbildern und Interpretation derselben Der hohe Kostendruck im Blechumform- Werkzeugbau führt heute oftmals zu reduzierten Zeitvorgaben für die Werkzeugeinarbeit, was zu mangelhaften bzw. nur oberflächlich erzeugten 71

72 Tuschierbildern im Bereich der Bauteilform zwischen Ziehstempel und Ziehmatrize und auch im Bereich der Blechhaltung führt. Tuschierbilder werden mit spezieller, nicht trocknender Farbe erzeugt, wobei stets die Platine bzw. das Bauteil eingestrichen und mit einem dünnen, möglichst gleich dicken Farbfilm manuell überzogen wird (Abb. G-5). Abb. G-5: Mit Tuschierfarbe eingestrichenes Blechformteil (Bildquelle: Tianjin Motor Dies Europe GmbH ) Nach dem Einlegen der Platine oder des Blechformteils wird das Zieh- oder Formwerkzeug mit den vorgesehenen Solldruckkräften zusammengefahren, so dass sich aus den elastischen Verformungen von Maschine und Werkzeug sowie der Mikro- bzw. Makrogeometrie der zerspanend hergestellten Werkzeugelemente ein Kräftegleichgewicht einstellt, das eine bestimmte Druckverteilung auf dem Werkstück sichtbar werden lässt und die Tuschierfarbe bereichsweise zur Seite drückt. In diesem Fall dient das mit Farbe benetzte Werkstück als Abbild der Druckverteilung unter Last und zeigt die Kontaktflächen in der Wirkfuge deutlich sichtbar auf (Abb. G-6). Abb. G-6: Auswertung und Begutachtung Tragverhalten (Bildquelle: Audi AG) Schlecht eintuschierte Blechumformwerkzeuge führen zum einen zu Qualitätsmängeln des Bauteils sowie zu Oberflächendefekten und zum anderen zu mangelnder Prozesssicherheit während der Gebrauchsphase des Werkzeugs. Abweichungen in Bezug auf Form und Maß sind auf schlecht ausgeformte Radienbereiche und nicht gleichmäßige Kontaktverhältnisse zwischen Ziehstempel und Ziehmatrize zurückzuführen. Oberflächenunebenheiten werden durch den gleichen Effekt in wenig gekrümmten Zonen des Bauteils verursacht und werden oftmals erst nach dem Lackieren des Werkstücks sichtbar. Das Tuschieren der Kontaktflächen zwischen Ziehstempel und Ziehmatrize ist insbesondere bei Außenhautteilen von PKW von Bedeutung, da hierbei besondere Anforderungen an die Ebenheit und Stetigkeit von Krümmungsübergängen in der Bauteilkontur gestellt werden. Diese handwerkliche Arbeit ist insbesondere bei dieser Gruppe von Werkstücken von Bedeutung, da sich während des Tiefziehvorgangs die Blechdicke ändert (diese kann in bestimmten Bauteilbereichen dünner und auch dicker werden) und sich dadurch die Kontaktverhältnisse unter Last ändern. Üblicherweise wird heute der Ziehstempel stets nach den Bauteilkoordinaten gefräst und lediglich die Ziehmatrize den sich einstellenden Druckverhältnissen durch Tuschieren angepasst. Bei der Einarbeit von Folgewerkzeugen (Schneiden, Nachformen, Schieberoperationen) geht man analog vor und belässt stets die Innenseite des Bauteils mit den Bauteilkoordinaten. Gleichmäßige, möglichst flächige Druckverhältnisse im gesamten Bereich der Blechhaltung sind wichtig für eine hohe Reproduzierbarkeit des Tiefziehvorgangs. Das Tuschieren empfiehlt sich auch im Falle der Rückhaltung der Platine mittels Ziehsicken, da vor und hinter der Ziehsicke spezifische niedrige und gleichverteilte Druckverhältnisse zu möglichst geringem Verschleiß in der Blechhalter- und Matrizenfläche führen. Ein ausgearbeitetes und gleichmäßiges Tragbild im Bereich des Ziehflansches führt hierbei zu stets gleichbleibenden Einlaufwegen der Platinenkante und sich einstellender Formänderungsverteilung in der Bauteilfläche. Zusammenfassend müssen die notwendigen Tuschierarbeiten an einem Ziehwerkzeug daher in folgende Schritte unterteilt werden: Erstellen eines gleichmäßigen Tragbildes im Bereich der Blechhaltung derart, dass ein Ziehteil (wenn auch sehr fehlerhaft) annähernd vollständig ausgeformt werden kann. Erstellen eines gleichmäßigen Tragbildes im Bereich der eigentlichen Bauteilform, das den sich verändernden lokalen Blechdicken des Werkstücks Rechnung trägt. Alle Radien der Ziehanlage sind vollständig ausgeformt. Erneutes Überarbeiten des Tragbildes im Bereich der Blechhaltung in Bezug auf die kleinstmöglichen Abmessungen der Platine und der Eliminierung von Dünnzug, Reißern und Bauteilwelligkeiten. 72

73 3.3 Dokumentation des Druckbildes am Ende der Tryout-Phase Zum Zeitpunkt der Übergabe des Betriebsmittels an den Produktionsbetrieb wird im Falle anspruchsvoller Ziehteilgeometrien üblicherweise ein endgültiges Tuschierbild erfasst und dokumentiert. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund des zu erwartenden, nicht vermeidbaren Verschleißes von Werkzeugzonen wichtig, die zum einen für die Erzeugung einer hinreichenden Rückhaltung der Platine relevant sind und zum anderen relativ große Relativbewegungen zwischen Platine und Werkzeugkomponenten aufweisen. Zu diesem Zweck kann zum einen ein fertiges Ziehteil mit Farbe benetzt werden und das final eingearbeitete Tuschierbild durch ein Zusammenfahren des Werkzeugs erzeugt werden. In diesem Falle bildet das Bauteil die Dokumentation des Tuschierbildes am Ende der Tryout-Phase. Zum anderen kann der lokale Einlauf der Platinenkante als Beurteilungskriterium für das erzeugte Druckbild verwendet werden. Auch in diesem Falle bildet das eingefärbte Bauteil die Dokumentation des Tuschierbildes. Fernerhin besteht die Möglichkeit, die Reaktion eines im Bereich der Blechhaltung erzeugten Druckbildes als Beurteilungskriterium in Form einer dadurch erzeugten Formänderungsverteilung im Ziehteil digital zu messen und zu dokumentieren. Dazu muss die Platine auf ihrer Außenseite vor dem Tiefziehen mit einem speziellen Messraster versehen werden, das während des Tiefziehens verformt wird. Dieses Raster kann dann nach dem Umformvorgang mittels optischer Kameras vermessen und dokumentiert werden. Die gleiche Vorgehensweise kann unter Umständen auch bei der Analyse beziehungsweise Dokumentationen von Werkstücken aus den Folgeoperationen ebenfalls eingesetzt werden. 4 Maßhaltigkeit 4.1 Messverfahren Die Maßhaltigkeit von Blechformteilen ist insbesondere im Hinblick auf den späteren Einbau des Blechformteiles in eine Baugruppe von fertigungstechnischer Relevanz. Bestimmte Anschlussmaße müssen hierbei unbedingt erreicht werden und sind in der Bauteilzeichnung entsprechend spezifiziert. Zur Vermessung der Bauteile werden üblicherweise zwei verschiedene Messverfahren eingesetzt: Taktile Messverfahren auf CNC-gesteuerten Koordinatenmessmaschinen mit Messtastern (Abb. G-7). Optische Verfahren, wie der Streifenlichtprojektion und anschließender Phasenauswertung, zur großflächigen Erfassung der Bauteilgeometrie (Abb. G-8). Abb. G-7: Taktile Bauteilvermessung (Bildquelle: Audi AG) Die Objekterfassung gliedert sich bei der optischen Vermessung in die photogrammetrische Bestimmung von Passpunkten und das anschließende Scannen. Der Sensor wird mit einem Messabstand von 0,75 m bis 2,70 m auf einem Stativ frei positioniert. Zur Vermessung werden Streifenmuster auf die Oberfläche projiziert und mit Hilfe von 2 Kameras erfasst. Große Objekte werden in einzelne Abschnitte gegliedert und in einem zuvor definierten und kalibrierten Messvolumen gescannt. Pro Scan-Aufnahme werden bis zu 4 Millionen Messpunkte in ca. 8 Sekunden registriert. Abb. G-8: Optische Erfassung Bauteilgeometrie per Streifenprojektion (Bildquelle: Audi AG) Gegenüber dem taktilen Messverfahren hat das optische Verfahren die Vorteile, dass eine hohe Anzahl an Messpunkten erfasst werden kann, dass der Messvorgang sehr schnell erfolgt und dass durch den Entfall der NC-Programmerstellung eine einfachere Bedienung möglich ist. Die höhere Punktedichte bei den optischen Verfahren führt zu einer leichteren Analyse und einer besseren Vergleichbarkeit der Messdaten (Ist-Daten) mit den CAD-Daten (Soll-Daten). Vor allem bei der Rückfederungskompensation ist dies von Vorteil. 4.2 Einzelteilanalyse Zur maßlichen Optimierung der Blechformteile müssen die gewonnenen Messergebnisse analysiert und daraus erforderliche Maßnahmen für Werkzeugkorrekturen abgeleitet werden. Diese 73

74 Maßnahmen sind beispielsweise die Korrektur von Lochlagen oder das Anpassen von Schieberanschlägen. Im Rohformat sind die optisch wie beschrieben erfassten Daten Punktwolken, die durch Dreiecksvernetzung zu STL- und CAD - Datensätzen formatiert werden. Diese Datensätze können so für eine Flächenrückführung ( Reverse Engineering ) genutzt werden. Durch Verschneidung mit einem vorhandenen CAD-Modell werden Soll/Ist- Vergleiche berechnet und farblich kodiert dargestellt (Abb. G-9). Der Meisterbock ist ein etabliertes Prüfwerkzeug im Automobilbau, um die Passgenauigkeit von Einzelkomponenten in Bauteilgruppen zu kontrollieren. Durch die Fixierung auf speziellen Rahmen entspricht die Lage exakt der im späteren Fahrzeug. Hier werden Spaltmaße geprüft oder auch Geräusche konstruiert (Drehregler, Schubladen und Klappen). Wenn in dieser Entwicklungsphase etwas nicht stimmt, können noch Modifikationen durchgeführt werden, welche unter Umständen auch die Umformwerkzeuge betreffen. Abb. G-9: Soll-Ist-Vergleich (Bildquelle: Gesellschaft für optische Messtechnik mbh) 4.3 Zusammenbau Neben der Einzelteilanalyse ist auch die Qualitätsanalyse der gefügten Teile erforderlich. Maßliche Korrekturen ergeben sich auch aus dem Zusammenbau mehrerer Einzelteile, die zwar für sich in der Toleranz sein können, in Summe sich jedoch eine maßliche Abweichung im Produkt oder Fahrzeug zeigt. Für diese Analyse werden sogenannte Cuben oder Meisterböcke eingesetzt. Der Meisterbock (Abb. G-10) wird aus miteinander verschraubbaren Alustrangprofilen montiert. Er gibt gleichbleibende Referenzpunkte im Fahrzeuglebenslauf vor. Diese Referenzpunkte werden in der Konstruktionszeichnung definiert. An ihnen richten sich im Fahrzeugbau alle Zusammenbauten des Gesamtfahrzeugs aus. Abb. G-11: Zusammenbau Meisterbock (Bildquelle: Volkswagen AG) Cubing ist das Prüfen von Originalteilen in einer Nennmaßumgebung (Referenzflächen). Dazu können sie in eine im Maßstab 1:1 aus z.b. Aluminium gefräster Replik des Zielfahrzeugs eingesetzt werden. An diesem Modell wird dann die Passform des zu produzierenden Teils geprüft und ggf. optimiert. Im Gegensatz zum Meisterbock werden beim Cubing die Teile nicht über Referenzpunkte, sondern über Referenzflächen beurteilt (Abb. G-12). Abb. G-12: Cubing Krümmungsverläufe müssen auch über mehrere Bauteile hinweg harmonisch verlaufen. Fugen (z.b. zwischen Türen) müssen exakte Linien abbilden. Abb. G-10: Vermessung einer Karosserie auf dem Meisterbock (Bildquelle: Audi AG) 74

75 SPBK SPBK SPBK 4.4 Rückfederungskompensation Weiterhin stellen rückfederungsbedingte Formabweichungen speziell bei der Herstellung von unregelmäßigen Blechformteilen eine bedeutende Ursache der Abweichung von der Sollgeometrie dar. Der lokale Rückfederungsbetrag in einer Zone eines Blechformteiles wird von seinen Werkstoffeigenschaften und auch den lokalen Geometrieverhältnissen des Bauteiles bestimmt. Bei der Einarbeit von Maßnahmen zur Kompensation dieser Formabweichungen muss zwischen den Anteilen aus elastisch-plastischen Biegeumformungen und den elastischen Rückfederungen ungekrümmter Längenabschnitte unterschieden werden. Beim Ziehen von quaderförmigen Näpfen beispielsweise wirkt sich dieser Effekt derart aus, dass durch zu geringe Längsspannungen in der Zarge (Rückhaltung) die am Matrizeneinlaufradius eingeleiteten Biegespannungen nur teilweise zu einer Plastifizierung der Zarge führen. Die Folge ist eine Rückfederung der Zarge bei der Entnahme des Blechformteils aus dem Ziehwerkzeug, was zur Ausbildung von Hohlstellen bzw. Einfallstellen führt. Das Rückfederungsverhalten von Tiefziehteilen kann durch eine den Biegespannungen (Matrizeneinlaufradius, Ziehsicke) überlagerte Zugspannung beeinflusst werden. Daher sind zahlreiche Prozessparameter, die Einfluss auf diese Längsspannungen in der Zarge besitzen, relevant für die durch Rückfederung hervorgerufenen Formabweichungen. Eine Erhöhung der überlagerten Zugspannung wirkt grundsätzlich rückfederungsverringernd. Die FEM-Berechnung der auftretenden Rückfederungen (Rückfederungssimulation) ist im Gegensatz zur Umformsimulation derzeit vielfach noch nicht in ausreichender Genauigkeit möglich. Neben der beschriebenen rechnerunterstützten Rückfederungskompensation (Kap. C-5.2) ist daher vielfache eine manuelle Kompensation erforderlich. Problematik hierbei ist, dass bei der Rückfederungskompensation die gesamte Prozessfolge betrachtet werden muss (Abb. G-13). Bei der manuellen Kompensation entstehen neben dem Zeitverzug von mehreren Wochen auch beträchtliche Kosten, die sich aus Maschinenbenutzung und Arbeits- bzw. Lohnkosten zusammensetzen. In Abb. G-14 sind diese Kosten exemplarisch wiedergegeben. Zeit 5 Wochen OP20, OP 30 OP20, OP30: 38 T Maschinenzeit Kosten OP40, OP50, OP60: 48 T Maschinenzeit 5 Wochen OP40, OP50, OP60 32 T Arbeitszeit 32 T Arbeitszeit 10 Wochen 70 T + 80 T = 150 T Abb. G-14: Entstehende Kosten bei der Kompensation der Rückfederung (Bildquelle: Daimler AG, Kostenangaben 2004) Bei der manuellen Kompensation werden auf der Werkzeugoberfläche Bombierungen mit beispielsweise Kunststoff modelliert. In einem iterativen Prozess werden diese Bombierungen solange modifiziert, bis die Rückfederung zufriedenstellend kompensiert ist. d e Messung c Abb. G-15: Digitalisierung der modifizierten Werkzeugoberfläche (Bildquelle: Capture 3D) OP10 Kompensation OP20 Messung b OP30 Kompensation OPXX Die derart iterativ ermittelten Werkzeugoberflächen werden abschließend digitalisiert (Abb. G-15), aufgeschweißt und auf Basis der Digitalisierdaten erneut mechanisch bearbeitet. Abb. G-13: Manuelle Kompensation der Rückfederung, SPBK = Springback a: Folgeoperationen nach Tiefziehen und Beschnitt b, c: Kompensation der Rückfederung in der Stufe, bei der sie auftritt (vorzugsweise) Falls nicht möglich: d, e: Maßnahmen in vorherigen oder nachgeschalteten Operationen (Bildquelle: Daimler AG) a 5 Oberflächenqualität Das optische Erscheinungsbild (Form, Oberfläche, Design) von Bauteilen aus Blech für z.b. Kraftfahrzeuge stellt eines der wesentlichen Kriterien für die positive Wahrnehmung des Produktes durch den potentiellen Käufer dar. Insbesondere das makellose Erscheinungsbild von Flächen der lackierten Karosserie ist hauptsächlich in den 75

76 gehobenen Fahrzeugpreisklassen von besonderer Bedeutung. Diese Kundenwünsche bedingen ständig steigende Anforderungen an den Herstellungsprozess hochwertiger Blechformteile. Dies gilt insbesondere für Beplankungsteile aus Aluminiumlegierungen. Zu den Oberflächenfehlern zählen Welligkeiten, Oberflächenunruhen, Flach- und Einfallstellen oder im mikroskopischen Bereich Pickel und Kratzer. Kleinste Oberflächenunruhen bzw. Oberflächenfehler, die durch die Reflexion der glänzenden Lackierung oftmals optisch verstärkt wird, führen im Presswerk entweder zu Ausschuss oder Nacharbeit der hergestellten Teile. Problematisch hierbei ist auch die Tatsache, dass bestimmte Oberflächenfehler teilweise erst am fertig lackierten Teil unter speziellen Lichtverhältnissen sichtbar werden. Die Behebung derartiger Oberflächenfehler ist teilweise ein sehr komplexer Prozess. Zur Fehlerdetektion muss die gesamte Operationsfolge betrachtet werden. stochastisches Muster auf der Platine aufgebracht (Spray, elektrochemisch oder mit einem Laser) und das Kamerasystem in der Vorrichtung entsprechend positioniert und kalibriert. Abb. G-17 zeigt hierzu beispielhaft den Einsatz des Messsystems AutoGrid compact. Das zugrunde liegende Messprinzip beruht auf der 3-dimensionalen Erfassung der Verformung eines auf das Blech applizierten quadratischen Anfangsrasters. Aus dem rechnerischen Vergleich des ursprünglichen mit dem sich verzerrenden Messraster auf der Unterseite der Probe werden die lokalen Formänderungen in der Platinenebene und auch in Dickenrichtung zeitabhängig berechnet. Als Messmethoden gibt es photogrammetrische Verfahren, bei denen das Bauteil als Ganzes in einer einzigen Aufnahme erfasst wird, und Einzelmessungen, bei denen nur Teile des Messrasters (z.b. einzelne Kreise) vermessen werden. Die Einzelmessungen werden dann zu einem Gesamtbild der Formänderungen auf dem Bauteil zusammengesetzt. Abb. G-16: Kontrolle der Oberflächenqualität von Außenhautbauteilen von Fahrzeugkarosserien (Bildquelle: Audi AG) Letztlich sind in diesem Zusammenhang auch noch die Ausbildung von Fließfiguren und Orangenhauteffekte in bestimmten Zonen des Werkstücks zu nennen. Fließfiguren lassen sich durch geeignete Blechwerkstoffwahl (beruhigt vergossene Stähle, aushärtbare Aluminiumlegierungen) vermeiden. Die Bildung von Orangenhaut lässt sich durch eine erhöhte Feinkörnigkeit des Werkstückwerkstoffes vermeiden bzw. verringern. 6 Formänderungsverteilungen in Blechformteilen Die prinzipielle Vorgehensweise bei einer Formänderungsanalyse beruht auf der Erfassung von Verzerrungsfeldern auf der Probenoberfläche während der Versuchsdurchführung mit Hilfe von Kamerasystemen. Dazu wird zu Beginn des Versuches ein deterministisches oder Abb. G-17: Formänderungsanalyse an einem Blechformteil mit AutoGrid compact (Bildquelle: Vialux GmbH) Für den Aufbau des Grenzformänderungsdiagramms (GFÄD), das die gemessenen Hauptformänderungen in einem Diagramm aufspannt, werden mehrere Probengeometrien benötigt, um einen längeren Kurvenzug zeichnen zu können. Üblicherweise erfasst man den Verzerrungszustand der Probenmitte kurz vor dem Versagen und bestimmt somit die Grenzformänderung des untersuchten Blechwerkstoffes. Liegt nun ein experimentell ermitteltes Grenzformänderungsdiagramm vor, kann man durch das Einzeichnen einer aktuell am Bauteil gemessenen Hauptformänderung feststellen, wie weit dieser Punkt von der Grenzkurve des diesbezüglichen Versagens entfernt liegt (Abb. G- 18). Der Abstand dieses Punktes bzw. aller kritischen Zonen des Bauteils von der Grenzformänderungskurve erlaubt eine Aussage 76

77 über die fertigungstechnische Machbarkeit der vorliegenden Werkstückgeometrie und dem vorgesehenen Blechwerkstoff. Darüber hinaus muss das Werkzeug nun auf höhere Stückzahlen ausgelegt werden. Erwärmungseffekte im Werkzeug und schwankende Materialkennwerte müssen berücksichtigt werden. Ebenso ist der Teiletransfers an das geänderte Schwingungsverhalten anzupassen, die Abführung der Blechabfälle und das Abstapeln der Fertigteile ist zu beachten und ggf. anzupassen. Nebenformänderung 2 Hauptformänderung 1 Abb. G-18: Einsatz des Grenzformänderungsdiagramms (Bildquelle: Audi AG) 7 Übergabe an die Produktion 7.1 Wechsel auf die Produktionspresse Nach Erreichen der geforderten Qualitätskriterien wird nun schrittweise die Einstellhubzahl erhöht. Zielsetzung hierbei ist die Fertigung der Blechteile mit Hubzahlen von Teilen pro Minute in den erforderlichen Losgrößen. Obwohl zahlreiche Anstrengungen unternommen wurden, mit den Tryout-Pressen die Bedingungen der Serienpresse nachzubilden, sind nach dem Wechsel auf die Produktionspresse weitere Abstimmungen am Werkzeug erforderlich. Während im Tryout und auch im Werkzeugbau aus wirtschaftlichen Gründen wie beschrieben meist hydraulische Pressen eingesetzt werden, sind in der Serienfertigung der Automobilindustrie meist mechanisch angetriebene Pressen vorzufinden. Diese weisen höhere Hubzahlen und effizientere Antriebe gegenüber hydraulischen Pressen auf, sind aber wesentlich kapitalintensiver. Dieser konstruktive Unterschied führt auch zu einem anderen elastischen Verhalten des Systems Presse/Werkzeug und damit verbunden zu erneutem Einarbeitsaufwand zur Anpassung der Werkzeugwirkflächen. 7.2 Qualitätsstandards Die erreichte Bauteilqualität wird anhand verschiedener Qualitätsstandards beurteilt: Stufe 1: Trifft bei Teilen zu, die nicht verbaubar sind. Mindestens einer der Parameter Bauteilaufnahme, Form, Umriss oder Oberfläche ist bei Bauteilen dieser Kategorie nicht in der gewünschten Ausprägung vorhanden und führt auf Grund dessen zu einer NIO-Bewertung. Stufe 2: Bauteile dieses Qualitätsstandes sind verbaubar und die Abmessungen liegen annähernd innerhalb des Nominalmaßes. Stufe 3: Dieser Qualitätsstand trifft für Bauteile zu, die nominal die geforderten Eigenschaften aufweisen, jedoch auf der Tryout-Presse und somit nicht unter Serienbedingungen gefertigt wurden. Stufe 4: Bauteile, die diesen Qualitätsstand erreichen, wurden unter Serienbedingungen auf einer Produktionspresse inklusive Mechanisierung gefertigt (Abb. G-19). Nominalmaße, Form und Oberfläche dieser verbaubaren Teile sind in Ordnung. Abb. G-19: Beispiel Fertigung Seitenwand Porsche 911, 997 C2 Coupé (Bildquelle: (Tianjin Motor Dies Europe GmbH ) 77

78 H Werkzeuge in der Serienfertigung 1 Bauteilqualität 1.1 Oberflächenqualität Der Grund für das Auftreten von Oberflächenfehlern auf Blechformteilen während der Produktion kann beispielsweise im örtlichen Verschleiß von Umformwerkzeugen oder in schwankenden Prozessparametern begründet sein. Darüber hinaus können Oberflächenfehler entstehen, wenn sich während der Produktion Schmutz- oder Abriebpartikel auf den Wirkflächen der Werkzeuge anlagern. Auch besteht bei falscher Wahl der Schmierstoffe (zu hohe Viskosität, zu große Schmierstoffmenge) die Gefahr der Entstehung von Oberflächenfehlern (Abdrücke von kleinen Schmierstoffpolstern). Sobald eine Abweichung des Ist-Zustandes vom Soll-Zustand festgestellt wird, wird die entsprechende Produktionslinie angehalten. Die Fehlerquelle muss lokalisiert werden, evtl. muss das Werkzeug nachgearbeitet werden. Für den Presswerkbetrieb lassen sich in Bezug auf die Oberflächenqualität der Blechformteile zwei Problemkreise definieren: Zum einen besteht natürlich die Anforderung, die Blechformteile für die Außenhaut eines Fahrzeuges in einwandfreier Oberflächenqualität herzustellen. Auf der anderen Seite besteht die Notwendigkeit, die hergestellten Teile hinsichtlich ihrer Oberflächenqualität objektiv zu beurteilen. Dies erfolgt heute teilweise immer noch mittels subjektiver Methoden, indem beispielsweise das Blechformteil mit einem längeren Abziehstein oder mit einer mit Schleifpapier beklebten Holzlatte abgezogen wird und das durch Schleifen erzeugte Tragbild der Holzlatte durch das menschliche Auge begutachtet wird (Abb. H-1). Abb. H-1: Blech Außentür hinten - abgezogenes Blechteil mit sichtbaren Unebenheiten (Bildquelle: DYNAmore GmbH) Weiterhin ist es gebräuchlich, dass der Kontrolleur die gepressten Teile anhand der Reflexion von entsprechenden Lichtquellen auf Oberflächenfehler hin untersucht (Abb. H-2). Jedes gefertigte Blechformteil wird einer abschließenden visuellen Kontrolle durch den geübten Blick der Mitarbeiter unterzogen. Dieser prüfende Blick des menschlichen Auges ist hierbei durch nichts zu ersetzen, denn es gibt potentiell zum Beispiel eine sehr große Anzahl unterschiedlichster Arten und Formen von Oberflächenunebenheiten und Rissen. Lichtsegel Lichtquelle Abb. H-2: Lichtsegel (Bildquelle: Daimler AG) Auf diese fast unendliche Menge an Darstellungen von Problemstellen kann heute kein computergestütztes System unter der Prämisse praktikabler Reaktionszeiten eingesetzt werden. Neben der Tatsache, dass diese Vorgehensweisen viel Erfahrung des Kontrolleurs erfordern, ist als weiterer Nachteil die nicht exakte Reproduzierbarkeit einer Oberflächenbewertung großflächiger Beplankungsteile zu nennen. Die Automobil- und Zulieferindustrie hat daher ein Audit- System von Freiformflächen definiert, das solche Oberflächenbegutachtungen annähernd objektiv festlegt. Zum Einsatz kommen weiterhin optische Messsysteme, welche im Rahmen einzelner Abpressungen stichprobenartig Blechformteile hinsichtlich der Oberflächenqualität objektiv beurteilen. Abb. H-3 zeigt beispielhaft ein derartiges Messsystem (ABIS II). Hier wird das Bauteil am Einlaufband ein Bauteil abgelegt, fährt in die Inspektionszelle ein, wird nach der Lageerkennung mit einer über dem band montierten Einzelkamera inspiziert und schließlich auf dem Auslaufband wieder aus der Zelle transportiert. Die Oberflächeninspektionsanlage wird als Stichprobenprüfung in die Qualitätsregelkreise im Presswerk integriert und kann somit schnell Rückmeldung über die Oberflächenqualität nach einem Werkzeugwechsel ermöglichen. Bei einer klassischen manuellen Auditierung mit Abziehstein ist ein zeitlicher Aufwand von ca

79 Minuten für einen kompletten Seitenwandrahmen nötig, mit einem derartigen optischen Messsystem erfolgt die Vermessung in weniger als zwei Minuten. Abb. H-3: Optische Oberflächeninspektion einer Caddy Schiebetüre (Bildquelle: Steinbichler Optotechnik GmbH) Der Bediener, der die Bauteile vom Auslaufband entnimmt, erhält auf dem Visualisierungsbildschirm (Abb. H-4) eine Anzeige, ob das Bauteil in Ordnung ist, nachgearbeitet werden muss, oder Ausschuss ist. beispielsweise Radien und Winkelstellungen von Funktionsflächen der Blechformteile verändern. Die Teilevermessung erfolgt bei der Serienfertigung in Form von Stichproben in eigens abgetrennten Messräumen. Diese Räume garantieren gleiche Messbedingungen, wie konstante Temperatur oder speziell gelagerte Messtische, die Messfehler durch Schwingungen aus dem Produktionsbetrieb ausschließen. Stichprobenmessungen reichen aus, da sich Maßänderungen erst über mehrere zigtausend Pressteile hinweg ergeben. So wird ein abweichender Trend frühzeitig vor Erreichen einer Toleranzgrenze erkannt und wenn nötig präventiv reagiert, indem zum Beispiel eine Justierung der Werkzeuge erfolgt. Wie bei der Vermessung der Bauteile während der Ausprobe (Kap. G-4) werden auch hier taktile (Abb. H-5) oder optische Messverfahren (Abb. H-6) eingesetzt. Abb. H-4: Anzeige des Prüfergebnisses (Bildquelle: Steinbichler Optotechnik GmbH) Neben der Prüfung von Einzelteilen können mit derartigen optischen Messsystemen auch einzelne Zusammenbauten (ZB) inspiziert werden, z.b.. Seitenwandrahmen, Kotflügel oder Dächer Hintergrund ist die Anforderung, die Oberflächenqualität auch nach den einzelnen Prozessschritten Einzelteil, ZB und KTL- Beschichtung zu untersuchen und zu verfolgen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass Oberflächenfehler, die am Einzelteil als nacharbeitsrelevant gelten, in den nachfolgenden Prozessen teilweise an Relevanz verlieren. Auch das Gegenteil (besonders im sichtbaren Bereich) ist möglich - anfänglich nicht nacharbeitsrelevante Fehler am Einzelteil werden nach der KTL-Beschichtung deutlich sichtbar. Abb. H-5: Stichprobenartige taktile Bauteilvermessung (Bildquelle: BMW AG) Derartige taktile Messsysteme werden mehr und mehr durch optische Verfahren, die beispielsweise auf dem Prinzip der Streifenprojektion basieren, abgelöst. In den Presswerken werden dazu in unmittelbare Nähe zu den Umformpressen Inspektionszellen für die automatisierte roboterunterstütze Vermessung der Blechformteile aufgebaut. So ist im Fehlerfall eine sofortige Ursachenanalyse am z.b. Werkzeug möglich. 1.2 Maßhaltigkeit Die Maßhaltigkeit der Blechformteile steht ebenfalls in direktem Zusammenhang mit dem Verschleißzustand der eingesetzten Werkzeuge. Mit zunehmendem Verschleiß können sich Abb. H-6: Optische Bauteilvermessung (Bildquelle: Gesellschaft für optische Messtechnik mbh) 79

80 Kontrolliert werden die wichtigen Maße und der Bauteilumriss (ggf. auch einzelne Schnitte) bei Groß- und Mittelserien auch oftmals mit eigens dafür angefertigten Lehren (Abb. H-7). Die Referenzlehre dient vorrangig der schnellen visuellen Prüfung der Lage und des Verlaufs bestimmter Konturen am Bauteil anhand von Prüfelementen, die in die Prüfvorrichtung integriert sind. Die Bauteile sind hierzu an den festgelegten Netzbezugspunkten in der Prüfvorrichtung fixiert. Maßliche Abweichungen im Bauteil können in der Prüfvorrichtung nur festgestellt werden, wenn entsprechende Messmöglichkeiten vorhanden sind. 2 Werkzeuginstandhaltung 2.1 Wartung von Werkzeugen Während der Serienfertigung müssen die eingesetzten Werkzeuge je nach Verschleiß ggf. zwischen den Abpressungen gewartet werden. Diese Wartungsarbeiten beinhalten: Reinigen der Werkzeuge Nachstellen von Schneidspalten Entfernen von Anhaftungen und Aufschweißungen Auswechseln von Verschleißteilen je nach Bedarf (z.b. Lochstempel) Bei den meist jährlich durchgeführten sog. Großwartungen wird das Werkzeug in seine einzelnen Baugruppen zerlegt, gereinigt und auf Funktion geprüft. Es werden Führungsspiele nachgemessen und Verschleißteile wie Lochbuchsen und Stempel nach Bedarf ausgewechselt. Abb. H-7: Referenzlehre (Bildquelle: Langer GmbH & Co. KG) Nach dem Zusammenbau wird darüber hinaus großes Augenmerk auf die Kontrolle der Spaltmaße gelegt. Nicht konstante Verläufe der Spaltmaße können beispielsweise durch falsche Schiebereinstellungen im Werkzeug o.ä. verursacht werden und wirken sich besonders negativ auf das optische Erscheinungsbild eines Fahrzeugs aus. Die Vermessung der Spaltmaßverläufe kann mit eigens angefertigten Lehren (Abb. H-8), oder aber auch in Einzelfällen optisch erfolgen. 2.2 Schweißen von Werkzeugen Notwendigkeit Das Schweißen von Werkzeugen kann neben der allgemeinen Wartung auch in folgenden Fällen erforderlich sein: Ausbessern und Reparatur von verschlissenen Werkzeugen Erneuern von verschlissenen bzw. ausgebrochenen Schnittkanten Korrekturarbeiten bei der Ausprobe Designänderungen Beschädigung, z.b. Risse (Abb. H-9). Abb. H-8: Kontrolle der Spaltmaße (Bildquelle: Audi AG) Abb. H-9: Riss in Werkzeugunterseite (Bildquelle: Adam Opel GmbH) Neben spanenden Verfahren zur Materialabtragung werden zum Materialauftrag Verfahren des Schmelzschweißens eingesetzt. Hierbei kommen folgende Schweißverfahren zum Einsatz: Schweißen mit umhüllten Stabelektroden MIG-/MAG-Schweißen Laserauftragsschweißen. 80

81 Zu beachten sind hier jedoch Besonderheiten der zu schweißenden Gusswerkstoffe bzw. Werkzeugstähle, damit die Umformwerkzeuge auch nach dem Schweißen im Bereich der Schweißzone, aber auch im Bereich der Wärmeeinflusszone die geforderten Gebrauchseigenschaften besitzen Schweißen von Werkzeugen aus Werkzeugstahl Bei der Schweißeignung von Stahlwerkstoffen spielt der Kohlenstoffgehalt eine entscheidende Rolle. Unlegierte Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt kleiner als 0,2% sind in der Regel problemlos schweißbar. Bei legierten Stählen dagegen ist die Schweißeignung neben dem Kohlenstoffgehalt auch von der Summe der Legierungselemente abhängig. Stahl enthält meist noch eine Reihe von Legierungselementen, die sich unterschiedlich stark auf die Schweißbarkeit auswirken können. Daher hat man versucht, eine Formel zu entwickeln, in die der Einfluss dieser Elemente mit eingeht. Aufgrund der Vielzahl von Stählen ist leicht einzusehen, dass es kaum eine einzige Gleichung zur hinreichenden Beschreibung des Problems geben kann. Im Schrifttum finden sich daher auch mehrere Gleichungen. Hier soll beispielhaft die vom International Institute of Welding empfohlene Formel für einen Stahl mit mehr als 0,18 % C genannt werden: C ä Mn Cu Ni Cr Mo V C In diese Beziehung müssen die Legierungsgehalte in % eingesetzt werden. Üblich eingesetzte Werkzeugwerkstoffe verfügen über sehr hohe Legierungsanteile, sind also eher schlecht schweißbar. Hauptproblematik hierbei ist die Härtbarkeit dieser Stähle. Kühlt das Werkzeug nach dem Schweißen zu schnell ab, treten folgende Effekte auf: Umwandlungshärtung, d.h. Martensitbildung (siehe auch Kap. I-3) Ausscheidungshärtung durch Karbid- und Nitridbildung. Daher muss die Arbeitstemperatur vor und während des Schweißens als auch die gezielte Abkühlung nach dem Schweißen besonders beachtet werden. Falls ein nicht vorgewärmtes Werkzeug geschweißt wird, kühlen nach dem Schweißen sowohl das Schweißgut als auch die Wärmeeinflusszone sehr schnell wieder ab. Die daraus resultierende Umwandlung in spröden Martensit führt zu einem erhöhten Risiko der Rissbildung. Derartige Risse, welche sich in der Schweißnaht gebildet haben, können sich dann im Werkzeug weiter ausbilden. Um diese Effekte zu vermeiden, sind folgende Maßnahmen zu ergreifen: Abb. H-10: Vorwärm- und Haltetisch (Bildquelle: Böhler Edelstahl GmbH & Co. KG) Der gesamte Schweißvorgang sollte immer im vorgewärmten Zustand durchgeführt werden (Abb. H-10). Das Werkzeug sollte während des Schweißens immer ca C über der sogenannten MS- Temperatur (Austenit-Martensit-Umwandlung) gehalten werden. Bei einer mehrlagigen Schweißung wird der größte Teil des Schweißguts während des gesamten Schweißvorgangs im austenitischen Zustand bleiben und sich langsam während des Abkühlens des Werkzeugs umwandeln. Dadurch werden im gesamten Schweißgut eine gleich bleibende Härte und ein gleich bleibendes Gefüge erzielt. Der gesamte Schweißvorgang sollte auf einmal durchgeführt werden. Wenn nur ein Teil des Schweißvorgangs durchgeführt wird und später das Werkzeug erneut erwärmt wird, besteht das Risiko des Auftretens von Rissen. Um die Abkühlung der geschweißten Werkzeuge zu verlangsamen, wird ein Abdecken der Bauteile während des Schweißvorgangs empfohlen (Abb. H-11). Abb. H-11: Lichtbogen-Handschweißen mit Abdecken der Werkzeuge (Bildquelle: Böhler Edelstahl GmbH & Co. KG) Vor dem eigentlichen Schweißprozess müssen die zu schweißende Stelle und die umliegenden Bereiche gründlich gereinigt werden. Risse müssen evtl. ausgeschliffen werden. Es dürfen keine Öloder Fettrückstände mehr vorhanden sein. 81

82 Ansonsten besteht die Gefahr, dass während des Schweißens Wasserstoff aufgenommen wird, was zu einer Rissbildung durch Wasserstoffversprödung führen kann. Nach dem Schweißen ist meist eine Wärmebehandlung erforderlich. Insbesondere bei großen Schweißungen ist ein Spannungsarmglühen zu empfehlen, um Eigenspannungen zu vermindern (Abb. H-12). Spannungen im Werkstück, die durch ungleichmäßiges Abkühlen beim Schweißen entstanden sind, werden dadurch verringert Ein Spannungsarmglühen ist nicht erforderlich, wenn die Schweißstelle nach dem Schweißen angelassen und weichgeglüht wird. Auch bei kleinen Korrektur- oder Reparaturschweißungen ist ein Spannungsarmglühen nicht erforderlich. Schweißen mit artgleichen Schweißzusätzen: Dies erfolgt bei hohen Vorwärmtemperaturen von etwa 600 C mit Schweißzusätzen, die ein artgleiches Schweißgut ergeben. Bei richtiger Ausführung hat das Schweißgut anschließend ein Werkstoffverhalten ähnlich dem des Grundwerkstoffes. Artfremde Schweißung (auch Gusseisenkaltschweißung genannt): Diese erfolgt ohne Vorwärmung oder bei niedriger Vorwärmung üblicherweise mit Ni-Fe- oder Ni- Schweißzusätzen. Prinzipiell ist beim Schweißen von Gusseisen auf möglichst geringe Temperaturunterschiede beim Schweißen als auch beim Vorwärmen und Abkühlen zu achten. Daher sind nur kurze Schweißraupen mit möglichst dünnen Elektroden zu schweißen. Oft werden die Schweißnähte noch im warmen Zustand sofort mit der Hammerfinne abgehämmert, um die Schweißeigenspannungen zu vermindern. Abb. H-12: Spannungsarmglühen (Bildquelle: Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel) Schweißen von Gusswerkzeugen Gusseisen sind Eisen-Kohlenstofflegierungen mit hohen Kohlenstoffanteilen von bis zu 4,5%. Dieser hohe Kohlenstoffgehalt des Gusseisens gestaltet den Schweißvorgang deutlich schwieriger im Vergleich zum kohlestoffärmeren Werkzeugstahl. Die gebräuchlichsten Gusseisen im Werkzeugbau sind Grauguss mit lamellaren Graphiteinlagerungen und Grauguss mit Kugelgraphit (siehe Kap. I-2). Durch den hohen Wärmeeintrag beim Schweißen gibt es unerwünschte metallurgische Veränderungen im Schweißnahtbereich. Einige Gusssorten sind praktisch nicht schweißbar. Grauguss mit Kugelgraphit ist dehnbarer als Grauguss mit lamellaren Graphiteinlagerungen. Die lamellare Graphiteinlagerung macht das Gusseisen spröde. Gusseisen mit Kugelgraphit neigt daher weniger zur Rissbildung beim Schweißen. Bei der Gusseisenschweißung unterscheidet man zwei Verfahren: 3 Werkzeugwechsel 3.1 Rüsten von Werkzeugen Mit Einrichtungen zum schnellen Werkzeugwechsel verkürzen sich die Rüstzeiten, so dass auch kleine Serien unterschiedlicher Pressteile wirtschaftlich gefertigt werden können. Abb. H-13 zeigt die einzelnen Zeitanteile bei der Fertigung großflächiger Blechformteile. Erkennbar ist, dass die eigentliche Hauptzeit, d.h. die effektive Produktionszeit, nur wenig mehr als 50% beträgt. Organisatorische Stillstandszeit Warten auf Personal, Platinen, Werkstückabtransport Technische Stillstandszeit Ansprechen von Überwachungssystemen für Presskraft, Schmierung, Platineneingabe, Teileabstapelung, Schrottabfuhr, Reparatur Presse, Werkzeug, Transporteinrichtung Umrüstzeit Werkzeugwechsel Einstellen der Pressen und Transporteinrichtungen Abb. H-13: Zeitanteile Fertigung 3.2 Einrichtungen zum Werkzeugwechsel Konsole Hauptzeit Effektiv nutzbare Pressenlaufzeit (ca. 60%) Anlaufzeit Probepressungen bis zum Gutteil im Dauerbetrieb Störzeit Werkstückfehler infolge Veränderung der Umformbedingungen durch Blech, Schmierung, Werkzeug, Maschine Kleinere und mittelgroße Umform- und Schneidwerkzeuge werden beim Transport im Presswerk mit einem Hallenkran, Gabelstapler oder Flurförderfahrzeug bewegt. 82

83 Für den Transport des Werkzeugs in die Presse ist eine Werkzeug-Abstellkonsole eine kostengünstige Wechselhilfe, die bis zu einem Werkzeuggewicht von etwa 6t verwendbar ist. Bei Werkzeuggewichten bis etwa 2t werden einhängbare Konsolen eingesetzt, die in Aufnahmehaken am Pressentisch gehängt werden. Für höhere Werkzeuggewichte sind Stützfüße, möglichst mit Rollen am Fuß, unumgänglich (Abb. H-14). Schwenkkonsolen mit Doppelgelenk lassen sich nach dem Werkzeugwechsel in eine Parkposition schwenken. Werden Werkzeuge auf Rollenbahnen aufgelegt, so minimieren Profilleisten mit Rollelementen in den T- Nuten der Aufspannplatte die Kraft zum Verschieben des Werkzeugs. Ausgerüstet mit gefederten Kugelrollelementen, bieten sie bei leichten Werkzeugen eine allseitige Bewegungsfreiheit. Schwerere Werkzeuge dagegen sollten auf hydraulisch anhebbaren Rollen transportiert werden (Abb. H-16), da eine Linienberührung eine höhere Flächenlast zulässt. Die Rollfläche des Werkzeuggrundkörpers muss gehärtet sein. Abb. H-14: Tragkonsole mit Stütze (Bildquelle: Hilma Römheld GmbH) Werkzeugwechselwagen Schienengebundene Werkzeugwechselwagen erleichtern den Wechsel von Werkzeugen bis etwa 20 t Gewicht (Abb. H-15). Besonders wirtschaftlich ist der Einsatz von zwei Werkzeugplattformen nebeneinander, da die Werkzeuge bereits während der Produktion in der Parkposition vorgerüstet werden können. Ist die Presse mit Schutzgittern und automatischen Werkzeugspannern versehen, so ist ein automatischer Werkzeugwechsel möglich. In der Ausgangsstellung ist das Werkzeug entspannt, die Schutzgitter sind geöffnet. Der Zug-Schub-Antrieb fährt aus, koppelt automatisch an das Werkzeug an und zieht es aus der Presse. Nachdem der Wagen entriegelt, quer verfahren und in der Einschubposition wieder verriegelt wurde, kann das neue Werkzeug in den Einbauraum eingeschoben werden. Abb. H-15: Werkzeugwechselwagen (Bildquelle: Alztec GmbH) Abb. H-16: Rollenleiste mit hydraulischer Anhebung (Bildquelle: Hilma Römheld GmbH) Die Zentrierung des Werkzeugs auf dem Pressentisch spielt eine entscheidende Rolle beim Werkzeugwechsel. Manuell verschiebbare Werkzeuge können nach einer Mittelnut in der Aufspannplatte oder durch Zentrierhilfen in den T- Nuten bzw. auf der Aufspannplatte ausreichend genau ausgerichtet werden. Werkzeuge bzw. Pressen mit automatischen Transfereinrichtungen dagegen müssen genauer positioniert sein, um ein präzises Ablegen der Teile in jeder Werkzeugstation sicherzustellen Schiebetisch Transferpressen sind für den automatischen Werkzeugwechsel mit Schiebetischen (Abb. H-17) ausgerüstet. Für jeden Stößel sind zwei Schiebetische vorhanden - ein Werkzeugsatz befindet sich innerhalb der Presse in Produktion, der zweite Satz steht außerhalb der Presse und wird für das nächste Fertigungslos vorgerüstet Dadurch können das Werkzeug und das teilespezifische Zubehör während der Produktion bereits vorbereitet werden. Während die Hubbalken ein fester Bestandteil der Presse sind, werden die Brücken beim Werkzeugwechsel zusammen mit den Saugern durch automatische Kupplungen von den Hubbalken getrennt, auf den Schiebetisch des dazugehörigen Werkzeugs gelegt und quer zur Teiletransportrichtung aus der Presse gefahren. Jeder Werkzeugsatz ist mit einem eigenen teileabhängigen Saugersatz bestückt. Beim Vorrüsten der Schiebetische außerhalb der Presse werden die dem Schiebetisch zugeordneten 83

84 Saugerbrücken mit dem Saugersatz für das jeweilige Teil versehen. Nut und die überwachten Drucksensoren, die bei einem Druckabfall sofort den Stillstand der Presse bewirken. Abb. H-17: Saugerbrücken-Transferpresse (Bildquelle: Schuler AG) Die Arbeitsschritte beim Werkzeugwechsel, wie das Lösen der Werkzeuge an den Stößeln, das Ablegen des Oberwerkzeugs auf das Unterwerkzeug, das Lösen der Brückenkupplung, das Hochfahren des Hubbalkens über die Oberkante des Oberwerkzeugs, das Anheben und Ausfahren von Schiebetischen, das Einfahren, Absenken, Zentrieren und Wiederspannen sowie der Wechsel der Ablagen, laufen automatisch ab. Ein kompletter Werkzeugwechsel beansprucht ca.10 min., da die Umrüstvorgänge teilweise zeitgleich ablaufen. Die einzelnen Phasen des Wechselvorgangs werden zur Kontrolle an Bildschirmen lokal und zentral angezeigt. Abb. H-18: Hydraulischer Einschubspanner (Bildquelle: Hilma Römheld GmbH) 3.3 Spannen der Werkzeuge Das Spannen der Werkzeuge an die Aufspannplatten von Tisch und Stößel muss möglichst schnell und funktionssicher ablaufen. Grundsätzlich werden Spanneinrichtungen elektrisch oder hydraulisch (Abb. H-18) ausgeführt, teilweise auch kombiniert mit mechanischer Betätigung durch Federkraft, Gewindespindel, Kniehebel, Keilwirkung oder Selbsthemmung - grundsätzlich müssen sie immer sicher sein. Für das Ober- und Unterwerkzeug werden oft unterschiedliche Spanner eingesetzt, da die Unterwerkzeuge über den Pressentisch geschoben werden, der Stößel jedoch vertikal auf die Oberwerkzeuge aufsetzt. Bei Kleinwerkzeugen halten meist hydraulische Einschubspanner oder Spannleisten die Werkzeuge. Die Leisten werden auf der Aufspannplatte befestigt, die Einschubspanner in die T-Nuten der Aufspannplatte eingeschoben (Abb. H-19). T-Nuten-Spanner sichern häufig mittelgroße Werkzeuge. Die Spannzylinder werden von der Pressenhydraulik mit 250 bar beaufschlagt und erzeugen eine Spannkraft von bis zu 200 kn. Gelöst werden die Spanner durch Federkraft, nachdem sich der Öldruck abgebaut hat. Die Sicherheit der Vorrichtung gewährleisten der Formschluss in der T- Abb. H-19: Mechanischer Einschubspanner (Bildquelle: Hilma Römheld GmbH) Für große Werkzeuge mit unterschiedlichen Werkzeugbreiten wird meist mit Spannern gearbeitet, die sich den Abmessungen mit Hilfe einer Verstellung automatisch anpassen. Diese Vorrichtungen mit Verstelleinrichtung sind mit allen Spannerarten - hydraulisch, elektrisch und hydromechanisch - kombinierbar. Sind keine Verstelleinrichtungen vorhanden, so werden die Spanner außerhalb der Aufspannplatten montiert die Werkzeuge müssen dem Spannerabstand durch Adapterplatten angepasst werden Kap. 3.2 und 3.3 teilweise übernommen aus: Handbuch der Umformtechnik, Hrsg.: Schuler AG. 84

85 I Werkzeugwerkstoffe und -beschichtungen 1 Anforderungen An Werkzeugwerkstoff werden zahlreiche Anforderungen gestellt, wobei zwischen Gebrauchseigenschaften und Fertigungseigenschaften unterschieden werden muss. Als Gebrauchseigenschaften sind zu nennen: Hohe Druckfestigkeit Hohe Härte Hohe Zugfestigkeit Hohe Zähigkeit Hoher Widerstand gegen Abrasion Geringe Neigung zur Adhäsion Die Fertigungseigenschaften umfassen: Gute Gieß- und Umformbarkeit Gute Spanbarkeit Sekundärhärtbarkeit Gute Maßbeständigkeit, geringer Verzug Reparatur- und Änderungsfreundlichkeit. Beim Schneiden gelten aufgrund der im Vergleich zum Tiefziehen anderen Belastung folgende verfahrensspezifische Kriterien: Aufgrund der Druckbelastung des Stempels ist eine ausreichende Druckfestigkeit erforderlich. Die Schneidkante wird auf Biegung beansprucht, daher ist eine ausreichende Zähigkeit des Stempelwerkstoffes erforderlich, um Kantenausbrüche zu vermeiden. Beim Eintauchen des Schneidstempels in das Blech unterliegt die Kontaktfläche einer tribologischen Beanspruchung, d.h. ein ausreichender Verschleißwiderstand gegen Abrasion und Adhäsion ist erforderlich. Während des Rückzugs des Stempels besthet die Gefahr des Einklemmens im gelochten Blech (insbesondere beim Lochen). Eine ausreichende Festigkeit, um ein Abreißen des Stempels zu vermeiden, ist erforderlich. 2 Werkzeugwerkstoffe 2.1 Gusseisen Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement für Eisenwerkstoffe. Der Gehalt des Kohlenstoffs als auch die Art und Verteilung der Phasen in Abhängigkeit der Temperatur beeinflussen entscheidend die Gebrauchseigenschaften des Werkstoffs. Bis zu einem Kohlenstoffgehalt von 2,06% ist der Kohlenstoff in der intermediären Phase Fe 3 C (Zementit) gebunden, soweit er nicht im Mischkristall des Eisens (Austenit, Ferrit) gelöst wird. Derartige Eisenwerkstoffe sind warm und kalt umformbar. Je geringer der Kohlenstoffgehalt, umso besser sind diese Werkstoffe umformbar. Bei einer gießtechnischen Herstellung dieser Werkstoffe spricht man von Stahlguss (Kap. 2.2). Ab einem Kohlenstoffgehalt von 2,06% werden Eisenwerkstoffe im Normalfall nicht mehr geschmiedet, sondern nur noch gegossen. Derartige Werkstoffe werden als Gusseisen bezeichnet. Bei sehr langsamer Abkühlung kohlenstoffreicher Schmelzen kommt es zu einer Ausscheidung des Kohlenstoffs in elementarer Form (stabiles System). Durch die in der Eisenmatrix eingelagerten Grafitbereiche erscheint die Bruchfläche dunkel, was zu der Bezeichnung graues Gusseisen oder Grauguss geführt hat. Der Werkstoff Grauguss ist aufgrund der vergleichsweise grob ausgebildeten Graphitbereiche nur begrenzt in der Lage, Zugbeanspruchungen aufzunehmen, und ist darüber hinaus schwer verformbar. Dagegen lässt sich Grauguss sehr gut zerspanen und besitzt hervorragende Dämpfungsund Gleiteigenschaften. Grauguss lässt sich in Abhängigkeit der Form der Graphitbereiche im Grundgefüge wie folgt unterteilen: Gusseisen mit Lamellengrafit (lamellenförmig ausgebildeter Grafit) Gusseisen mit Kugelgrafit (globulitisch vorliegender Grafit). Das Graugussgefüge besteht somit aus einer metallischen Grundmatrix, in welche die verschiedenen Graphitkristalle eingelagert sind. Die metallische Matrix hat die gleichen Eigenschaften wie ein eutektoider Stahl. Beim Gusseisen mit Lamellengraphit (Abb. I-1) bilden sich an den Rändern der Lamellen bei einer äußeren Beanspruchung Spannungsspitzen. Man spricht von einer Kerbwirkung, die metallischen Eigenschaften der Grundmatrix treten weniger hervor. Die Zugfestigkeit dieser Gussvariante liegt daher im Bereich von lediglich 100 bis 350 MPa. Abb. I-1: Gusseisen mit Lamellengraphit (GG25CrMo) (Bildquelle: Römheld&Mölle) 85

86 Bei globular vorliegendem Graphit (Abb. I-2) dagegen ist diese Kerbwirkung nicht vorhanden. Die Eigenschaften der Grundmatrix kommen voll zum Tragen. Aus diesem Grund reicht der Bereich der Zugfestigkeit beim Gusseisen mit Kugelgraphit von 350 bis MPa und liegt damit im Bereich der Stähle. Abb. I-2: Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG70) (Bildquelle: Römheld&Mölle) Durch Zulegieren von Silizium lassen sich die mechanischen Eigenschaften des Gusseisens mit Kugelgraphit weiterverbessern, d.h. höhere Festigkeiten bei gleicher Bruchdehnung (Abb. I-3). 2.2 Stahlguss Unter Stahlguss versteht man ein in bestimmte Formen vergossener Stahl, der anschließend nicht weiter zerspant wird. Im Gegensatz dazu wird der in Blöcken gegossene Stahl (Kap. 2.3) durch Warmund Kaltumformung (Walzen, Schmieden, Pressen) bildsam weiterverarbeitet. Als Vorteile von Stahlguss sind zu nennen: Die höhere Liquidustemperatur führt beim Stahlguss zu einer wesentlich höheren Gießtemperatur (ca C) als beim Gusseisen. Diese erhöhten Temperaturen stellen wesentlich größere Anforderungen an die Schmelztechnik, die feuerfesten Werkstoffe der Ofenverkleidungen, der Schmelztiegel und Gießwerkzeuge und schließlich an die Formstoffe. Beim Stahlguss ist die Schwindung mit zwei Prozent etwa doppelt so groß wie beim Grauguss. Da die Stahlgussstücke im Gusszustand spröde, grobkörnig und dendritisch erstarrt sind, müssen diese Teile einer Wärmebehandlung unterzogen werden (Normalglühen, Vergüten, Weichglühen, Spannungsarmglühen). Wesentlich bessere mechanische Eigenschaften im Vergleich zum Grauguss, hauptsächlich hinsichtlich der Zähigkeit. Bessere Schweißbarkeit. Abb. I-3: Gusseisen mit Kugelgraphit, mechanische Eigenschaften (Bildquelle: Römheld&Mölle) Reichen die mechanischen Festigkeitseigenschaften der Gusswerkstoffe an z.b. hochbeanspruchten Stellen nicht aus, ist mit segmentierten Werkzeugen zu arbeiten (Abb. I-4). Eingesetzt in den Gusskörper werden Einsätze aus Werkzeugstahl (Kap. 2.3). Abb. I-4: Werkstoffauswahl Ziehwerkzeuge für Stahlbleche bis R m > 500 N/mm² (Bildquelle: Schuler AG) 2.3 Werkzeugstähle Herstellung Ausgangsmaterial für Werkzeugstahl ist vorsortierter Schrott, der von Schrotthändlern und von der metallverarbeitenden Industrie bezogen wird. Dieser Qualitätsschrott wird in Elektrolichtbogen-Öfen bei Temperaturen um C geschmolzen. Die Schmelze wird dann in sogenannte Pfannen umgegossen, in denen weitere metallurgische Arbeit geschieht und die endgültige Legierung bestimmt wird. Die wesentlichsten Legierungselemente sind Vanadium, Chrom, Nickel, Wolfram, Kobalt und Molybdän. Bei Werkzeugstählen beträgt der Legierungsanteil im Schnitt 5 bis 15%, bei hochlegierten Sonderstählen bis zu 50%. Deshalb auch die Bezeichnung Edelstahl. Anschließend wird die Schmelze in Blöcke mit einem Gewicht von 0,6 bis 100 t gegossen (Abb. I- 5). Diese Blöcke werden dann in Walzwerken warmgewalzt oder mit Hochleistungs- Schmiedemaschinen geschmiedet. Dieses auch Dichtschmieden genannte Verfahren mit hohem Umformgrad führt zu einer Homogenisierung, einer Verfeinerung des Gefüges und zu einer gleichmäßigeren Verteilung nichtmetallischer oxydischer Einschlüsse und größerer Primärkarbide. 86

87 Abb. I-5: Blockguss bei der Herstellung von Werkzeugstahl (Bildquelle: Uddeholm Deutschland GmbH) Die Endprodukte reichen von großen Blöcken, Stäben und Profilen bis hin zu Drähten aus Werkzeugstahl, die deshalb als Langprodukte (im Gegensatz zu Flachprodukten) bezeichnet werden. Beim ESU (Elektro-Schlacke-Umschmelz) Verfahren taucht eine selbstverzehrende Elektrode in die widerstandserwärmte Schlacke. Die Elektrode schmilzt ab und durchläuft erneut die Schlacke, bis zur Wiedererstarrung in einer wassergekühlten Kokille. Hierbei findet eine intensive Reinigung der Stahltropfen statt, Seigerungen verringern sich durch die rasche Erstarrung. Dadurch verbessert sich der Verschleißwiderstand und nähert sich den Eigenschaften pulvermetallurgisch hergestellter Werkzeugstähle (Kap. 2.4) an (Abb. I-6). Abb. I-6: Verschleißwiderstand von Werkzeugstählen in Abhängigkeit vom Herstellverfahren (Bildquelle: Böhler Edelstahl GmbH & Co. KG) Varianten Im Gegensatz zu den oben dargestellten Gusseisenwerkstoffen erscheinen die heute am Markt verfügbaren, thermomechanisch vorbehandelten Stahlwerkstoffe vielfältiger. Dabei wird zunächst der Kohlenstoffgehalt schmelzmetallurgisch hergestellter Stähle in zwei großen Gruppen unterschieden: legierte und unlegierte Werkzeugstähle. Bei unlegierten Werkzeugstählen beträgt der Kohlenstoffanteil zwischen 0,5 und 1,5%, wobei die erreichbare Festigkeit tendenziell umso höher ist, je höher der Kohlenstoffgehalt des Werkzeugstahls ist. Unlegierte Werkzeugstähle sind jedoch nicht durchhärtbar und auch nicht für hohe Betriebstemperaturen geeignet, da ab ca. 200 C ein nennenswerter Festigkeitsabfall zu beobachten ist. Derartige Werkzeugwerkstoffe werden in der Regel für Schneid-, Zieh- und Biegewerkzeuge, welche keinen besonders hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, verwendet. Für höher beanspruchte Werkzeuge kommen üblicherweise legierte und hochlegierte Werkzeugstähle zum Einsatz, die durchhärtbar sind und einen möglichst geringen Wärmeverzug nach dem Härten aufweisen. Wichtige Legierungselemente stellen hierbei Chrom, Mangan, Molybdän, Nickel und Wolfram dar, die die Eigenschaften dieser Stähle im späteren Gebrauch im Wesentlichen prägen. Ein weiteres Kriterium der Einteilung schmelzmetallurgisch hergestellter Stahlwerkstoffe bildet der vorgesehene Einsatztemperaturbereich des Werkzeuges. Man unterscheidet hierbei zwischen Kalt-, Warm- und Schnellarbeitsstählen. Bei Kaltarbeitsstählen handelt es sich um Stähle, die bei hoher mechanischer Belastung in Kombination mit der Bearbeitung im Temperaturbereich bis zu 200 C eingesetzt werden können. Karbide erhöhen die Verschleißbeständigkeit von Kaltarbeitsstählen, senken aber gleichzeitig seine Zähigkeit. Warmarbeitsstähle sind legierte Werkzeugstähle für Verwendungszwecke, bei denen die Oberflächentemperatur des Werkzeugs im betrieblichen Einsatz C betragen darf. Neben Kohlenstoff können folgende Legierungselemente enthalten sein: Chrom, Wolfram, Silizium, Nickel, Molybdän, Mangan, Vanadium und Kobalt. Die Legierungselemente sind so aufeinander abgestimmt, dass die Warmarbeitsstähle neben einer ausreichenden Härte und Festigkeit auch eine hohe Warmfestigkeit, Warmhärte und einen hohen Verschleißwiderstand auch unter erhöhten Temperaturbedingungen aufweisen. Schnellarbeitsstahl HSS (High Speed Steel) bezeichnet eine Gruppe hochlegierter Werkzeugstähle mit bis zu 2 % Kohlenstoffgehalt und bis zu 30 % Anteil an Legierungselementen wie Kobalt, Wolfram, Molybdän, Nickel, Vanadium und Titan. Derartige Werkzeugstähle verfügen über einen höheren Verschleißwiderstand bei verbesserter Zähigkeit im Vergleich zu Kalt- und Warmarbeitsstählen. 87

88 Prinzipiell ist die Härtung des Werkzeugstahls abhängig vom C-Gehalt, der im -Eisen (Austenit) in Lösung gebracht wird. Die maximal mögliche Härte wird bei einem gelösten C-Gehalt von ca. 0,7 Gew.- % erreicht. Liegt mehr als 0,7 Gew.-% zwangsgelöster Kohlenstoff vor, wird die Martensitumwandlung (siehe Kap. I-3) behindert, es verbleiben Anteile an weichem Restaustenit (Abb. I- 7). Karbide erhöhen zwar aufgrund ihrer hohen Härte, die im Bereich HV liegt, den Verschleißwiderstand, die gelösten Elemente tragen aber nicht mehr zur Härtbarkeit bei. Auch wird durch eine Ausscheidung der spröden Karbide die Zähigkeit des Werkzeugwerkstoffes verringert. Diese Karbide werden auch als primäre Karbide bezeichnet, im Gegensatz zur Ausscheidung von Sonderkarbiden beim Sekundärhärten (s. Kap. 3.2). Abb. I-9 zeigt, wie mit zunehmender Karbidmenge und Karbidgröße die Zähigkeit des Kaltarbeitsstahls abnimmt. Abb. I-7: Restaustenit (Bildquelle: Dörrenberg Edelstahl GmbH) Legierte Werkzeugstähle sind ebenfalls anfällig für Restaustenit, weisen aber trotzdem im Vergleich zu unlegierten Werkzeugstählen eine wesentlich bessere Einhärtung auf. In Abb. I-8 wird dies am Beispiel des Einflusses des Legierungselementes Chrom auf die Einhärtung gezeigt. Der 5%-ige Chromstahl wird im Vergleich zum unlegierten Werkzeugstahl einen über den gesamten Querschnitt konstanten Härteverlauf auf. Abb. I-9: Einfluss der Karbide auf die Zähigkeit von Stählen gleicher Härte (Bildquelle: Dörrenberg Edelstahl GmbH) Durch eine geeignete Legierungszusammensetzung kann bei gleicher Härte die Karbidmenge und -größe reduziert werden (Abb. I-10). Das Karbidvolumen des Stahles X210Cr12 (1.2080) beträgt ca. 17 Vol.- %, das des Stahles X153CrMoV12 (1.2379) ca. 12 Vol.-%, das des Stahles CPOH ca. 9 Vol.-% und das der Stähle CP4M und WP7V liegt unterhalb 3 Vol.- %. 20 Abb. I-8: Einhärtung in Abhängigkeit vom Cr-Gehalt (Bildquelle: Dörrenberg Edelstahl GmbH) Neben diesen positiven Effekten beim Härteverhalten ist jedoch bei zunehmendem Gehalt an Kohlenstoff und Chrom ein weiterer Effekt zu beobachten. Es bilden sich aus der Schmelze zunehmend sogenannte Karbid-Ausscheidungen. Unter Karbiden versteht man eine Stoffgruppe binärer chemischer Verbindungen aus einem Element E und Kohlenstoff C mit der allgemeinen Formel E x C y. Abb. I-10: Gefügevergleich (Bildquelle: Dörrenberg Edelstahl GmbH) Durch den zunehmenden Einsatz von hoch- und höchstfesten Blechwerkstoffen wird neben einer ausreichenden Druckfestigkeit gleichzeitig eine hohe Zähigkeit der Werkzeugwerkstoffe gefordert. Hierzu wurden Sonderwerkzeugwerkstoffe mit einer optimalen Kombination aus Härte und Zähigkeit entwickelt. 20 Escher, C.: Werkzeugwerkstoffe im Werkzeugbau. Technische Akademie Esslingen, Lehrgang Wirtschaftlichkeit durch Einsatz leistungsstarker Werkzeuge,

89 Eine Besonderheit stellt die Anforderung an Werkzeugwerkstoffe beim Einsatz für Schneidwerkzeuge dar. Mit zunehmender Blechdicke müssen hier Werkzeugwerkstoffe mit abnehmender Einbauhärte eingesetzt werden. Die Zähigkeit der Werkzeugwerkstoffe ist bei dicken Blechwerkstoffen entscheidend, um Kantenausbrüche am Schneidstempel zu vermeiden. Auch unterliegt der Stempelwerkstoff einer tribologischen Beanspruchung beim Eindringen in den Blechwerkstoff und muss daher über einen ausreichenden Verschleißwiderstand (insbesondere Adhäsion und Abrasion) verfügen. Weiterhin treten beim Zurückziehen des Stempels durch Rückfederung des geschnittenen Bleches Zugkräfte im Stempel auf, die unter Umständen zum Abreißen des Stempels führen können. Für dünne Bleche werden daher eher karbidreiche bzw. harte Kaltarbeitsstähle eingesetzt, mit zunehmender Blechdicke dagegen eher zähe Kaltarbeitsstähle (Abb. I-11). Härte HRC Karbidreiche, harte Kaltarbeitsstähle Zähe Kaltarbeitsstähle Blechdicke in mm Abb. I-11: Anforderungen an Werkzeugwerkstoffe beim Schneiden Für Matrizen, welche einen hohen Verschleißwiderstand bei gleichzeitig ausreichender Druckfestigkeit aufweisen sollten, wird die Verwendung eines karbidreichen Werkzeugstahles mit einer Härte von mindestens 58 HRC empfohlen. Ähnliche Empfehlungen gelten für die Werkstoffauswahl bei Ziehstempeln, wobei hier die Werkzeugbeanspruchung normalerweise nicht so hoch ausfällt wie bei Matrizen. Bei Biege- und Prägewerkzeugen dagegen sollte in Abhängigkeit von der Blechdicke auf zähe Werkzeugwerkstoffe mit einer deutlich geringeren Härte von HRC zurückgegriffen werden. Werkzeug Ziehmatrize Ziehstempel Biegewerkzeug Prägewerkzeug Werkstoff Kurzbezeichnung X210CrW12 X155CrVMo12 X155CrVMo12 X100CrMoV5 90MnCrV8 X155CrVMo12 X100CrMoV5 X155CrVMo12 45NiCrMo16 Härte HRC HRC HRC HRC HRC HRC HRC HRC HRC Abb. I-12: Empfehlungen für die Auswahl von Kaltarbeitsstählen für Umformwerkzeuge (Bildquelle: Dörrenberg Edelstahl GmbH) In Abb. I-12 sind einige Einsatzbeispiele von Kaltarbeitsstählen für Werkzeuge der Blechumformung übersichtlich dargestellt. 2.4 Pulvermetallurgisch hergestellte Werkzeugstähle Eine technisch attraktive Alternative zu den oben genannten Stählen bilden pulvermetallurgisch hergestellte Werkzeugstähle mit besonderen Eigenschaften im Hinblick auf ihre Druck- und Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig hervorragenden Festigkeitseigenschaften. Mit dem Verfahren der Pulvermetallurgie werden kleine Stahlpartikel mit matrix- und festigkeitsbildenden Teilchen bei Raumtemperatur mechanisch vermengt und anschließend unter hohem Druck und gezielter Temperaturführung kompaktiert. Die mit diesem Verfahren hergestellten Stähle (PM- Stähle) weisen extrem feine Gefüge auf, die jedoch nicht eine vergleichbare Dichte von schmelzmetallurgisch hergestellten Stählen aufweisen. Aufgrund der geringen Karbidgröße verfügt der pulvermetallurgisch hergestellte Kaltarbeitsstahl bei gleicher Härte über eine relativ hohe Zähigkeit. PM-Werkstoffe lassen sich gut schleifen und führen bei einer Wärmebehandlung zu maßlich isotropen Änderungen des Werkzeugelements. Jedoch ist zu beachten, dass beim Schweißen solcher Werkstoffe z.b. im Rahmen von Änderungen oder Reparaturen des Werkzeugs die pulvermetallurgische Struktur im Schweißbereich in ein Gussgefüge mit deutlich schlechteren Eigenschaften umgewandelt wird. Pulvermetallurgisch hergestellte Werkzeugstähle werden durch den Zusatz PM gekennzeichnet (z.b PM). Darüber hinaus werden zahlreiche herstellerspezifische Bezeichnungen verwendet, wie z.b Vanadis, PMD, Vancron u.a.m. Nachteilig ist allerdings, dass bei Schweißungen zu Änderungs- und Reparaturzwecken die vorher aufwändig hergestellte pulvermetallurgische Struktur im geschweißten Bereich in eine Gussstruktur umgewandelt wird, die deutlich schlechtere Eigenschaften aufweist. 2.5 Hartmetalle Hartmetalle gehören den Verbundwerkstoffen an. Eingesetzt werden sie als Werkzeugwerkstoff für hoch- und höchstbeanspruchte Umformwerkzeuge, wobei aufgrund des hohen Preises möglichst nur kleine Werkzeugeinsätze verwendet werden. Die üblicherweise in Umformwerkzeugen eingesetzten gesinterten Karbidhartmetalle bestehen aus % Wolframkarbid (Verstärkungsphase) und 6-10 % Kobalt (Matrix, Bindemittel, Zähigkeitskomponente). Die Wolframkarbidkörner sind durchschnittlich etwa 0,5-1 µm groß. Kennzeichnend für die Hartmetalle sind 89

90 die sehr hohe Härte (insbesondere die hohe Warmhärte) und die ausgezeichnete Verschleißfestigkeit. Die Eigenschaften dieses Werkzeugwerkstoffes werden vornehmlich durch den Bindemittelanteil und die Korngröße der Karbide beeinflusst. Mit zunehmendem Bindemittelanteil steigt die Zähigkeit und die Verschleißfestigkeit nimmt ab. Ein feines Korn erhöht die Härte und damit die Verschleißfestigkeit, grobes Korn dagegen erhöht die Zähigkeit und damit die Schlagfestigkeit. 2.6 Wahl der Werkzeugwerkstoffe Dem Werkzeugkonstrukteur steht für die Ausführung der unterschiedlichen Serienwerkzeuge die beschriebene große Vielzahl verschiedener Werkzeugwerkstoffe zu Verfügung. Bei der Auswahl geeigneter Werkzeugwerkstoffe für das Werkzeuggrundgestell, für die spezifischen Aufbauten im Werkzeug und die Einsätze oder auch für zusätzliche bewegliche Elemente wie z.b. Schieber sind dabei im Vorfeld folgende prinzipielle Fragen zu klären: Welchen Belastungen hinsichtlich Druckfestigkeit, Verschleiß bzw. Zähigkeit wird das Werkzeug bzw. seine Komponente ausgesetzt sein? In diesem Zusammenhang spielen der Blechwerkstoff, die Blechdicke, der Temperaturbereich des Umformvorgangs, Art und Menge des Schmierstoffs usw. eine wichtige Rolle. Welche zu erwartenden Gesamtstückzahlen werden mit dem Werkzeug vermutlich gefertigt? Welche Qualität, insbesondere Oberflächenqualität der Blechformteile ist gefordert? Handelt es sich hierbei um Außenhautteile oder um Struktur- und Verstärkungskomponenten? Soll das Werkzeug als Monoblock oder in segmentierter Ausführung ausgelegt werden? Je größer die Werkzeugabmessungen sind, umso mehr muss auf eine spätere Randschichthärtbarkeit geachtet werden. Ist eine spätere Beschichtung des Werkzeugs geplant? Falls das Werkzeug später beschichtet werden soll, ist auf die Verwendung sekundärhärtender Werkstoffe zu achten. 3 Härten von Werkzeugen 3.1 Härten Abb. I-13 zeigt verschiedene Kristallstrukturen des Eisens, welche in Abhängigkeit der Temperatur und der Abkühlgeschwindigkeit auftreten. Bei Erwärmung wandelt sich der kubisch-raumzentrierte Ferrit in den kubisch-flächenzentrierten Austenit um. Abb. I-13: Kristallaufbau und -struktur des Eisens In Abb. I-14 wird gezeigt, wie sich bei Erwärmung der Ferrit in Austenit umwandelt, und sich beim Halten auf Austenittemperatur die Kohlenstoffatome in austenitischen Gitter lösen. Bei langsamer Abkühlung findet eine Umwandlung in das ursprüngliche ferritische kubisch-raumzentrierte Gitter statt- Abb. I-14: Einfluss der Geschwindigkeit der Temperaturänderung auf die Kristallstruktur des Eisens (Bildquelle: Dörrenberg Edelstahl GmbH) Bei sehr schneller Abkühlung des Austenits dagegen beginnt nach Unterschreitung der sogenannten Ms-Temperatur (Martensit-Start- Temperatur) die Gefügeumwandlung in Martensit. Hierbei findet zwar die Umwandlung des kubischflächenzentrierten Austenit in kubischraumzentrierten Ferrit statt, bei schneller Abkühlung reicht aber die Zeit für die Diffusion der Kohlenstoffatome nicht aus. Im kubischraumzentrierten Gitter des Ferrits können nur noch 0,02 % Kohlenstoff gelöst werden. Da im Austenit mehr Kohlenstoff gelöst war, führt die Gefügeumwandlung zu einer Verzerrung des kubisch-raumzentrierten Gitters. Es bildet sich ein tetragonal verzerrtes kubisch-raumzentriertes Gitter, dessen Verzerrung sich mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt verstärkt. 90

91 Die Umwandlung des Austenits in Martensit erfolgt in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehalts teilweise unvollständig, so dass das Gefüge nach einem schnellen Abkühlen (Abschrecken) aus dem Austenit-Gebiet neben Martensit noch Restaustenit enthält (Abb. I-7). Die erforderliche Abkühlgeschwindigkeit zur Bildung von Martensit kann den sogenannten ZTU- Schaubildern (ZTU: Zeit-Temperatur-Umwandlung) entnommen werden. Abb. I-15 zeigt beispielhaft ein derartiges Diagramm für einen Werkstoff mit 0,7% Kohlenstoff. nach dem Härten erneut auf Temperaturen >450 C, finden zwei Prozesse parallel statt: Der beim Härten entstandene tetragonale Martensit entspannt sich durch die Auslagerung von Kohlenstoff und geht in einen kubischen Martensit über. Dieser Teilvorgang führt für sich betrachtet zu einem Härteabfall. Gleichzeitig scheiden sich jedoch feinverteilte Sonderkarbide auf Basis der Legierungselement Cr, Mo und V aus. Dadurch werden zusätzliche harte Gefügebestandteile erzeugt. Beide Teilprozesse zusammen führen zum Sekundärhärtemaximum. Abb. I-17 zeigt hierzu den Vergleich von nichtsekundärhärtbaren und den Teilvorgängen eines sekundärhärtbaren Werkzeugwerkstoffes. Abb. I-15: ZTU-Diagramm 3.2 Anlassen In Abb. I-16 wird der gesamte Temperaturzyklus der Wärmebehandlung am Beispiel des Kaltarbeitsstahls gezeigt. Nach dem Härten folgt das Anlassen, auch Sekundärhärten genannt. Temperatur C geglüht Spannungsarmglühen Austenitisierungstemperatur Vorwärmstufen Härten gehärtet 1. Anlassen 2. Anlassen Anlassen je 1h/20 min. Anlassen 3. Anlassen Abb. I-16: Zeit-Temperaturfolge-Schaubild am Beispiel des legierten Kaltarbeitsstahl mit Sekundärhärte Voraussetzung für das Sekundärhärten sind die Legierungselemente Cr, V und Mo. Fehlen diese Elemente, z.b. bei den Kaltarbeitsstählen oder , so fallen die Härtewerte mit zunehmender Anlasstemperatur, was nicht erwünscht ist. Sekundärhärtbare Werkzeugwerkstoffe sind z.b oder Erwärmt man diese Werkstoffe Zeit Abb. I-17: Anlasskurven unterschiedlich legierter Stähle (Bildquelle: Stahl-Informations-Zentrum) Die Kombination von Härten und Anlassen wird bei den Wärmebehandlungsverfahren auch Vergüten genannt. 3.3 Verfahren zum Härten von Werkzeugen Bei den Härteverfahren, welche heute im Werkzeugbau Anwendung finden, unterscheidet man zwischen Durchhärtung/Einsatzhärtung und Randschichthärtung. Bei den Verfahren des Randschichthärtens haben das Flamm- und Induktionshärten die größte Bedeutung, die Laserstrahlhärtung als ein sehr modernes Verfahren findet in den letzten Jahren verstärkt Anwendung im Bereich der Werkzeugbehandlung (Stempelkanten, Matrizenkanten, Ziehsicken etc.). Bei der Laserhärtung (Abb. I-18) wird ein Laserstrahl auf die zu härtende Werkzeugoberfläche geleitet. Die Lichtenergie wird in Wärmeenergie umgewandelt, wobei die entstehende Wärme auch in tiefere Bereiche des Werkzeugs geleitet wird. Beim Induktionshärten (Abb. I-19) wird über eine Spule mit Wechselspannung im zu härtenden Werkstück ein Wirbelstrom erzeugt. Dadurch wird das Werkstück an der Oberfläche erwärmt. 91

92 Massive Werkstücke/Einsätze müssen nicht vom Grundkörper demontiert werden Großvolumige Werkstücke können eingesetzt werden Änderungskosten geringer Die Nachteile des Randschichthärtens sind: Geringere Eindringtiefe der Härte Einsatz von vergütetem Werkzeugstahl Bedingt geeignet für späteres Beschichten Verzunderung der Oberfläche Abb. I-18: Laserstrahlhärten (Bildquelle: ThyssenKrupp Drauz Nothelfer) Abb. I-19: Induktionshärten (Bildquelle: Tianjin Motor Dies Europe GmbH ) Das Flammhärten erfordert im Vergleich zu den beiden anderen genannten Härteverfahren nur geringe Investitionskosten und ist vergleichsweise einfach durchführbar. Dem gegenüber stehen die Nachteile, dass dieser Prozess nicht reproduzierbar durchführbar und keine Temperatursteuerung möglich ist. Eines der größten Vorteile der Randschichthärtung bilden die im Vergleich zur klassischen Durch- bzw. Einsatzhärtung wesentlich geringeren Maß- und Formänderung des Werkstücks. Insbesondere bei geometrisch sehr komplexen Bauteilen entstehen bei der Durchhärtung komplexe Eigenspannungszustände, welche sich teilweise durch Verzug wieder abbauen. Dies kann zu teilweise erheblicher Nacharbeit führen. In Abhängigkeit vom Werkzeugwerkstoff (Vergütungsstahl, Werkzeugstahl) werden für die verschiedenen Randschichthärteverfahren folgende Härtetiefen erreicht (Henke 2005): Laserhärtung: bis max. 2 mm Induktionshärtung: bis max. 4 mm Flammhärtung: bis max mm Die Verfahren des Randschichthärtens bieten folgende Vorteile: Werkstück erfährt nahezu keinen Verzug Geometrie kann im weichen Zustand fertig bearbeitet werden 4 Werkzeugbeschichtungen 4.1 Auflageschichten Die technischen Eigenschaften spanend erzeugter Wirkflächen von Werkzeugen weisen unter den mechanischen und / oder thermischen Bedingungen des Presswerkbetriebs oftmals nicht die benötigte Oberflächenhärte oder ein hinreichendes Verschleißverhalten auf. Daher werden solche Werkzeugkomponenten oder Einsätze entweder gehärtet oder beschichtet. Zum Aufbringen einer Hartstoffschicht werden bestimmte Anforderungen an den Grundwerkstoff gestellt. So muss er selbst zum einen vor dem Aufbringen der Hartstoffschicht eine ausreichende Härte und Druckfestigkeit aufweisen, um die sog. Stützwirkung für die aufzubringende Schutzschicht zu gewährleisten. Zum anderen sollte der Grundwerkstoff über eine Mindestzähigkeit verfügen, so dass keine partiellen Ablösungen der Hartstoffschicht vom Substrat im Falle lokaler mechanischer Belastung erwartet werden müssen. Beim häufig eingesetzten Titannitrid-Beschichten wird mittels Titan und Stickstoffverbindungen eine im PVD- (physical vapour deposition)- oder CVD- (chemical vapour deposition) Verfahren erzeugte Hartstoffschicht auf der betreffenden Oberfläche aufgebracht. Bei beiden Verfahren wird der Beschichtungswerkstoff aus der Dampfphase auf der Werkstückoberfläche abgeschieden. Abb. I-20: PVD-Verfahren (Bildquelle: Fraunhofer IST) 92

93 Beim PVD-Verfahren (Abb. I-20) wird der Beschichtungswerkstoff über die physikalischen Vorgänge des Verdampfens im Hochvakuum in die Dampfphase überführt und anschließend auf dem vorbereiteten Substrat kondensiert. Die dabei erzeugten Schichtdicken auf den Umformwerkzeugen bewegen sich zwischen 1 µm und maximal 10 µm bei Mehrlagenschichten (Multilayer). Die Verfahrenstemperatur von ca. 500 C im PVD-Verfahren lässt dabei keinen großen Abfall der Grundhärte der Basiswerkstoffe und einen nur geringen Verzug des Werkstücks erwarten. Beim CVD-Verfahren (Abb. I-21) handelt es sich um die Abscheidung von Feststoffen aus der Gasphase bei Prozesstemperaturen bis zu C, wobei die Gasphase im Gegensatz zu den PVD-Verfahren auf chemischem Weg erzeugt wird. Man macht sich dabei zunutze, dass flüchtige Verbindungen unter Zuführung von Wärme chemisch reagieren und als Schicht kondensieren. Abb. I-21: CVD-Verfahren (Bildquelle: Fraunhofer IST) Neben Titannitrid (TiN) werden im Werkzeugbau u. a. TiC, TiC-TiN (Beispiel Abb. I-22), TiAlN, TiCN als auch CrN-Beschichtungen eingesetzt. Abb. I-23: Verschleißschutzkonzepte für hoch- und höchstbeanspruchte Umformwerkzeuge (Bildquelle: Oerlikon Balzers AG 4.2 Reaktionsschichten Das häufig eingesetzte Nitrieren zählt zu den thermochemischen Prozessen, bei denen die chemische Zusammensetzung der Randschicht verändert wird. Dies erfolgt hier durch das Eindiffundieren atomaren Stickstoffes (oder auch Kohlenstoff) in die Oberfläche der Stahllegierung. Die Prozesstemperatur liegt zwischen C. Durch den Diffusionsprozess entsteht eine harte Oberfläche, die zum Kern hin weicher (und stickstoffärmer) wird. Die Behandlungszeiten liegen zwischen 1 bis 100 Stunden. Grundsätzlich sind alle Stähle nitrierbar. An der Werkstückoberfläche bildet sich durch Eindiffusion von Stickstoff oder Kohlenstoff in das Werkstück eine sehr harte oberflächliche Verbindungsschicht (ε- und γ'-eisennitride), die je nach Behandlungszeit (10 30) µm dick werden kann und mehr oder weniger stark ausgeprägte Porensäume an der Oberfläche aufweist, die man wiederum als Träger von zum Beispiel Gleitmitteln verwenden kann. Unter der Verbindungsschicht befindet sich die Diffusionszone, in der der Stickstoff bis zu einer bestimmten Tiefe in der ferritischen Metallmatrix eingelagert ist (Abb. I-24). Abb. I-22: Werkzeug für A-Säule, CVD-TiCTiN beschichtet (Bildquelle: Oerlikon Balzers VST GmbH & Co. KG) Abb. I-23 zeigt in einer Übersicht den Einsatzfall verschiedener Beschichtungsverfahren für Umformwerkzeuge. Abb. I-24: Mikroskopische Aufnahme Nitrierschicht (Bildquelle: Uddeholm Deutschland GmbH Gängige Verfahren sind das Salzbadnitrieren, Gasnitrieren und Plasmanitrieren. Beim Salzbadnitrieren ist durch das teilweise Eintauchen der Werkstücke ein partielles Nitrieren möglich. 93

94 K Schneidwerkzeuge 1 Einteilung Schneidwerkzeuge können nach drei unterschiedlichen Kriterien klassifiziert werden: Einteilung nach den Schneidverfahren: Normalschneiden Feinschneiden Konterschneiden Nibbeln Rotationsschneiden Längsteilen Querteilen Einteilung nach dem Fertigungsablauf: Einverfahrenschneidwerkzeug: Einzelwerkzeug mit einer Schneidoperation Folgeschneidwerkzeug: Mehrere Schneidstufen in einem mehrstufigen Werkzeug Gesamtschneidwerkzeug: Mehrere Schneidoperationen in eine Stufe integriert Folgeverbundwerkzeug: Mehrere Schneid- und Umformoperationen in einem mehrstufigen Werkzeug Gesamtverbundwerkzeug: Mehrere Schneid- und Umformoperationen in eine Stufe integriert Einteilung nach dem konstruktiven Aufbau: Ohne Führung Plattenführung Säulenführung (Abb. K-1) 2 Großwerkzeuge 2.1 Bauarten Folgende Bauarten lassen sich unterscheiden: Plattenbauweise Gussbauweise Gemischte Bauweise. Die Festlegung der Bauart erfolgt hauptsächlich anhand der Presse, in die das Werkzeug eingebaut werden soll. Die Plattenbauweise ist zwar meist kostengünstiger, jedoch ist zu berücksichtigen, dass die Ableitung des Abfalls über Rutschen eine Mindest-Bauhöhe erfordert, was mit einer Plattenbauweise meist schwer zu realisieren ist. Gussbauweise: Für großflächige Blechteile werden Schneidwerkzeuge hauptsächlich in Gussbauweise ausgeführt (Abb. K-2). Derartige Schneidwerkzeuge können an die Einbaumaße der Presse angepasst werden, die erforderliche Bauhöhe kann realisiert werden, und die Abfallableitung in die vorhandenen Abfallschächte der Presse ist problemlos möglich. Auch bei Schneidwerkzeugen müssen Mindest- Gussquerschnitte eingehalten werden (Abb. K-3). Abb. K-2: Aufbau Schneidwerkzeug in Gussbauweise (Bildquelle: FTI Forming Technologies Inc.) Abb. K-1: Schneidwerkzeug mit Säulenführung (Bildquelle: Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel ) Die folgenden Ausführungen behandeln Schneidwerkzeuge zum Schneiden von großflächigen Blechteilen (Einverfahren- Schneidwerkzeug) sowie Folgeverbund- bzw. Transferwerkzeuge. Abb. K-3: Mindestgussquerschnitte (Bildquelle: FTI Forming Technologies Inc.) Als Gusswerkstoff werden je nach Belastung die herkömmlichen Gusswerkstoffe eingesetzt, bei hohen Belastungen bzw. bei bruchempfindlichen Werkzeugteilen kommen auch Stahlgussqualitäten zum Einsatz. 94

95 Plattenbauweise: Eingesetzt werden Stahlplatten aus beispielsweise den Werkstoffen St 37 (1.0114) oder St 42 (1.0132). Führungselemente wie Säulen, Führungs- und Säulenlager sowie Aufhänger und Transportelemente werden als Normteile beschafft. Die Plattenbauweise wird hauptsächlich für Platinenschneidwerkzeuge gewählt. Gemischte Bauweise: Diese Ausführung wird vielfach bei großen Folgeverbundwerkzeugen gewählt. Das Gussunterteil kann an die Einlaufhöhe des Coils und an die erforderlichen Bauhöhen der Abfallabführung angepasst werden. Die einzelnen Stufen sind in Modulbauweise aufgebaut und werden an ein Stahlplattenoberteil geschraubt. Die Führung erfolgt über aufgeschraubte Säulenlager. 2.2 Aufbau Schneidstempel Monoblock Bauweise. Für geringe Stückzahlen und weiche Blechqualitäten kann diese Bauweise gewählt werden, d.h. der gesamte Stempel wird in einem oder mehreren großen Stücken nach dem Vollformgießverfahren aus Werkzeugstahl gegossen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass bestimmte Werkzeugwerkstoffe nur bis zu einem Maximalgewicht gegossen werden können. Die Fertigung ist billiger, man muss jedoch beim Vergüten darauf achten, dass bei sehr großen Stempeln mit einem Härteverzug zu rechnen ist. Eine evtl. Laserhärtung ist dem Flammhärten vorzuziehen. Segmentierte Bauweise. Bei hohen Stückzahlen und großen Anforderungen an die Oberflächenqualität des Teiles ist es vorteilhaft, vollflächige Graugussstempel einzusetzen, welche mit hochwertigen Werkzeugstahlleisten armiert sind. Die Länge der Einsätze wird so gewählt, dass eine optimale Vergütung und Oberflächenbehandlung möglich ist (Abb. K-4). Abb. K-4: Segmentierung Schneidstempel Bei größeren Werkzeugen kommen in der Regel geteilte Matrizen zum Einsatz. Diese werden aus hochlegiertem Werkzeugstahl im Vollformgießverfahren hergestellt. Bei ebenen Schneidgeometrien kann auch lagerhaltiges Walzmaterial verwendet werden. Die Schneidmesser werden nach dem Vergüten am Boden abgerichtet, verschraubt und verstiftet. Bei zu erwartendem Schub müssen die Schneidelemente geschultert oder eingepasst werden. Bei höherfesten Materialien ist dies zwingend notwendig. 2.4 Abschneid- und Ausklinkstempel Diese Stempel werden zum Trennen des Abfalls in bestimmten Längen vorgesehen, damit diese in den vorgesehen Abfallschächten abgeführt werden können. Die Lage und Position der Trennmesser muss jedoch auch die Teilegeometrie berücksichtigen, d.h. der Abfall muss sicher fallen. Die überlappende Schneidgeometrie führt jedoch bei Außenhautteilen zu Oberflächenbeschädigungen. Um diese zu vermeiden werden Ausklinkungen vorgesehen, welche an den Trennstellen positioniert sind und ca. 1,5 mm tiefer als der zu schneidende Umriss einschneiden. Die Abfalltrennung erfolgt durch Überschnitt. Diese Ausführung muss jedoch methodisch abgesichert sein, da in der Regel eine zusätzliche Operation notwendig wird (Abb. K-5). Abb. K-5: Ausklinkstempel zur Abfalltrennung Lochstempel sind Normteile und werden als Normalien beschafft. Eine Eigenfertigung ist immer teurer. Es gibt verschiedene Ausführungsformen. Durchmesserabstufungen und Längen sind nach DIN genormt (DIN 9861, VDI 3373). Spezialschneidstempel für hochgenaue Werkzeuge und sehr hohen Hubzahlen können der DIN 9844 entnommen werden. Formstempel werden in der Regel aus passenden Normstempeln angeschliffen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei Stempel und Lochbuchse eine Verdrehsicherung zwingend erforderlich ist Aufbau Matrizen 21 Text Kap und Kap (teilweise) übernommen aus: Haller, G.: Aufbau von Umform- und Schneidwerkzeugen für Großwerkzeuge unter Beachtung der Werkzeugwerkstoffe, VDI-Seminar Juli 2003, Stuttgart. 95

96 2.5 Methode Bei der Entwicklung der Methode (siehe Kap. C-2) ist bereits frühzeitig das spätere Beschneiden der Bauteile incl. der Ableitung der Blechabfälle zu berücksichtigen. Beim direkten Beschnitt wird die Flanschauslage so konstruiert, dass der Beschneidewinkel bei Stahl kleiner als 15 Grad, bei Aluminium kleiner als 3 Grad ist (Abb. K-6). Ist ein direkter Beschnitt oder die Ausführung einer Beschneidebank aus geometrischen Gründen nicht möglich, so muss der Beschnitt durch Schieber (siehe Kapitel E-4.2) erfolgen. Liegt die Beschneidekante nicht im Bereich der Ankonstruktion, sondern auf dem Ziehstempel, so ist bei oberflächenrelevanten Blechformteilen ein Mindestabstand zum Radiusansatzpunkt einzuhalten. In Abb. K-8 bedeuten: A bis 10 mm Ziehtiefe B von 10 bis 20 mm Ziehtiefe 1 Mindestlänge bis zum Radiusansatzpunkt, 2 Ziehstempel, 3 Beschneidekante, 4 Blechhaltering, 5 Ziehmatrize, 6 Ziehteil 3 3 Abb. K-6: Flanschauslage für direkten Beschnitt (Bildquelle: FTI Forming Technologies Inc.) Je nach Bauteilgeometrie kann auch eine sogenannte Beschneidebank innerhalb der Ankonstruktion entwickelt werden (Abb. K-7). Auf eine ausreichende Breite der Beschneidebank, insbesondere bei großen Ziehtiefen, ist aus Gründen der Festigkeit der Schneidstempel, die nicht zu schmal ausgeführt sein dürfen, zu achten Abb. K-8: Beschneidekante liegt auf Ziehstempel (Bildquelle: 1000 Konstruktionsbeispiele Werkzeugbau, Hanser Verlag) Abb. K-7: Beschneidebank (Bildquelle: FTI Forming Technologies Inc.) 96

97 L Nachformwerkzeuge 22 1 Nachformbereiche Wie bereits bei der Festlegung der Ziehlage dargestellt, ist ein Nachformen immer dann zwingend erforderlich, wenn kleinere oder größere Bauteilbereiche bei der gewählten Ziehlage in Bezug zur Arbeitsrichtung des Stößels hinterschnittig sind. Weiterhin kann ein Nachformen von Bauteilbereichen erforderlich sein, wenn sich die gewünschte Geometrie zwar werkzeugtechnisch darstellen ließe (Erreichbarkeit der Formbereiche durch Werkzeugelemente gegeben), die damit verbundenen Formänderungen aber zu einem Versagen führten (z. B. Reißerbildung an kleinen Bauteilradien). Darüber hinaus kann ein Nachformen sinnvoll sein, wenn sich dadurch der Materialeinsatz oder der werkzeugtechnische Aufwand an anderer Stelle reduzieren lässt. Ein Beispiel ist die Vermeidung von Beschneideschiebern durch ausgelegte Bauteilbereiche, die im Nachgang abzukanten sind. Schließlich wird ein Nachformen häufig angewendet, um Bauteilbereiche maßlich zu kalibrieren (Nachschlagen). 2 Nachformmethode Chronologisch gesehen entsteht das Methodenkonzept in Bezug auf das Nachformen mehr oder weniger gleichzeitig mit dem für das Ziehen und das Beschneiden. So legt der Methodenplaner bereits im Rahmen der Vorabmethode zum ersten Mal fest, welche Bauteilbereiche nachgeformt werden müssen und welche sich bereits in der Ziehstufe fertigstellen lassen. Im Rahmen der Konzeptmethode werden die diesbezüglichen Vorstellungen konkretisiert und feingeplant. Nur wenn der Methodenplaner zu Beginn seiner Arbeit eine mehr oder weniger konkrete Vorstellung zu sinnvollen oder notwendigen Nachformoperationen hat, ist er überhaupt in der Lage, eine vorläufige Ziehlage zu definieren. Das Gleiche gilt für die Blechhaltergestaltung. Die Entscheidung, ob Bauteilbereiche zum Ziehen ausgelegt oder direkt fertiggezogen werden, wirkt sich maßgeblich auf die Gestaltung des Blechhalters und die daraus resultierende Ziehtiefe aus. Ebenso kann auch die Beschneidemethode nur in Kenntnis der mit der Beschneidemethode eng verknüpften Nachformmethode entwickelt werden. Wirkrichtung: Grundsätzlich wird der Methodenplaner bestrebt sein, das Bauteil auf der Nachformpresse so einzuschwenken, dass der werkzeugtechnische Aufwand gerade im Hinblick auf Schieber möglichst gering wird. Dieser ergibt sich aus der Schieberanzahl und der Schieberkomplexität. Je mehr Pressen bzw. Arbeitsstationen für das Nachformen genutzt werden können, desto größer ist der diesbezügliche Spielraum. Neben der Anzahl zur Verfügung stehender Arbeitsstationen muss darüber hinaus abgesichert werden, dass die gewählten Arbeitslagen durch die Mechanisierungseinrichtung darstellbar sind. Weiterhin wird im Rahmen der Festlegung der Nachformrichtung eine Entscheidung darüber getroffen, ob die formgebenden Werkzeugelemente mit Backenluft aneinander vorbei streifen sollen oder ob diese am Ende der Nachformung mit dem Nachformbereich des Werkstücks auf Block gefahren werden. Abb. L-1: Beispiele Nachformbereiche an verschiedenen Karosserieteilen (Bildquelle: Birkert et. al.) 22 Kap. L teilweise übernommen aus: Birkert, A.; Haage, S.; Straub, M.: Umformtechnische Herstellung komplexer Karosserieteile. Springer Verlag, 2014, ISBN Abb. L-2: Nachformvarianten beim Klappen um gerade Biegekanten: vorbeistreifend und auf Block (Bildquelle: Birkert et. al.) 97

98 Eine Vielzahl von Bauteilen in der Karosserie ist jedoch so beschaffen, dass in mehreren Bauteilbereichen nachgeformt werden muss und sich diese Bereiche in Bezug auf die optimale Teillage in der Presse gegenseitig beeinflussen. Kann bei solchen Teilen keine für alle oder mehrere Bereiche passende Nachformlage gefunden werden, so ist das Nachformen entweder auf mehrere Arbeitsstationen zu verteilen oder es sind entsprechend komplexe Schieber einzusetzen (Abb. L-3). Abb. L-3: Gegenseitige Beeinflussung verschiedener Nachformbereiche im Hinblick auf die Festlegung einer geeigneten Nachformlage (Bildquelle: Birkert et. al.) In Bezug auf die Nachformposition in der Tischebene ist zu erwähnen, dass das Werkzeug gegebenenfalls außermittig auf dem Pressentisch positioniert werden muss, um für eventuell erforderliche Schieber den entsprechenden Einbauraum zur Verfügung zu stellen. Dieser Sachverhalt muss bei der Durchlaufplanung berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass die beabsichtigte Teillage durch das Mechanisierungssystem darstellbar ist. Ebenso sind die Platzverhältnisse auf der Presse zu berücksichtigen. Dort, wo der Methodenplaner eine Kollisionsgefahr zwischen Werkzeug und Presse erkennt, ist diese in Zusammenarbeit mit dem Werkzeugkonstrukteur zu überprüfen. Im ungünstigsten Fall ist die Methode nochmals anzupassen. Bei Nachformprozessen, bei denen die Werkzeugwirkrichtung in Stößelarbeitsrichtung verläuft, kommen zwei grundsätzliche Nachformrichtungen in Frage, nämlich die in Stößelrichtung und die entgegen derselben (Abb. L-4). Abb. L-4: Abhängigkeit der Stabilität der Bauteillage beim Nachformen von der Wirkrichtung der Formwerkzeuge am Beispiel eines Heckdeckel-Innenteils (Bildquelle: Birkert et. al.) Soll dagegen auf Block nachgeformt werden, besteht bezüglich der Schieberrichtung ein entsprechender Gestaltungsspielraum. Dieser Fall ist in Abb. L-5 dargestellt. Das Beispiel zeigt den Scheibenauflageflansch im Bereich der A-Säule eines Seitenwandrahmens. Im speziellen Beispiel scheidet ein vorbeistreifendes Nachformen aus, weil die betreffende Fläche im Fahrzeug nicht durch eine Abdeckleiste (z. B. Chromleiste) verdeckt wird und damit eine Sichtfläche darstellt. Diese muss frei von Riefen und Anhiebkanten sein, was beim Vorbeistreifen beides nicht der Fall ist. Was den Schieberwinkel betrifft, ist dieser beim Nachformen auf Block so auszuführen, dass die zu erzeugenden Sicht- und Funktionsflächen in bestmöglicher Qualität abgebildet werden. Wird mit Niederhalter im Flanschbereich umgeformt, ist der diesbezügliche Gestaltungsspielraum recht groß und die Bedeutung der Winkelstellung entsprechend gering. Beim Nachformen ohne Niederhalter dagegen liefern Schieberwinkel nahe dem eines vorbeistreifenden Schiebers aufgrund der geringen frei überspannten Flanschlänge meist die besten Ergebnisse. Der Schieberwinkel ist dann soweit zu vergrößern, dass die Anhiebkante nicht mehr im Sichtbereich liegt. Abb. L-5: Einschränkung der Schieberrichtung beim Nachformen auf Block am Beispiel des Scheibenauflageflansches einer A-Säule (Bildquelle: Birkert et. al.) 3 Werkzeugkonstruktion 3.1 Werkzeugaufbau Nachformoperationen erfolgen häufig zusammen mit Schneidoperationen innerhalb einer Operationsstufe. Der Grundaufbau von Nachformwerkzeugen entspricht in Bezug auf die grundsätzliche Aufteilung von Grundgestell, Wirkbereichen und -einsätzen sowie Anbauteilen/Hilfselementen dem von Ziehund Schneidwerkzeugen. Innerhalb des Nachformens kommen sowohl Biege- als auch Nachschlag-/ Kalibrierverfahren zur Anwendung. In Abb. L-6 ist ein kombiniertes Schneid- und Nachformwerkzeug aus dem Seitenrahmen- Stufensatz (OP40) im Schnitt dargestellt, wobei im betreffenden Funktionsschnitt nur eine Nachformoperation dargestellt ist. Da die Nachformoperation, hier das Abstellen des Bords im Bereich Radlauf hinten, durch einen Biegevorgang in Stößelrichtung erfolgt, ist hierfür kein Schieber erforderlich. Wie auch beim Schneiden wird dem Reaktionsmoment mit einem Niederhalter entgegengewirkt. 98

99 Abb. L-6: Nachformwerkzeug zum ziehenden Abkantbiegen, Formrichtung=Stößelrichtung (Bildquelle: Birkert et. al.) In Abb. L-7 ist ein kombiniertes Schneid- und Nachformwerkzeug aus dem Seitenrahmen- Stufensatz (OP50) im Schnitt dargestellt. In Abb. L-8 ist die OP60 dargestellt, wobei hier Nachformoperationen sowohl in Stößel- als auch in Querrichtung stattfinden. Abb. L-7: Nachformwerkzeug zum Formen des Hinterschnitts im Dachanschlussbereich mit Füll- und Arbeitsschieber, Formrichtung Stößelrichtung (Bildquelle: Birkert et. al.) Je nach Lage und Orientierung der am Werkstück zu erzeugenden Formbereiche kommen ebenso wie beim Schneiden Schieber zum Einsatz. Während beim Schneiden allein schon aufgrund der Notwendigkeit der Abfallabführung von oben nach unten geschnitten wird, bestehen beim Nachformen zur Erzeugung einer Abkantung grundsätzlich zwei Möglichkeiten der kinematischen Werkzeugauslegung. So kann beim Abkanten das Werkstück festgehalten und der Formbacken an diesem vorbei geführt werden, Abb. L-9 links. Alternativ dazu können auch die Formbacken fest im Unterwerkzeug montiert sein. Die Relativbewegung zwischen Werkstück und Formbacken wird dann dadurch ermöglicht, dass das gesamte Werkstück auf einer gefederten Teilaufnahme (Federboden) aufgenommen wird. Der Federboden stützt sich dabei entweder auf Federn oder auf dem Ziehkissen ab, Abb. L-9 Mitte. In beiden Beispielen erfolgt die Abkantung relativ zum Werkstück von unten nach oben, weshalb in diesem Zusammenhang auch von Hochstellen gesprochen wird. Wird nach unten abgekantet, so spricht man auch von Abstellen. Weiterhin ist die Kombination aus beiden Varianten, nämlich die Realisierung einer sogenannten Lauffunktion sowohl im Unter- als auch im Oberwerkzeug möglich. Diese Ausführung kommt zustande, wenn in einer Stufe sowohl ab- als auch hochgestellt werden soll. Die Niederhalter- bzw. Federbodenfunktionen sind dann kräftemäßig so aufeinander abzustimmen, dass die Reihenfolge der Umformung klar definiert ist. Die einfachste Variante stellt schließlich das Nachformen mit ausschließlich starren Werkzeugelementen dar, Abb. L-9 rechts. Diese Anwendung ist beim Abkanten auf solche Fälle beschränkt, in denen das Biegemoment keine unzulässig große Verformung des Werkstücks bewirkt. Abb. L-8: Nachformwerkzeug zum Formen des Heckdeckel-Anschlussbereichs und der Abkantung im Radlauf (Bildquelle: Birkert et. al.) Bezüglich der Gestaltung der Formflächen an den Formaufsätzen und am Niederhalter gelten die in Bezug auf Schneidwerkzeuge bereits getätigten Ausführungen. Ähnlich wie Schneideinsätze sind Formeinsätze häufig hohen Belastungen ausgesetzt. Insofern werden diese in den meisten Fällen ebenfalls aus randschicht- oder durchgehärtetem Stahlguss oder aus durchgehärtetem Werkzeugstahl ausgeführt. Dabei werden die Formeinsätze meist mit Abstimmplatten unterlegt, um die Position der Formbacken im Werkzeug vor allem im Rahmen maßlicher Korrekturarbeiten einfach und zügig verändern zu können. Abb. L-9: Kinematische Auslegung von Nachformwerkzeugen (Bildquelle: Birkert et. al.) 3.2 Einsatz von Schiebern Der konstruktive Aufbau von Schiebern wurde bereits in Kap. E-4.2 beschrieben. Abb. L-10 zeigt den Bewegungsablauf eines Werkzeugschiebers. 99

100 Abb. L-12: Einbaubeispiel Gasdruckfeder (Bildquelle: Fibro GmbH) 4 Beispiele Abb. L-13 und L-14 zeigen beispielhaft zwei konstruktive Ausführungen von Nachformwerkzeugen mit Werkzeugschiebern. Abb. L-10: Schiebereinheit mit Federrückholung und Zwangsrückholung (Bildquelle: Birkert et. al.) Arbeitsschieber zeichnen sich dadurch aus, dass sie während des eigentlichen Arbeitsgangs bewegt werden. Füllschieber kommen dann zum Einsatz, wenn sich das per Schieber umgeformte Bauteil infolge ungünstiger Geometriesituation nicht mehr aus dem Werkzeug entnehmen lässt (Abb. L-11). Abb. L-13: Nachformwerkzeug Türinnenblech (Bildquelle: Gessler und Weinmann) Abb. L-11: Nachformwerkzeug mit Drehfüllschieber (Bildquelle: Birkert et. al.) Alternativ zu Werkzeugschiebern können auch Stickstoffzylinder (vgl. Kap. E-4.3) oder sogenannte Geber-Nehmer-Systeme (vgl. Kap. N-2.9) eingesetzt werden. Abb. L-12 zeigt ein Einbaubeispiel eines Werkzeugschiebers in Kombination mit einem Stickstoffzylinder zur Umformung der Wasserrinne eines Vorderkotflügels (1). Die Ziehmatrize (2) muss in der hinteren Position verriegelt werden, um eine Verformung des Werkstücks zu verhindern. In diesem Fall wurde das Problem durch den Einsatz des gesteuerten Gasdruckfedersystems gelöst. Das System besteht aus drei Gasdruckfedern, die an eine Gasdruckfeder (passive Gasdruckfeder) angeschlossen sind. Abb. L-14: Nachformwerkzeug Beplankung Motorhaube, Untertein mit Schieber (Bildquelle: Gessler und Weinmann) 100

101 M Biege- und Falzwerkzeuge 1 Biege- und Falzwerkzeuge Falzen gehört zu den Verfahren des Fügens durch Umformen und stellt eine wichtige Fügetechnik im Rohbau dar. Neben Anbauteilen wie Türen, Frontund Heckklappen werden auch Schiebedächer und weitere Teile prozesssicher gefalzt (Abb. M-1). Zum weiteren Falzen nach dem Abkanten müssen im Werkzeug entweder Schieber eingesetzt werden, oder es erfolgt die Weiterverarbeitung in Tabletop- Vorrichtungen (Kap. 2). Werden Werkzeuge mit Schiebern eingesetzt, so muss darauf geachtet werden, dass aufgrund der auftretenden Hinterschneidungen das vorgefalzte Bauteil aus dem Werkzeug wieder entnommen werden kann. Abb. M-4 zeigt eine derartige Prozessfolge, hervorgehoben ist der letzte Prozessschritt. Es ist deutlich sichtbar, dass zur Entnahme des Bauteils ein Zurückziehen beider Schieberteile erforderlich ist. Abb. M-1: Anwendungen Falzen (Bildquelle: Daimler AG) Prinzipiell unterscheidet man das Biegen und Falzen im Presswerkzeug, das Tabletop-Falzen (Kap. 2) und das Rollfalzen (Kap. 3). Abb. M-2 zeigt den Unterschied des herkömmlichen Falzens zum Rollfalzen. Abb. M-4: Einsatz von Schiebern (Bildquelle: FTI Forming Technologies Inc.) Eine besondere Herausforderung stellt das Falzen von Eckbereichen dar. Hier ist die Falzlänge zurückzunehmen (Abb. M-5 links), ansonsten tritt Faltenbildung aufgrund des Materialüberschusses auf (Abb. M-5 rechts). Abb. M-2: Falzverfahren (Bildquelle: IFU) Abb. M-3 zeigt den Aufbau eines Werkzeuges zum Abkanten bzw. 90 -Biegen. Derartige Werkzeuge sind als Großwerkzeuge wiederum als Gussstruktur ausgeführt, mit je nach umzuformendem Werkstoff Einsätzen aus höherfesten Werkzeugstählen. Abb. M-3: Abkantwerkzeug (Bildquelle: Schuler, Handbuch der Umformtechnik) Abb.M-5: Eckengestaltung (Bildquelle: ESI Group) Weiterhin ist an allen Falz- und Biegekanten der sogenannte Falzverlust zu beachten (Abb. M-6) und bereits bei der Entwicklung der Methode zu berücksichtigen. Durch den Falzverlust wird beispielsweise das sichtbare Spaltmaß zwischen Vorder- und Hintertür und somit das optische Erscheinungsbild eines Fahrzeugs beeinflusst. 101

102 Vorfalzwinkel Falzverlust (FV) Fertigfalzverlust (FFV) Vorfalzverlust (VFV) Messebene 2 Messebene 1 Bezugsebene (ideale Abkantgeometrie) Abb. M-5: Definition Falzverlust (Bildquelle: Daimler AG) 2 Biege- und Falzvorrichtungen Spezielle Vorrichtungen zum Falzen, d.h. Verbinden von beispielsweise Innen- mit Außenteilen, werden als sogenannte Tabletop Vorrichtungen (Abb. M-6) bzw. das Verfahren als Tabletop-Falzen bezeichnet. Dieses Verfahren findet Einsatz bei mittleren und höheren Stückzahlen, Taktzeiten bis zu 15 Sekunden sind hiermit möglich. Alle im Karosseriebau üblicherweise eingesetzten Werkstoffe, vom hochfesten Stahl bis zum Aluminium, können prozesssicher gefalzt werden. Abb. M-6: Tabletop-Falzvorrichtung (Bildquelle: ThyssenKrupp Drauz Nothelfer GmbH) Das Tabletop-Falzen bietet folgende Vorteile: Eine optimale Bauteilqualität ist durch das Prinzip des geschlossenen Ringes gewährleistet, dies entspricht dem Falzen im Presswerkzeug. Der Antrieb der Tabletop-Falzvorrichtung erfolgt kompakthydraulisch oder elektromechanisch. Auch komplizierteste Bauteilgeometrien sind in einer Vorrichtung falzbar, Flanschwinkel von bis 150 sind in Teilbereichen realisierbar. Es besteht eine optimale Zugänglichkeit zum Beund Entladen durch ein eigenes Niederhalterkonzept. Rollfalzen (oder Rollbördeln ). Der Begriff Rollfalzen (engl.: roller hemming, roll hemming oder auch robot hemming ) wird erstmals in einer japanischen Patentschrift von 1985 aufgeführt. Nach dem Tiefziehen und Beschneiden wird der Flansch des Außenteils konventionell durch ein bauteilspezifisches Abkantwerkzeug um 90 gebogen. Daran anschließend wird das Außenteil zusammen mit dem zu fügenden Innenteil auf das Falzbett gesetzt (Abb. M-7 links). Beide Teile werden mit einer Spanneinheit auf diesem Falzbett fixiert, wodurch ein Verrutschen der Bauteile vermieden wird. Das Rollfalzen wird heute in der Regel in drei Prozessschritten durchgeführt (Abb. M-7). Unterteilt wird der Prozess in zwei Vorfalzschritte und den letzten Schritt des Fertigfalzens. Beplankungsteil 90 Innenteil Vorfalzen I Vorfalzen II Fertigfalzen Abb. M-7: Verfahrensschritte beim Rollfalzen (Bildquelle: Daimler AG) Im ersten Vorfalzschritt wird der Flansch um einen Winkel von 30 inkrementell umgeformt, im zweiten Schritt dann um weitere 30. Der abschließende Fertigfalzschritt schließt die Fügeverbindung. Die aufzubringende Kraft während des Fertigfalzens liegt je nach verwendetem Blechwerkstoff und eingesetzter Blechdicke im Bereich von bis N. Während des Vorfalzens liegt die Kraft im Bereich von 300 bis 600 N. Je nach Betrag des anfänglichen Öffnungswinkels zwischen aufgestelltem Flansch und Außenteil beinhaltet der Rollfalzprozess zusätzliche Vorfalzschritte. Weiterhin ist je nach Randbedingungen auch ein einmaliges Vorfalzen mit 45 möglich, so dass die Taktzeit herabgesetzt werden kann. 3 Rollfalzen Ein zu Beginn der 80er entwickeltes Verfahren zur Herstellung von Falzverbindungen ist das Abb. M-8: Rollfalzen kleiner Stückzahlen (Bildquelle: Audi AG) 102

103 Ein Problem beim Rollfalzen stellt die eingeschränkte kollisionsfreie Zugänglichkeit der zu falzenden Bauteilbereiche aufgrund der Spanntechnik dar. Je nach geforderter Stückzahl und der damit zusammenhängenden Taktzeit sind in der Regel zwei unterschiedliche Konzepte in der Produktion anzutreffen: Bei der ersten Variante besteht die Rollfalzeinrichtung aus einem Drehtisch und einer Spanntechnik, deren einzelne Spannelemente so programmiert sind, dass sich diese kurz vor einer Kollision mit der Falzrolle gezielt lösen und durch ein Zurückschwenken den Arbeitsraum für den Falzkopf frei geben. Der Drehtisch dreht sich dann um 90 weiter, um die nächste zu fügende Bauteilseite in den Arbeitsbereich des Roboters zu bringen. Bei dieser Variante wird nur ein Roboter benötigt, was sich positiv auf die Investitionskosten auswirkt. Der Nachteil liegt in der hohen Taktzeit, so dass sich diese Variante eher für Klein- und Vorserien eignet. Alternativ hierzu können mehrere Falzstationen verwendet werden. An der ersten Station werden nur zwei Seiten des Bauteils gleichzeitig von zwei Robotern gefalzt, während ein dritter Roboter mittels Niederhalter eine fixierende Spannung auf die Bauteile ausübt. Der Niederhalter ist dabei so ausgelegt, dass die zu falzenden Seiten durch die Falzköpfe kollisionsfrei erreicht werden können. Nach dem Fertigfalzschritt dieser beiden Bauteilseiten werden Innen- und Außenteil an eine weitere Falzstation übergeben, wo die verbliebenen noch geöffneten Bauteilseiten vor- und fertiggefalzt werden. Der Vorteil liegt hier in einer verkürzten Taktzeit, nachteilig jedoch ist ein erhöhtes Investitionsvolumen, da zwei Falzstationen und zusätzliche Roboter benötigt werden. Der prinzipielle Vorteil von Rollfalzanlagen ist der geringere Investitionsbedarf im Vergleich zu bauteilspezifischen Falzwerkzeugen. Diese sind von der Geometrie des Bauteils abhängig und lassen sich nicht für beliebige Geometrien weiterverwenden. Es werden innerhalb des Rollfalzprozesses neben einem konventionellen Industrieroboter nur ein geometriespezifisches Falzbett und eine Spannvorrichtung benötigt. Bauteilspezifische Vor- und Fertigfalzbacken sind bei dieser Prozessvariante nicht erforderlich. Darüber hinaus können die Roboter nach Beendigung der Fertigung eines Bauteils für das Fügen weiterer Blechformteile anderer Geometrien wiederverwendet werden oder für abweichende Aufgaben innerhalb der Fertigung eingesetzt werden. Durch die vergleichsweise einfache Modifikation der Roboterprogrammierung ist es relativ schnell möglich, direkt Einfluss auf den Prozess und das Prozessergebnis zu nehmen. Bei konventionellen Falzanlagen dagegen sind bei Änderungen teilweise sehr aufwändige Bearbeitungen der Werkzeugelemente erforderlich. Der große Nachteil des Rollfalzens ist die vergleichsweise hohe Taktzeit, so dass dieses Verfahren meist nur für kleine und mittlere Stückzahlen Verwendung findet. 4 Herstellung von Prototypen Bei der Fertigung von Prototypteilen wird nur ein Prototypwerkzeug für die Ziehstufe aufgebaut (siehe Abschnitt D). Das Beschneiden der gezogenen Blechformeile erfolgt beispielsweise mit einem Laser, für das weitere Biegen stehen spezielle universelle Falzeinrichtungen zur Verfügung. Hierbei handelt es sich um universell einsetzbare Falzzangen, die entweder rein von Hand, oder auch hydraulisch oder pneumatisch unterstützt den Falz inkrementell ausformen (Abb. M-9). Abb. M-9: Mobile Falzzange (Bildquelle: Eckold GmbH & Co. KG) 103

104 N Folge- und Transferwerkzeuge 1 Folgeverbund- und Transferwerkzeuge 1.1 Klassifizierung Folgeverbund- und Transferwerkzeugen ist gemeinsam, dass nicht einzelne Platinen eingelegt und von Stufe zu Stufe weitertransportiert werden, sondern dass das Bauteil in Folgestufen aus einem Band oder Streifen schrittweise hergestellt wird. Bei Folgeverbundwerkzeugen ist das Blechteil mit dem Stanzgitter verbunden, der Teiletransport erfolgt über das Stanzgitter und der Vorschub des Streifens entspricht dem Teileabstand (Abb. N-1). Erst in der letzten Stufe wird das Fertigteil vom Streifen getrennt. Abb. N-1: Prinzipskizze Folgeverbundwerkzeug (Bildquelle: Erdrich Umformtechnik GmbH & Co. KG) Bei Transferwerkzeugen dagegen wird das Blechteil bereits in der ersten Stufe komplett vom Coil getrennt, der Vorschub erfolgt mit einem Transfersystem (Abb. N-2). Zusatzfunktionen, wie z.b. Gewindeformen, Schweißen, Montageoperationen können in das Werkzeug integriert werden Es besteht die Möglichkeit zur Kombination von einem Folgeverbund- mit einem nachfolgenden Transferwerkzeug. Als Vorteile sind zu nennen: Das Zusammenlegen mehrerer Arbeitsgänge in ein einziges Werkzeug, sofern dies von den geometrischen Abmessungen her möglich ist, führt zu spezifischen Vor- und Nachteilen, die jeweils in der Konzeptionsphase des Werkzeugs individuell wirtschaftlich bewertet werden müssen: Die Werkzeugkosten eines Folgeverbund- Werkzeugsatzes sind in der Regel niedriger als bei Einzelwerkzeugen, auch wenn komplizierte Teile hergestellt werden sollen. Die benötigten Umformmaschinen können wirtschaftlicher ausgenützt werden; Rüst- und Stückzeiten können ebenfalls relativ niedrig gehalten werden. Eine Arbeitskraft kann gleichzeitig mehrere Pressen überwachen, wenn diese mit einer entsprechenden Automatisierung ausgestattet sind. Die Durchlaufzeiten der Pressaufträge im Betrieb können kurz gehalten werden; Kosten für den Transport, Zwischenkontrollen, Terminüberwachung und Auftragsorganisation können ebenfalls anteilig eingespart werden. Nachteilig ist, dass bei Änderung der Werkstückgeometrie meist das gesamte Werkzeug oder wesentliche Komponenten davon unbrauchbar werden und in einem solchen Fall relativ hohe Instandhaltungskosten bzw. lange Ausfallzeiten des Werkzeuges entstehen. 1.2 Aufbau Folgeverbundwerkzeuge Abb. N-2: Prinzipskizze Folgeverbundwerkzeug (Bildquelle: Erdrich Umformtechnik GmbH & Co. KG) Sowohl Folgeverbund- als auch Transferwerkzeuge haben folgende gemeinsame Eigenschaften: Die Teilefertigung erfolgt direkt vom Coil. Die Zuführung des Blechwerkstoffes in das Umformwerkzeug erfolgt mittels Band- und Richtanlage. Je nach Prozessauslegung können pro Hub einzelne oder auch mehrere Teile gefertigt werden, d.h. einfach und mehrfach fallend. Säulengestell Druckplatte Stempelhalterplatte Führungs- und Abstreiferplatte Aktivteile Streifenführung Schneidplatte Seitenschneider mit Vorschubabfrage Abb. N-3: Prinzipieller Aufbau eines Folgeverbundwerkzeuges (Bildquelle: Erdrich Umformtechnik GmbH & Co. KG) Bei Folgeverbundwerkzeugen spricht man auch oft von Stanzwerkzeugen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass der Begriff Stanzen nicht synonym mit Schneiden verwendet werden sollte, da 104

105 Stanzen Fertigungsverfahren aus unterschiedlichen Hauptgruppen umfasst (z.b. Biegen). Bei der Konstruktion von Folgeverbundwerkzeugen wird zunächst aus der Geometrie des Fertigteils das sogenannte Streifengitter (Abb. N-4) entwickelt. Hierbei handelt es sich um die Festlegung der Reihenfolge und Platzbedarfe der einzelnen Umform- und Schneidoperationen (Stempel, Matrizeneinsätze, Schieber, Führungen, Gewinde usw.). Sobald die Stufenfolge festliegt, beginnt die Detailkonstruktion der einzelnen Umform- und Schneidstufen unter Berücksichtigung der Randbedingungen wie Presseneinbauraum, der zur Verfügung stehenden Presskraft, der geforderten Ausbringung des Werkzeuges uvm. Grat an Trennstelle (Überschnitt) Steg Sucherbohrungen für Zentrierung Ausklinkung für Vorschubabfrage Nachteilig bei Folgeverbundwerkzeugen ist, dass durch das Trennen des Bauteils vom Blechstreifen in der letzten Stufe ein sogenannter Überschnitt entsteht (Abb. N-6). Abb. N-6: Überschnitt (Bildquelle: Erdrich Umformtechnik GmbH & Co. KG) Verbundwerkzeuge zur Großserienfertigung werden vielfach in Modulbauweise ausgeführt. In den einzelnen Modulen sind einzelne Umform- oder Schneidstufen aus Gründen der Austauschbarkeit oder im Hinblick auf eine bessere Instandhaltung zusammengefasst. Im Falle des Auftretens von Werkzeugverschleiß wird das entsprechende Modul ausgebaut, instandgesetzt oder ggf. durch eine Reserveeinheit ersetzt. Abb. N-4: Streifenaufbau bei einem Folgeverbundwerkzeug (Bildquelle: Erdrich Umformtechnik GmbH & Co. KG) Die zuvor berechnete Streifenbreite wird soweit freigeschnitten bzw. reduziert, dass der Werkstofffluss einerseits zwar möglich ist, aber andererseits die Ronde noch durch Stege im Streifen zum Weitertransport gehalten werden kann. Abb. N-5 verdeutlicht dies am Beispiel eines rotationssymmetrischen Napfes. Tiefziehteil Flanschbeschnitt Abb. N-6: Folgeverbundwerkzeug mit Streifengitter (Bildquelle: AWEBA Werkzeugbau GmbH) Ronde Streifengitter Abb. N-5: Freischneiden eines zylindrischen Napfes (als Ronde, rechts im Ziehflansch) (Bildquelle: Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbh) Folgeverbundwerkzeuge bestehen teilweise aus über 30 Stufen bzw. Einzeloperationen. In den Schneidstufen wirken die einzelnen Schneidstempel für das Freischneiden, Einschneiden oder Lochen. Weiterhin kommen Biege-, Zieh- und Prägestempel zum Einsatz. Die letzte Stufe beinhaltet stets eine Trennfunktion, bei der das Werkstück vom Streifengitter getrennt wird. 1.3 Aufbau Transferwerkzeuge Abb. N-7 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Transferwerkzeugs. Als Vorteile von Transferwerkzeuge können genannt werden: Geringerer Materialverbrauch Nach jedem Hub wird in jeder Stufe kontrolliert, ob das Teil zum Transport bereit ist. Querschieberfunktionen in alle Richtungen sind möglich. Ein Tausch oder das Zuführen weiterer Arbeitsschritte oder Änderungen an der 105

106 Teilegeometrie sind mit geringem Aufwand möglich. Das Material kann beim Ziehen ungehindert fließen. Teilevarianten können mit Wechselwerkzeugen hergestellt werden. Bei Verkleinerung der Platine kann die Materialeinsparung sofort umgesetzt werden Die Höhenabstimmung jeder einzelnen Stufe ist möglich. Platinenschnitt Werkzeugstufen Leerstufe Greiferschiene Das Gesamtziehverhältnis ges für eine Werkzeugfolge basiert auf dem Erstzug, charakterisiert durch 0, und kumuliert sich dann durch n Weiterzüge multiplikativ zu:... ges 0 1 n Die maximal zulässigen Ziehverhältnisse der einzelnen Stufen des Weiterziehens sind dabei vom Ziehverhältnis des Erstzuges abhängig. Je näher im Erstzug das Grenzziehverhältnis erreicht wird, desto geringer sind die maximal zulässigen Ziehverhältnisse in den nachfolgenden Weiterzügen. Die folgende Tabelle zeigt für mehrere Blechwerkstoffe die maximal erreichbaren Ziehverhältnisse im Erst- und Weiterzug, jeweils mit oder ohne Zwischenglühung. Ziehwerkstoff Zugfestigkeit in N/mm² erreichbares Zeihverhältnis 1. Weiterzug β2 Erstzug ohne mit β1 Zwischenglühen Aufspannplatte Greiferschienenauflage Greiferschiene Unlegierte Stähle DC01 DC03 Legierter Stahl X15CrNiSi ,8 2,0 2,0 1,2 1,3 1,2 1,6 1,7 1,8 Abb. N-7: Aufbau eines Transferwerkzeugs (Bildquelle: Erdrich Umformtechnik GmbH & Co. KG) Möglich ist auch die Kombination eines Folgeverbundwerkzeuges mit einem Transferwerkzeug (Abb. N-8) Kupferlegierungen CuZn28 CuZn37 Kupferbleche Cu95,5 Leichtmetallblech ENAW-Al99,8 ENAW-AlMg1 Ti99, ,1 2,0 1,9 1,95 2,05 1,9 1,3 1,3 1,4 1,4 1,4-1,8 1,7 1,8 1,8 1,9 1,7 Folgeverbund- und Transferwerkzeug mit der Greiferschiene Abb. N-8: Kombination Folgeverbund- und Transferwerkzeug (Bildquelle: Erdrich Umformtechnik GmbH & Co. KG) 1.4 Festlegung Stufen Beim Tiefziehen ist das Ziehverhältnis aufgrund der maximal in die Umformzone übertragbaren Tiefziehkraft begrenzt. Charakterisiert wird diese werkstoffabhängige Verfahrensgrenze durch das Grenzziehverhältnis. Blechformteile, die ein höheres Ziehverhältnis aufweisen, müssen daher in mehreren Zügen hergestellt werden. Evtl. sind daher zwischen den einzelnen Umformstufen einzelne oder auch mehrere Glühoperationen erforderlich, um die erzeugte Versetzungsdichte wieder zu reduzieren. Ohne Zwischenglühung summiert sich die Kaltverfestigung der einzelnen Stufen und das Grenzziehverhältnis der jeweils folgenden Umformstufe sinkt. Abb. N-9: Erreichbare Ziehverhältnisse für verschiedene Blechwerkstoffe und NE- Metalle Die Festlegung der einzelnen Stufen eines rotationssymmetrischen Ziehteils kann wie beschrieben über die Wahl der einzelnen Ziehverhältnisse erfolgen. Bei komplexeren Teilen ändert sich dagegen oftmals zusätzlich noch die geometrische Form der einzelnen Zwischenstufen, um in optimaler Stufenfolge die gewünschte Endform des Werkstücks herzustellen. So erhält man beispielsweise bei konischen, quadratischen oder rechteckförmigen Bauteilgeometrien erst in den letzten Stufen die endgültige Form, während die vorangegangenen Zwischenstufen noch kreisrund oder elliptisch ausgeführt werden. Anhang 1 zeigt beispielhaft einige Stufenfolgen zur Herstellung rotationssymmetrischer, quadratischer und rechteckförmiger Blechteile. Mit der Festlegung des Platinenzuschnitts und der Form der Platine werden beim Tiefziehen die Spannungsverhältnisse im Flanschbereich beziehungsweise in der Umformzone beeinflusst. So werden beispielsweise durch eine lokale Vergrößerung der Platine sowohl die lokale Reibungskraft und damit die Rückhaltekraft im Bereich der Blechhaltung, als auch die in den Eckbereichen im Flansch wirkenden tangentialen Druckspannungen erhöht. Neben der Beeinflussung der Spannungen wird durch eine Platinenvergrößerung auch der Abfallanteil eines Ziehteils erhöht, was im Zusammenhang mit dem 106

107 Materialkostenanteil des Werkstücks zu sehen ist. Eine Zusammenstellung der Zuschnittsformen für häufig vorkommende, teilweise mit Geometrieelementen zusammengesetzte Werkstückformen zeigt Anhang 2. 2 Bauelemente In diesem Kapitel werden typische Bauelemente bzw. Standardelemente beschrieben, wie sie in Großwerkzeugen oder Folgeverbund- bzw. Transferwerkzeugen eingesetzt werden. 2.1 Streifenführung Abb. N-10 zeigt verschiedene Möglichkeiten der Streifenführung in einem Folgeverbundwerkzeug. werden, und der Hub der Maschine freigegeben werden. 2.3 Teileheber Zum Hochbringen des Teiles, damit es von Hand oder mit einem Roboter oder anderem Transfersystem dem Werkzeug für einen Weitertransport entnommen werden kann, müssen Teileheber im Werkzeug eingebaut werden, welche gesteuert die Teile auf ihre exakte Hebeposition bringen. Kleine in die Schneidstempel eingeschraubte Abdrückstifte (Normteil) verhindern ein Ankleben durch einen Ölfilm und erleichtern ein Heben des Teiles. Bei Folgeverbundwerkzeugen werden hierzu spezielle Streifenheber eingesetzt (Abb. N-12). Zwischenlagen Führungsleisten Führungspilze Druckstück Abb. N-10: Ausführungen Streifenführung (Bildquelle: Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel) Zusätzlich unterstützt wird die exakte Positionierung des Streifens durch Suchstifte. Hierzu müssen im Blechstreifen an Stellen, die später im Abfallbereich liegen, bereits in der ersten Stufe die zugehörigen Löcher eingebracht werden (Abb. N-11). Abb. N-11: links: Suchstifte (Bildquelle: Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel); rechts: Streifen mit Löcher für Suchstifte (Bildquelle: Diersmann) 2.2 Lagekontrolle des Teiles Eine gute immer gleiche Lage des Teiles bei Großwerkzeugen ist für eine gleichbleibende Qualität der Teile zwingend notwendig. Meistens genügt die Aufnahme in der Form, wobei zu beachten ist, dass das Teil nicht schwimmt. Sollte eine Formaufnahme nicht ausreichend sein, müssen zusätzliche Zentrierungen vorgesehen werden. Mit Annäherungsfühler kann die Lage kontrolliert Abb. N-12: Streifenheber (Bildquelle: WH Zwickau) 2.4 Führungselemente Wegen der notwendigen Führungsgenauigkeit im Hinblick auf einen genauen Schneidspalt werden Schneidwerkzeuge fast ausschließlich mit Säulenführungen ausgeführt. Da die Führungen insbesondere älterer Maschinen teilweise nicht ausreichend, müssen zusätzlich Stollenführungen vorgesehen werden. Kostengründe und bessere Führungen moderner Maschinen führten zum Konzept, nur noch Säulen einzubauen. Um die zu erwartenden Schubkräfte aufnehmen zu können müssen äußerst stabile Säulen vorgesehen werden. Die daraus resultierenden hohen Gewichte der Säulen führten zu Problemen mit dem Handling. Dies führte wiederum zu hohlen Ausführungen, welche die Kosteneinsparungen durch Wegfall der Stollenführung etwas reduzierten. Da im Karosseriebau kaum Teilegeometrien ohne Schub auf die Werkzeuge vorkommen, und die Werkzeuge selten so konstruiert werden können, dass der Druckmittelpunkt von Werkzeug und Stößel korrespondieren, muss oftmals trotzdem eine Stollenführung verwendet werden oder zumindest im Gusskörper vorgesehen werden. 107

108 Ob die Säulen im Unterteil oder Oberteil positioniert werden, ist ausschließlich von der Konzeption der Maschine und Bauart der Werkzeuge abhängig. Vollautomatisierte Werkzeugsätze werden im Hinblick auf den notwendigen Freiraum zum Transport der Teile mit Säulen im Oberteil ausgeführt (Abb. N-13). Dabei sind unbedingt die Freigängigkeitskurven für einen kollisionsfreien Transport der Teile zu beachten. Abb. N-15: Schneidplattendurchbrüche (Bildquelle: Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel) Abb. N-13: Ausführungen Säulenführung (Bildquelle: Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel) Zum Einsatz kommen kalt eingeschrumpfte Säulen (ca. -80 C) bei entsprechenden Toleranzen der Passungen. DIN 9858, DIN 9834 alt und die VDI- Richtlinie Nr.3356 geben Hinweise über Bauart und Abmessungen. Als Material für die Säulenbuchsen wird vorzugsweise eine Spezialbronze mit eingelagerten Graphiteinschlüssen für Notlaufeigenschaften verwendet (Abb. N-14). Für eine Fertigung mit geringen Stückzahlen können auch Buchsen aus Polyamid eingesetzt werden. Die Buchsen werden mit Klammern (DIN 9832) gegen Herausziehen gesichert. Abb. N-16: Schneidbuchsen (Bildquelle: Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel) Bei Lochungen werden genormte Buchsen verschiedener Bauart verwendet (DIN 9845, Abb. N- 16). Glatte Buchsen können ohne Demontage des Werkzeuges in der Presse ausgetauscht werden, müssen jedoch gegen Herausziehen gesichert sein. Diese Sicherung wirkt gleichseitig auch als Verdrehsicherung. Abb. N-14: Führungselemente (Bildquelle: Fibro GmbH) 2.5 Schneidplatten und -buchsen Bei Schneidplattendurchbrüchen unterscheidet man verschiedene Ausführungen gemäß Abb. N Schnellwechselsysteme Es kommen vorzugsweise folgende Ausführungen zum Einsatz: Schneidstempel Schneidbuchsen Aufnahmeplatten. Sie ermöglichen den Wechsel in der Presse und reduzieren die Stillstandzeiten im Presswerk. Die Stempel und Buchsen werden in genormten Aufnahmeplatten mittels einer Kugel gehalten. Der Kugelsitz ist gegen Verdrehung ausreichend gesichert und eine Verdrehsicherung kann entfallen. Zum Auswechseln ist es jedoch notwendig, dass der Niederhalter einen abschraubbaren Einsatz erhält, 108

109 damit die Kugel mit einem entsprechenden Stift zurückgedrückt werden kann. 2.7 Abfallentfernung Der Butzenkanal muss sehr sorgfältig ausgeführt werden. Hindernde Absätze in der Abführung führen unvermeidlich zu Werkzeugbruch (Abb. N-17). Die Entsorgung kann in Abfallkästen erfolgen, rohrförmige Kanäle sind meistens wegen des geringen Gewichtes der Butzen nicht möglich. Linearförderer arbeiten nach dem Prinzip der Geschwindigkeitsdifferenz durch unterschiedliche Oberflächenreibwerte. Dabei werden die unterschiedlichen Vor- und Rückbeschleunigungswerte dazu genutzt, um Teile auf einer Blechrinne zu transportieren. Im Vorhub wird der Transportschlitten maximal beschleunigt, so dass die Oberflächenreibung überwunden wird und die Transportrinne unter dem Teil weg gleitet. Im gedrosselten Rückhub, der durch Rückzugsfedern des Transportschlittens erfolgt, wird das Teil über die nunmehr wirksame Oberflächenreibung von Teiloberfläche zu Transportrinnenoberfläche um die Hublänge mitgezogen. Je nach eingestellter Hubfrequenz ändert sich dabei die realisierbare Transportgeschwindigkeit. 2.8 Hubbegrenzung und Blechhaltersicherung Distanzstücke (Aufschlagstücke): Distanzen zur Festlegung des unteren Totpunktes UT müssen möglichst in allen Werkzeugen zur Hubbegrenzung der Maschine eingebaut werden (Abb. N-19). Ringförmige Distanzen können insbesondere bei Schneidwerkzeugen über die Säulen gestülpt werden. Abb. N-17: Ausführung Butzenkanal (Bildquelle: Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel) Bei großen Abfällen und schweren Lochbutzen (D = 30 mm) erfolgt die Ableitung über Rutschen (Abb. N- 18). Die Neigung sollte ca aufweisen, und diese bestimmt dann auch wiederum die Bauhöhe des Werkzeuges. Abb. N-18: Abfallableitung über Rutschen (Bildquelle: LBBZ GmbH) Sind diese Neigungen konstruktiv nicht möglich, müssen Rollenleisten Magnetförderbänder oder Linearförderer (Schüttelrutschen), verwendet werden. Abb. N-19: Aufschlagstück (Bildquelle: Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel) Ansatzbuchsen nach VDI 3364: In den großen Werkzeugen kommen ähnlich wie in den Kleinwerkzeugen, welche Ansatzschrauben verwenden, sog. Ansatzbuchsen zur Hubbegrenzung des Niederhalters zum Einsatz. Steckbolzen VDI 3365: Steckbolzen nach Form A dienen zur Sicherung des Niederhalters im Werkzeug, sofern keine andere Sicherung vorgesehen ist, und außerdem zur Hubbegrenzung. Mit Steckbolzen nach Form B kann der Niederhalter zusätzlich gegen Eigengewicht, Kissenkraft oder Federkraft zurückgehalten werden, um evtl. Nachund Reparaturarbeiten durchführen zu können. Das typische Spannelement bei kleineren Werkzeugen ist der Einspannzapfen (Abb. N-20). Er sitzt im Druckmittelpunkt des Werkzeuges und des Stößels. Ein Kippen des Werkzeuges und Beschädigung des Werkzeuges kann damit vermieden werden. 109

110 Abb. N-20: Einspannzapfen (Bildquelle: Fibro GmbH) Bei Großwerkzeugen liegt der Druckmittelpunkt meist außerhalb der Stößelmitte. Moderne Maschinen sind deshalb mit einer Kippungskompensation ausgestattet. Bei älteren Maschinen kann eine Kippung mit Druckausgleichsbolzen verbessert werden. Die Bolzen arbeiten außerhalb des Werkzeuges zwischen Kissen im Tisch und Stößel. Die exakte Positionierung des Werkzeuges in der Presse kann über Einziehhilfen erfolgen. Die genaue Position ist zwingend notwendig beim Einsatz von Bolzen im Tisch (Hochheber - Auswerfer) und evtl. im Stößel (Niederhalterposition). Moderne Pressen, Pressenstraßen und Großteilstufenpressen sind in der Regel mit Schiebetischen ausgestattet, um die Rüstzeiten zu minimieren. Dies ermöglicht ein exaktes Aufsetzten der Werkzeuge nach Mittenmarkierung oder genauer nach Einrichtebolzen. 2.9 Geber-Nehmer-Systeme Das Geber-Nehmer-System ist eine ideale Komponente, um lineare Bewegungen frei im Raum ausführen zu können. Im Werkzeugbau wird das System zum Antrieb von Zieh-, Form-, Schneid- und Lochoperationen verwendet (Abb. N-21). Dies erfolgt dann, wenn aus Platz- oder Lagegründen herkömmliche Schieber nicht eingesetzt werden können. Abb. N-21: Einsatz eines Geber-Nehmer-Systems in einem Lochwerkzeug (Bildquelle: Fibro GmbH) Die Arbeitsbewegung erfolgt durch den sogenannten Nehmer (Arbeitszylinder), dessen Installation frei im Raum wählbar ist. Angetrieben wird dieser Nehmer durch einen Geber (Antriebszylinder), der z.b. durch eine Presse aktiviert wird. Als Bindeglied dient eine Hydraulikleitung, in der das Ölvolumen des Gebers zum Nehmer verdrängt wird (Abb. N-22). Antriebszylinder (Geber) Öl Stickstoff Arbeitszylinder (Nehmer) Abb. N-22: Aufbau Geber-Nehmer-System (Bildquelle: Fibro GmbH) 110

111 O Warmumformung 1 Prozess 1.1 Einsatzgebiete Vor dem Hintergrund ständig steigender Auflagen zur CO 2 -Reduktion und knapper werdender Energieressourcen werden die Anforderungen an den Leichtbau bewegter Massen, insbesondere den von Kraftfahrzeugen weiter steigen. Neben dem Fertigungs-, Konzept- und Formleichtbau besteht die Möglichkeit der Gewichtsreduktion durch den Stoffleichtbau. Durch den Einsatz von höherfesten Leichtbauwerkstoffen, die nicht notwendigerweise auf Aluminium oder Magnesium begrenzt sind, lässt sich die Blechdicke von Einzelkomponenten reduzieren und damit deren Gewicht senken. Die heutigen Anforderungen an die Crashsicherheit von Karosseriestrukturen machen die Kombination unterschiedlicher Leichtbaustrategien jedoch recht komplex. Beim Einsatz hochfester Stahlblechgüten für Karosseriekomponenten können beide Anforderungen, d.h. reduzierte Blechdicken bei gleichzeitig erhöhtem Energieaufnahmevermögen und relativ hohen Festigkeitskennwerten erfüllt werden. Neben dem Einsatz hochfester Blechgüten, die konventionell kalt umgeformt werden, führt insbesondere die Warmumformung presshärtbarer Stähle zu extrem hochfesten Blechformteilen für crashrelevante Anwendungen in der Karosseriestruktur. Die Warmumformung borlegierter Blechwerkstoffe (auch Presshärten genannt) lässt sich in das direkte und in das indirekte Verfahren unterteilen. Den Ausgangspunkt des direkten Verfahrens bilden Formplatinen während beim indirekten Verfahren bereits mittels Kaltumformung vor- bzw. fertig geformte Bauteile zum Einsatz kommen. Die für die Warmumformung eingesetzten Werkstoffe müssen über eine sehr gute Härtbarkeit verfügen. Diese Anforderungen erfüllen sog. Mangan-/Bor-Stähle, die zur Gruppe der martensitaushärtbaren Stähle gehören. Der Prozess der Warmumformung beginnt mit der Erwärmung des Ausgangsmaterials auf Temperaturen von C unter vollständiger Austenitisierung des Platinenvolumens. Abhängig von Blechdicke und Beschichtungssystem beträgt die Ofenverweilzeit dabei 4-10 Minuten. Die Abschreckung und damit die martensitische Transformation erfolgt je nach Verfahrensvariante unmittelbar nach der Umformung bzw. dem Schließen des gekühlten Werkzeugs. Die Blechformteile werden dabei auf Temperaturen von ca. 150 C abgeschreckt und verfügen danach über Zugfestigkeiten von bis zu MPa. 1.2 Verfahrensbeschreibung Direktes Verfahren Beim direkten Verfahren des Presshärtens werden die zugeschnittenen Formplatinen in einem Ofen auf Temperaturen von C (Haltetemperatur AC 3 ) erwärmt (Abb. O-1). Bei diesen hohen Temperaturen verfügt der Werkstoff über eine sehr gute Umformbarkeit. Nach vollständiger Austenitisierung wird die wärmebehandelte Platine mittels einer Transfereinheit in das gekühlte Umformwerkzeug in möglichst kurzer Zykluszeit eingelegt und umgeformt. Nach Erreichen der geforderten Ziehtiefe erfolgt eine gezielte Abkühlung des umgeformten Blechteils unter Beibehaltung der Presskraft während einer vom Blechwerkstoff und der Blechdicke abhängigen Haltezeit direkt im Werkzeug (Abb. O-2). Coil Coil Platine Ofen Platinenzuschnitt Roboter Kühlung Abb. O-1: Direktes Verfahren des Presshärtens Indirektes Verfahren Presse Bei der indirekten Warmumformung (Abb. O-2) werden die Bauteile zunächst kalt in einem konventionellen Ziehwerkzeug umgeformt und beschnitten. Die Bandbreite reicht hierbei vom Herstellen einer Vorform mit Vorbeschnitt (zu 80-95% fertig) bis hin zur Fertigform mit Fertigbeschnitt (zu 100% fertig), bei letzterem wird die Ausdehnung bei der Erwärmung über eine Skalierung der Kaltteile kompensiert. Die vor- bzw. fertig geformten Blechteile werden in einem Ofen austenitisiert, in ein Warmumform- bzw. Kühlwerkzeug eingelegt und anschließend fertig geformt bzw. kalibriert und gehärtet. Coil Platine Ofen Presse Roboter Kühlung Abb. O-2: Indirektes Verfahren des Presshärtens Presse 111

112 Mit dieser Vorgehensweise können im Vergleich zum direkten Verfahren komplexere Bauteilgeometrien realisiert werden, da sich der Materialfluss während der Kaltumformung, z.b. durch Ziehsicken, deutlich besser kontrollieren lässt und wiederholgenauer ist. Nachteilig bei beiden Verfahren des Presshärtens ist der erhöhte Fertigungsaufwand für den Härteprozess durch das gekühlte Warmumformbzw. Härtewerkzeug, und die gegenüber der Kaltumformung relativ hohe Zykluszeit für das Härten des Werkstücks und Abkühlen bis auf ca. 150 C. Ein weiterer Nachteil beim direkten Verfahren ist der im Vergleich zur Kaltumformung hohe abrasiv und thermisch bedingte Werkzeugverschleiß, was zusätzliche Kosten für die Werkzeuginstandhaltung verursacht. Das indirekte Verfahren weist hier Vorteile auf, da keine bzw. nur wenig Relativbewegung zwischen dem heißen Blech und dem Werkzeug stattfindet, was sich auch positiv auf die Gleichmäßigkeit der Abkühlung und damit auch der Materialeigenschaften auswirkt. Dafür ist beim indirekten Verfahren die Investition eines Kaltumformwerkzeuges erforderlich, der beim direkten Verfahren entfällt. Bei beiden Verfahren muss die erforderliche Energie zur Erwärmung und Abkühlung der Platinen in der wirtschaftlichen Gesamtbetrachtung mit berücksichtigt werden. Das Schneiden gehärteter Bauteile stellt eine besondere Problematik dar, da heute nur wenige Schneidwerkstoffe vor einem wirtschaftlich sinnvollen Hintergrund in solchen Werkzeugsätzen zum Einsatz gelangen. In der Automobilindustrie setzt man heute daher zumeist Laser ein, wobei jedes Werkstück einzeln transportiert, gespannt und beschnitten werden muss. Eine Ausnahme stellt hier der indirekte Prozess mit 100%-Fertigbeschnitt am Kaltumformteil dar, bei dem das Schneiden im gehärteten Zustand entfällt, was besonders bei Bauteilen mit vielen Löchern von Vorteil ist Modifizierte Warmumformprozesse Mithilfe verschiedener Modifikationen dieser Warmumformprozesse ist auch das Warmumformen von zuvor festgelegten Teilflächen der Platine möglich. Das Crashkonzept eines Bauteils oder einer Gruppe von Bauteilen aus Blech bedingt hierbei die Lage von duktilen und gehärteten Zonen im Bauteil. Dementsprechend werden die Ziehwerkzeuge entweder mit gezielt positionierten Kühlkreisläufen ausgestattet oder die lokale Kühlleistung der Werkzeuge den spezifischen Anforderungen des Härteprozesses andersartig angepasst. Heute sind solche Festigkeitsgradienten in feinen Abstufungen realisierbar und Festigkeitsunterschiede zwischen 600 MPa (Ausgangsmaterial) und MPa innerhalb eines Bauteils (z.b. B-Säule eines Fahrzeugs, Abb. O-3) durchaus möglich. Ein großer Vorteil im Vergleich zu Tailored-Blanks liegt in der technologisch gestaltbaren Ausbildung des Übergangsbereichs zwischen dem harten und dem weichen Gefügezustand. Abb. O-3: Partielles Presshärten am Beispiel B-Säule (Bildquelle: Benteler Automotive) Abb. O-4 zeigt in einer Übersicht die Möglichkeiten der belastungs- und gewichtsoptimierten Gestaltung von Bauteilen. gehärtet lasergeschweißt Patch innen Patch außen angelassen Partiell ungehärtet Lokal ungehärtet Abb. O-4: Partielles Presshärten/Tailored Property Parts, Beispiel B-Säule (verzinkt, phs-ultraform, indirekter Prozess) (Bildquelle: voestalpine) Der Vorteil der partiellen Warmformgebung liegt in der Einsparung von weiteren Verstärkungsteilen, Fügeoperationen und der spezifischen Gestaltung von Crash-Konzepten und den vorherbestimmbaren Bifurkationseigenschaften der Bauteile. Weitere Möglichkeiten der partiellen Verstärkung von tragenden Strukturen bestehen in der Verwendung von Tailor-Welded Blanks oder Tailor- Rolled Blanks als Halbzeug, Tailored Property Parts durch partielles Presshärten oder in der gleichzeitigen Umformung von zwei aufeinander liegenden (geklebten) Platinen, die dann lokal mit doppelter Blechdicke im Ziehwerkzeug im gleichen Hub umgeformt werden. 1.3 Blechwerkstoffe für das Presshärten Bei der Warmumformung von Stählen werden typischerweise Mangan-/ Bor-Stähle eingesetzt. Typische Vertreter in dieser Gruppe sind die Blechgüten 22MnB5, 19MnB4 oder 30MnB5, welche auch unter den Handelsbezeichnungen BTR 155, BTR 165, Usibor 1500P oder phs-ultraform in den letzten Jahren bekannt wurden. Bei diesen 112

113 Presshärten Presshärten Legierungen bewirkt das Legierungselement Mangan eine festigkeitssteigernde Wirkung, während durch das Legierungselement Bor eine Verringerung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit hervorgerufen wird. Durch die Verzögerung der Umwandlung des Austenits wird das Zeitfenster für die Durchführung des Umform- und des sich sofort anschließenden Härteprozesses vergrößert. Dies ist wichtig, um evtl. auftretende unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten im Umformwerkzeug kompensieren zu können, d.h. um eine gleichmäßige Härtbarkeit über einen möglichst großen Bereich verschiedener Abkühlgradienten zu gewährleisten. Im Ausgangszustand besitzen diese Werkstoffe eine Zugfestigkeit von ca. 600 MPa mit einer Bruchdehnung bis zu 18%. Bei der Erwärmung verringert sich die Zugfestigkeit des Blechwerkstoffes bei gleichzeitiger Zunahme der Bruchdehnung. In diesem Zustand erfolgt idealerweise die Umformung in Kombination mit dem direkten Presshärten. Der anschließende Härtevorgang im Werkzeug führt schließlich zu Zugfestigkeiten von bis zu MPa bei einer Abnahme der Bruchdehnung auf nur ca. 5% (Abb. O-5). Beschichtungen kommt es während der Aufheizphase zu Diffusionseffekten zwischen der Platinenoberfläche und den Legierungselementen der Al-Si-Beschichtung. Dieser Effekt bewirkt einen Anstieg der Schmelztemperatur der Beschichtung, ansonsten würde die Al-Si-Beschichtung, die selbst eine Schmelztemperatur von nur 620 C besitzt, einer Erwärmung auf ca. 950 C nicht standhalten. Wichtig ist daher eine genaue Temperaturführung im Durchlaufofen: die Temperatur der Oberfläche muss dabei stets unterhalb des aktuellen Schmelzpunktes der Beschichtung bleiben (Abb. O-6). Die entstandene Fe-Al-Si-Schicht zeigt sich als sehr haftbeständig und verfügt über gute Korrosionsschutzeigenschaften. Alternativ hierzu sind kontinuierlich feuerverzinkte Blechoberflächen im Einsatz. Bei der Feuerverzinkung werden unedle Metalle wie Aluminiumoxid oder Siliziumoxid zugesetzt, die an der Luft oxidieren und an der Oberfläche des Werkstoffs eine wenige Nanometer dünne Schicht bilden, die das Verdampfen der Zinkanteile der Beschichtung verhindert. Aufgrund der sich beim Presshärten ausbildenden Zink-Eisen-Schicht besitzen diese Bauteile einen ausgezeichneten kathodischen Korrosionsschutz. phs-ultraform ungehärtet phs-ultraform pressgehärtet R p MPa MPa Rm 500 MPa MPa Oberfläche Zink Stahl Oberfläche Eisen-Zink Stahl A A 80 18% A 50 5% Gefüge Gefüge Abb. O-5: Zugfestigkeit und Bruchdehnung des Werkstoffes phs-ultraform verzinkt nach dem Presshärten (indirekter Prozess) im Vergleich zum Ausgangszustand (Bildquelle: voestalpine) Beim Einsatz von unbeschichteten Blechen bildet sich auf den Platinenoberflächen während des Durchlaufes durch den Ofen und des Transportes zwischen Ofen und Umformwerkzeug eine ungleichmäßig dicke Zunderschicht, die eine stark abrasive Wirkung auf die Warmumformwerkzeuge zur Folge hat. Diese Schichtbildung kann auch durch den Einsatz einer Schutzgasatmosphäre im Erwärmungsofen nicht verhindert werden. Darüber hinaus tritt bei unbeschichteten Materialien eine Oberflächenentkohlung auf, was sich ebenfalls negativ auf die Werkstückeigenschaften auswirkt. Daher muss in diesem Fall nach der Umformung zur Entfernung der Zunderschicht ein Beizen vorgenommen werden. Dieser zusätzliche Vorgang ist kostenintensiv und muss zudem bei der Oberflächenbehandlung des fertigen Pressteils berücksichtigt werden. Um eine Zunderbildung während der Aufheizung auf Austenitisierungstemperatur zu verhindern, werden beschichtete Platinen eingesetzt. Bei Al-Si- Abb. O-6: Veränderung der Zn-Beschichtung durch Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur (phsultraform, indirekter Prozess) (Bildquelle: voestalpine) 1.4 Temperaturführung Bei der Wärmebehandlung im Ofen muss die Kinematik der Austenitisierung und die intermetallische Legierungsreaktion zwischen dem Grundwerkstoff und der Beschichtung, z.b. der Al- Si-Beschichtung, beachtet werden. Eine zu rasche Erwärmung der Platinen kann dazu führen, dass die Beschichtung schmilzt und sich entsprechende Ablagerungen auf den Ofenrollen bilden. Eine unzureichende Erwärmung führt zu einer unvollständigen Diffusion und Bildung der Zwischenschicht, wodurch es zur Bildung von Aufschweißungen kommen kann. 113

114 Temperatur 950 C 830 C 730 C 460 C 380 C 150 C RT A C3 A C1 3 Min. Aufheizen auf Solltemperatur Austenitisierung 6 Min. Änderung der Topographie der Oberfläche 5 Sec. Transfer min 850 C 460 C(Start Bainit) 15 Sec. Abschrecken im Werkzeug bis < 100 C 370 C(Start Martensit) Umwandlungsende? Sec. Außerhalb des Werkzeugs: Abkühlen auf Raumtemperatur Gefügeform Austenit Bainit Martensit => Mischgefüge aus Bainit und Martensit Abb. O-7: Temperaturführung von Platinen für das Presshärten Der Zeitbedarf für den Transfer zwischen Erwärmungseinrichtung und Umformwerkzeug muss im praktischen Fertigungsbetrieb so weit als möglich reduziert werden, um eine zu starke Abkühlung der Platine zu verhindern (Abb. O-7). Eine auftretende Abkühlung führt neben einer Verminderung der Umformbarkeit unter Umständen zu unerwünschten, lokalen Phasenumwandlungen während der Umformung, was inhomogene Materialeigenschaften und Dehnungslokalisierungen zur Folge haben kann. Darüber hinaus bewirkt eine zu niedrige Umformtemperatur das Auftreten von hoher Reibung, was besonders beim direkten Verfahren sogar zu Aufschweißungen insbesondere an den Ziehkantenradien und dadurch zur Ablagerung von Partikeln der Platinenbeschichtung im Umformwerkzeug führen kann. Heute wird bei der Auslegung von Warmumformprozessen nach dem direkten Verfahren nahezu ausschließlich die FEM- Prozesssimulation als ein unverzichtbares Instrument zur a priori Beurteilung von zu erwartenden fertigungstechnischen Problemstellungen eingesetzt. Im Gegensatz zur Kaltumformung bzw. zum indirekten Verfahren muss der Prozess jedoch stets inklusive der auftretenden thermischen Effekte im Werkstück / im Werkzeug in einer gekoppelten thermisch-mechanischen Simulation abgebildet werden. Bei der Prozessauslegung der direkten Warmumformung ist darauf zu achten, dass lokales Werkstoffversagen bevorzugt in jenen Bereichen auftritt, in denen die Temperatur aufgrund einer unzureichenden Anlage des Werkstückes an der Werkzeugform höher liegt als in den benachbarten Bereichen, wodurch sich eine geringere Festigkeit einstellt. Zu beachten ist weiterhin, dass sich die Temperaturverteilung im Werkzeugkörper während des Prozessverlaufes ändert. Die Umformung erfolgt in der Regel unter relativ hohen Stößelgeschwindigkeiten, um den Wärmeaustausch zwischen Platine und Werkzeug während der Umformung zu minimieren. In diesem Zusammenhang muss auch der Einfluss der Formänderungsgeschwindigkeit auf die Werkstoffeigenschaften berücksichtigt werden. Der Wärmeverlust des Bauteils gestaltet sich während des eigentlichen Umformvorgangs als vergleichsweise gering, da die Wärme lediglich auf konduktivem Wege in Bereichen mit frühem Werkzeugkontakt bzw. nennenswerten Kontaktflächenpressungen abfließen. Bei der sich an die Umformung anschließende längere Haltephase im geschlossenen Werkzeug bei wirkender Presskraft dagegen wird das Bauteil bis auf die Entnahmetemperatur heruntergekühlt und dabei gehärtet. Während des Härtens fließt die im Blechformteil enthaltene Wärmemenge nahezu vollständig in das Umformwerkzeug, weshalb das Werkzeug über ein Kühlsystem zur Wärmeabführung verfügen muss. Die Werkzeugkühlung beeinflusst damit neben der mit dem Fertigungssystem erzielbaren Ausbringung ebenfalls die Qualität des pressgehärteten Blechformteils. Zum Erzielen eines im fertigen Werkstück nahezu vollständig umgewandelten martensitischen Gefüges ist bei borlegierten Warmformstählen eine Abkühlgeschwindigkeit von K/s zu gewährleisten. Ungleichmäßige Abkühlgradienten führen zu inhomogenen mechanischen Eigenschaften innerhalb eines Bauteils, der sich in Verzug äußert und durch Folgeprozesse nahezu nicht kompensiert werden können. 2 Anwendung Die Warmumformung kommt bei der Herstellung zahlreicher crashrelevanter Automobil-Karosserieteile zum Einsatz (Abb. O-8). Zu nennen sind hierbei der vordere und hintere Stoßfänger, A- und B- Säulen oder deren Verstärkungen, Dachrahmen, Schweller, Seitenverstärkungen, Tunnel, Bodenverstärkungen und viele mehr. Einsatzgebiete finden sich auch bei der Panzerung ziviler und militärischer Fahrzeuge. Abb. O-8: Pressgehärtete Blechformteile des Audi A4 (rot eingefärbt) 3 Werkzeuge 3.1 Gestaltung von Werkzeugen für das Presshärten Neben den Anforderungen, die aus praktischer Sicht an konventionelle Umformwerkzeuge und deren 114

115 Werkstoffe gestellt werden, müssen Werkzeuge für die Warmumformung zusätzlichen Belastungen standhalten. Das Umformwerkzeug muss technisch fähig sein, erhebliche Energien durch integrierte Kühlvorrichtungen reproduzierbar aufnehmen und ableiten zu können. Diese Energie belastet insbesondere die äußeren Schichten des Werkzeugs mechanisch und thermisch, die zum Teil sehr hohen Temperaturgradienten ausgesetzt sind. Um den Härteprozess zu realisieren, muss das Werkzeug wie beschrieben gekühlt werden. Hierzu bestehen werkzeugtechnisch folgende Optionen: Kühlrippen: Diese sind konstruktiv einfach aufgebaut und fertigungstechnisch sehr einfach einzubringen. Aufgrund der geringen Kühlwirkung ist diese Variante für den Großserienbetrieb jedoch meist ungeeignet (Abb. O-9). Dies erlaubt eine sehr zuverlässige und hohe Kühlwirkung, hat aber Nachteile bezüglich des segmentierten Aufbaus und der damit verbundenen Problematik der Abdichtung der Segmente untereinander, gerade im Hinblick auf temperaturbedingte Dehnungen. Das Konzept mit Tieflochbohrungen oder eingegossenen Kühlrohren bereitet insbesondere bei räumlich gekrümmten Bauteilen Probleme hinsichtlich einer ungleichmäßigen Kühlwirkung. Dieser Nachteil besteht bei einem Konzept, welches auf wasserführenden Gusskammern und darauf montierten Kühlschalen mit eingefrästen Strömungskanälen beruht, nicht mehr. Abb. O-11 oben zeigt ein derartiges Kühlwerkzeug mit Gusskammern sowie die beschriebenen Kühlschalen (Bild unten) mit gefrästen Strömungskanälen. Abb. O-9: Anbringen von Kühlrippen (Bildquelle: Audi AG) Kühlrohre: Diese werden direkt in das Werkzeug eingegossen (Abb. O-10). Dadurch wird ebenfalls eine hohe, aufgrund der schlechteren Kühlwirkung der Gusswerkstoffe jedoch gegenüber segmentierter Bauweise niedrigere Kühlwirkung erreicht. Der Fertigungsaufwand bezogen auf die mechanische Fertigung ist deutlich geringer. Aufwändig ist jedoch der Gießprozess, bei dem die Lage der Kühlrohre eng toleriert und eine gute Anbindung zur mechanischen Stabilität und einem geringen thermischen Übergangswiderstand erforderlich ist. Abb. O-11: Werkzeugaufbau mit Schalentechnik (Bildquelle: voestalpine Polynorm GmbH & Co. KG) Abb. O-10: Eingießen von Kühlrohren (Bildquelle: Audi AG) Kühlkanäle: Bei dieser Ausführung werden die Werkzeuge segmentiert aufgebaut und ein Kühlsystem durch Langlochbohrungen realisiert. Bei der Auslegung der Strömungskanäle ist entsprechend dem sogenannten Tichelmann Prinzip darauf zu achten, dass durch gleichmäßige Kanallängen, d.h. gleichmäßige Strömungswiderstände, Widerstände eine gleichmäßige Kühlung realisiert wird (Abb. O-12). 115

116 Das Verhalten des Werkstoffs unterscheidet sich von dem konventioneller Werkstoffe der Kaltumformung. So erfahren presshärtende Werkstoffe während der Umformung keine Kaltverfestigung, d.h. die Fließkurve hat einen flachen Verlauf im plastischen Bereich. Abb. O-12: Auslegung der Kühlkanäle (Bildquelle: voestalpine Polynorm GmbH & Co. KG) Zum Einbringen der Kühlbohrungen und der spanenden Herstellung aller Werkzeugwirkflächen muss der Werkzeugwerkstoff über entsprechende Zerspanungseigenschaften verfügen. Weitere Anforderungen aus produktionstechnischer Sicht stellen der Warmverschleißwiderstand und die Thermoschockbeständigkeit und die Schweißbarkeit des Werkzeugwerkstoffes dar. 3.2 Methode für Werkzeuge für das Presshärten Die Methodenauslegung bei der Warmumformung unterscheidet sich zur konventionellen Umformung in mehreren Punkten: Es findet keine Rückhaltung des Platineneinlaufs, wie sie in Kap. A-3.2 beschrieben ist, statt. Keine Sicken Distanzierter Blechhalter Geringe Blechhalterkräfte Kleinere Platine. Durch eine entsprechende Werkzeuggestaltung (Abb. O-13) ist es beispielsweise durch Matrizeneinsätze bzw. Gegenstempel problemlos möglich, Blechwerkstoff in die Umformzone vorzuholen. 3.3 Werkzeugwerkstoffe In der Praxis werden für das Presshärten heute klassische Kaltarbeitsstähle, aber auch spezielle Stähle aus der Kunststoffformtechnik und Warmarbeitsstähle eingesetzt. Um den lokal unterschiedlichen Anforderungen an verschiedene Wirkflächenbereiche solcher Werkzeuge unter Produktionsaspekten Rechnung tragen zu können, wurden Konzepte zur Segmentierung aus unterschiedlichen Werkzeugwerkstoffen erprobt. Geeignete Beschichtungen spielen dabei ebenfalls eine Rolle und können den Abrasionswiderstand von belasteten Oberflächen erhöhen und die Adhäsionsneigung verringern. Abb. O-14: Werkzeug für das Presshärten (Bildquelle: Schuler AG) 4 Vor- und Nachteile der Warmumformung Das Verfahren der Warmumformung bzw. das Presshärten bietet eine Reihe von Vorteilen die Bauteilqualität und das Bauteilverhalten im Crash- Falle betreffend, weshalb es in den letzten Jahren in der Herstellung von crash- und sicherheitsrelevanten Bauteilen im Karosseriebau seine Hauptanwendung gefunden hat. Als Vorteile sind zu nennen: Es können sehr hohe Bauteilfestigkeiten bei verringerter Blechdicke erzielt werden, wodurch ein hohes Potential zur Gewichtseinsparung des Bauteiles besteht. Die geformten Bauteile verfügen über eine gute Formgenauigkeit bei vernachlässigbarer Rückfederung. Es können höchste Abb. O-13: Werkzeug zum Presshärten (Bildquelle: IUL) 116

117 Anforderungen an die Dimensionsstabilität eingehalten werden. Es sind (vor allem im indirekten Prozess) komplexe Bauteilgeometrien herstellbar. Warmumgeformte und pressgehärtete Blechformteile verfügen über ein ausgezeichnetes Crashverhalten mit ausreichendem Restformänderungsvermögen. Das Verfahren des Presshärtens weist jedoch folgende Nachteile auf: Die Investitionskosten für die Anlagentechnik, insbesondere die Erwärmungstechnik, sind vergleichsweise hoch. Der hohe Energieeinsatz führt vor dem Hintergrund steigender Energiepreise zu höherem Kostenzuwachs. Die Produktivität ist aufgrund der geringeren möglichen Hubzahl von 2-4 Hub/Minute in Abhängigkeit von der Erwärmungseinrichtung geringer als bei konventionellen Prozessen. Erhebliche Probleme bestehen im direkten Prozess beim Beschneiden der gehärteten Bauteile. Die Verwendung konventioneller Schneidverfahren und Werkzeugtechniken führt zu erheblichem Werkzeugverschleiß und somit zu relativ großem Instandhaltungsaufwand. Um diesen Instandhaltungsaufwand zu vermeiden, werden zum Beschneiden der gehärteten Blechteile vielfach Laserschneidanlagen eingesetzt (Abb. O- 15). Die Taktzeiten des Laserstrahlbeschneidens sind jedoch im Vergleich zu konventionellen Schneidwerkzeugen ungleich höher. Der indirekte Prozess mit 100%-Fertigbeschnitt am Kaltumformteil wiederum eignet sich aufgrund des erhöhten Werkzeuginvests dabei hauptsächlich für Bauteile mit großen Stückzahlen. Um die Beschnittzeiten weiter zu optimieren ist es bei der Methodenentwicklung möglich, die Lage der Bauteiltrennungen und Beschnitte ist so zu wählen, dass ein größtmöglicher Materialnutzungsgrad erreicht wird, Dies wird dadurch realisiert, dass durch die Auslegung der Platinenform in Teilbereichen kein Fertigbeschnitt mehr erforderlich ist (Abb. O-16). Abb. O-16: Platinenauslegung (Bildquelle: voestalpine Polynorm GmbH & Co. KG) Abb. O-15: Laserschneiden pressgehärteter Bauteile (Bildquelle: TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH) 117

118 P Wirkmedienumformung 1 Hydroblechumformung 1.1 Hydromechanisches Tiefziehen Beim hydromechanischen Tiefziehen wirkt anstelle eines starren Werkzeuges ein hydraulischer Gegendruck (Abb. P-1). Der Druck kann dadurch aufgebaut werden, dass der Stempel bei der Abwärtsbewegung das Hydraulikmedium komprimiert, und/oder indem das Medium aktiv mittels Pumpenantrieb mit Druck beaufschlagt wird. Der Druckverlauf im Gegendruckbehälter wird über dem Ziehweg mittels Servo- oder Proportionalventilen gesteuert. F Bl F St F St + F Bl F Bl Blechhalter Stempel Platine Dichtung Gegendruck- Behälter Stempelweg in einem Zug ohne Auftreten von Falten in der Zarge (Falten 2. Art) hergestellt. F Bl F St F St + F Bl F Bl Stempel Blechhalter Platine Dichtung Gegendruckbehälter Wulst entgegen Ziehrichtung Abb. P-2: Hydromechanisches Tiefziehen von Bauteilen mit konischer Zarge, Wulstbildung (Bildquelle: IFU) Konventionell können solche Teile nur in mehreren Ziehstufen mit einem nachfolgenden mechanischen Tiefen hergestellt werden. Dabei entstehende Anhiebkanten müssen ggf. durch Nacharbeit entfernt werden. 1.2 Vorteile des Hydromechanischen Tiefziehens Die Formenvielfalt ist im Vergleich zum konventionellen Tiefziehen größer. So können Bauteile mit größeren Ziehverhältnissen versagensfrei gezogen werden, Bauteile mit konischer Zarge können ohne Faltenbildung 2. Art in der Zarge hergestellt werden. Abb. P-1: Hydromechanisches Tiefziehen (Bildquelle: IFU) Aufgrund größerer Reibungskräfte zwischen Bauteilzarge und Stempel infolge des Gegendrucks können ohne Versagen durch Reißer höhere Stempelkräfte in die zwischen Blechhalter und Ziehring geführte Umformzone eingeleitet werden, so dass größere Grenzziehverhältnisse möglich sind. Die Verfahrensgrenzen des Hydromechanischen Tiefziehens sind Falten 1. und 2. Art sowie Reißer, wie sie auch beim konventionellen Tiefziehen auftreten. Als weitere Verfahrensgrenze ist die Wulstbildung entgegen der Ziehrichtung zu nennen: Infolge des hydraulischen Gegendrucks wird das Blech zwischen dem Blechhalterradius und der Blech/Stempel-Kontaktlinie entgegen der Ziehrichtung geformt werden (Abb. P-2). Die Geometrie der dabei entstehenden Wulst ist abhängig von der Festigkeit und der Dicke des Bleches, dem Gegendruck und der Ziehspaltweite. Der geometrisch- und blecheigenschaftsbedingte Berstdruck der Wulst stellt somit die obere Grenze des Gegendrucks dar. Blechformteile mit schräger Zarge, können bei optimierter Steuerung des Gegendrucks über dem 0,max = 2,8 0,max = 2,7 0,max = 2,6 Abb. P-3: Erreichbare Grenzziehverhältnisse, Blechwerkstoff DC04, s = 0,8 mm, Stempeldurchmesser 100 mm (Bildquelle: IFU) Die während der Umformung ausschließlich mit dem Hydrostatik-Medium in Kontakt stehende Bauteiloberfläche ist wegen des Entfallens von Reibung zwischen Blech und Matrize von hoher Qualität und damit für den Einsatz im PKW- Außenhautbereich geeignet. Durch höhere Formänderungen über der Bauteilfläche ist eine geringere Rückfederung zu verzeichnen. Aufgrund höherer Kaltverfestigung, als sie beim konventionellen Tiefziehen gegeben ist, ergibt sich ein größerer Widerstand gegen Hagelschlag bei gleicher Blechdicke. 118

119 Durch den Ersatz einer Gegenkontur (Matrize) durch den Druck im Gegendruckbehälter sinken die Werkzeugkosten, da bei mehrstufigen Prozessen einzelne Stufen eingespart werden können. Bei einstufigen Prozessen wie der Herstellung von Karosserieteilen können ggf. die Fertigungskosten des Umformwerkzeuges dadurch gesenkt werden, dass anstatt eines nicht-ebenen Blechhalters ein ebener Blechhalter, der wesentlich einfacher und schneller gefräst werden kann, eingesetzt werden kann. 1.3 Nachteile des Hydromechanischen Tiefziehens Als großer Nachteil des hydromechanischen Tiefziehens ist die längere zu nennen. Der taktbegrenzende Faktor in der Hydromechanischen Blechumformung resultiert aus dem Füllvolumen nach der Verdrängung der Bauteilkontur. So muss man beim Hydromechanischen Tiefziehen etwa mit doppelt so langen Zeiten im Vergleich zum konventionellen Tiefziehen rechnen. Dies ist selbst für kleine und mittlere Stückzahlen vielfach nicht akzeptabel, weshalb sich diese Verfahren beispielsweise im Automobilbau nicht wie ursprünglich vorhergesagt durchgesetzt haben. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass aufgrund des hohen Gegendrucks wesentlich höhere Pressenkräfte erforderlich sind. So muss zusätzlich zur normalen Presskraft eine weitere Gegenkraft, die sich aus dem maximalen Gegendruck multipliziert mit der projizierten Stempelquerschnittsfläche ergibt, von der Presse aufgebracht werden. Der erforderliche Gegendruck wird hierbei durch den umzuformenden Blechwerkstoff, der Blechdicke und dem kleinsten am Bauteil vorkommenden Radius bestimmt (Abb. P-4). Durch eine Anpassung der Wulsthöhe an die überstehende Ziehteilkontur (vgl. Abb. P-5 unten) können Bauteilgeometrien in negativer Ziehrichtung (grüne Markierung) realisiert werden. Deutlich zu erkennen ist hierbei auch, dass bei dieser Ankonstruktion das zu verdrängende Hydraulikvolumen verringert ist, was zu einer Verkürzung der Zykluszeiten führt. Ziehtiefe bei einem an die Bauteilform angepassten Ziehrahmen Ziehtiefe bei ebenem Ziehrahmen und Wulstbildung entgegen der Ziehrichtung Ziehtiefe bei ebenem Ziehrahmen Abb. P-5: Ziehtiefe und erforderliches Hydraulikvolumen für verschiedene Ausführungen der Ziehanlage (Bildquelle: IFU) Beispielhaft dargestellt wird diese konstruktive Auslegung der Ankonstruktion am Beispiel einer Kotflügelgeometrie. Abb. P-6 verdeutlicht, wie bei dieser Bauteilgeometrie durch eine Modifikation der Ankonstruktion ein ebener Blechhalter realisiert werden kann. R/s s Für die Umformung von Bauteilen mit kleinen Radien sind hohe Drücke erforderlich Nachteil: Höhere Werkzeugkosten Abb. P-6: Modifikation Ankonstruktion am Beispiel eines hydromechanisch tiefgezogenen PKW-Kotflügels; Maßstab 1:1, AA6016, s 0 = 1.1 mm, p g = 120 bar (Bildquelle: IFU) Abb. N-4: Erforderliche Gegendrücke (Bildquelle: Avure) 1.4 Methode 1.5 Anwendungen Im Bereich Automobilbau wird das Verfahren des Hydromechanischen Tiefziehens in Europa eher weniger eingesetzt. Anwendungen finden sich in Nordamerika (Abb. P-7). Hierzulande finden sich Anwendungen bei z.b. der Herstellung von Kochtöpfen mit großer Ziehtiefe oder im Bereich Reflektoren und anderer Blechteile mit meist schrägen Seitenwänden und hoher Anforderungen an die Oberfläche in kleinen und mittleren Stückzahlen. Die Hauptgründe für die geringen Anwendungen in der Automobilindustrie liegen wohl in den langen Prozesszeiten, den hohen erforderlichen 119

120 Presskräften und den Problemen des Handling des Hydraulikmediums. Innenhochdruckumformung mit Einleitung äußerer Rohrenden und befüllen das Vorrohr mit dem flüssigen Medium, wodurch sich der Innendruck F X 1 aufbaut. F X 2 FUmformvorgang: X1 Beim eigentlichen Umformvorgang F X2 wird das Rohr aufgeweitet. p i Die an den Rohrenden F a1, F a2 = von a über Dichtstempel aufgebrachte Axialkraft muss wirken mindestens so groß sein, dass die Dichtung F D = axial auf d gewährleistet ist. Die gezielte Steuerung des wirkende Innendrucks bewirkt, dass sich der Werkstoff an die Werkzeugkontur anlegt. So erhält das Fertigteil seine endgültige Form. In Abb. P-8 stellen die Kräfte F x lediglich Innenhochdruckumformung Schließkräfte dar. ohne Einleitung äuße F X1 F p X2 i D St FX1 F F D = axia wirk Abb. P-7: Anwendung Hydromechanisches Tiefziehen (Bildquelle: Amino North America) 2 IHU von Rohren und Profilen 2.1 IHU-Prozess Unter Innenhochdruck-Umformung versteht man das Aufweiten metallischer Rohre durch hydraulischen Druck von innen in einem geschlossenen Werkzeug. Das Werkzeug wird im Allgemeinen durch eine hydraulische Presse bzw. Zuhaltevorrichtung geöffnet, geschlossen und zugehalten. Mit der Innenhochdruck-Umformung lassen sich komplex geformte rohrförmige Hohlkörper aus einem Stück fertigen, die mit anderen Fertigungsverfahren nicht oder nur mehrteilig herstellbar wären. IHU-Bauteile zeichnen sich durch hohe, gleichmäßige Festigkeit und Steifigkeit, optimiertes Gewicht und geometrische Genauigkeit aus. Es lassen sich verschiedene Verfahrensvarianten unterscheiden: Aufweiten im geschlossenen Werkzeug Der Prozessablauf beim Aufweiten im geschlossenen Gesenk lässt sich in vier Phasen unterteilen: Einlegen des Rohres: Als Ausgangsrohr kommen gerade, gebogene oder anderweitig vorgeformte Metallrohre zum Einsatz. Das Rohr wird in eine Werkzeugform eingelegt, die die Kontur des herzustellenden Fertigteils als Gravur enthält. Schließen des Werkzeuges: Das Werkzeug wird durch eine hydraulische Presse geschlossen und zugehalten. Dichtstempel, die an hydraulischen Axialzylindern angebracht sind, verschließen die Abb. P-8: Aufweiten im geschlossenen Gesenk ohne Einleitung axialer Kräfte (Bildquelle: IFU) Bauteilentnahme: Nach der Innenhochdruck- Umformung muss der Druck abgebaut werden. Danach öffnet die hydraulische Presse das horizontal geteilte Werkzeug zur Teileentnahme Aufweitstauchen Beim Aufweitstauchen wird durch die Dichtstempel zusätzlich eine axiale Kraft eingeleitet. Durch das axiale Nachschieben der Rohre wird mehr Werkstoff in die Umformzone eingebracht und es werden Druckspannungen in der Umformzone überlagert. Dabei entstehen Zugspannungen aufgrund des Innendrucks, der über das Druckmedium erzeugt wird, während die Druckspannungen eine Folge der von außen eingeleiteten Axialkräfte sind. Im Vergleich zum reinen Aufweiten sind mit diesem Verfahren größere Formänderungen möglich. In Abb. P-8 setzen sich die Kräfte F x somit aus den Schließkräften und den zusätzlichen Axialkräften zusammen Partielles Aufweiten Die Verfahrensvariante Partielles Aufweiten lässt sich zur Herstellung von Verzweigungen, z.b. Rohverzweigungselementen, einsetzen. Hierzu wird ebenfalls das Ausgangsrohr in das Werkzeug eingelegt und durch Innendruck beaufschlagt. Die in Rohrlängsachse angebrachten Stempel verschieben auch hier beidseitig den Rohrwerkstoff zur Werkzeugmitte, wobei hier das Werkzeug eine Öffnung aufweist, durch welche ein Teil der Rohrwand durch die Wirkung des Innendrucks in die Abzweigung verdrängt wird (Abb. P-9). 120

121 F g R c P i R e Abb. P-9: Partielles Aufweiten (Bildquelle: Ohio State University) F a Im Non-Automotive finden sich zahlreiche und vielfältige Anwendungen im Bereich Leitungsbau, Sanität- und Wärmetechnik (Rohr- und Verzweigungselemente) sowie bei Möbeln und in der Beschlägefertigung. 2.3 IHU-Werkzeuge Werkzeugaufbau Abb. P-11 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Werkzeuges für die Innenhochdruck-Umformung von Rohren, Abb. P-12 ein Serienwerkzeug. Übliche konstruktive Ausführungen sind die Monoblockbauweise oder vorzugsweise ein Aufbau aus Grundblock und Formeinsätzen, welche die Gravur der Bauteilgeometrie enthalten. Der IHU-Prozess ist in eine Prozesskette, bestehend aus folgenden Einzelschritten, eingebunden: Biegen des Rohteils Mechanisches Vorformen Innenhochdruck-Umformung Beschneiden der Enden. 2.2 Anwendungen Die Innenhochdruck-Umformung wird insbesondere in der Automobilindustrie eingesetzt. Zu nennen sind hier Abgasteile, Elemente von Trägerstrukturen und Achsstrukturen (Abb. P-19) sowie vereinzelt Karosserieelemente. Durch den Einsatz von IHU- Bauteilen wird vielfach ein Beitrag um Leichtbau geleistet, indem z. B. zwei tiefgezogene Halbschalen durch ein IHU-Bauteil ohne Fügeflansch unter Einsparung von Schweißoperationen ersetzt werden. Die Prozesszeiten der Innenhochdruck-Umformung sind zwar im Vergleich zum Tiefziehen zweier Halbschalen größer, jedoch können in den IHU- Prozess Fügeoperationen und ein gleichzeitiges Lochen integriert werden. Dadurch können in einem Werkzeug einbaufertige Teile hergestellt werden, die Anzahl der Einzelteile und der erforderlichen Fügestellen ist geringer. Abb. P-11: Aufbau IHU-Werkzeug [NN96], ASE=Aufweiten, Stauchen, Expandieren (Bildquelle: Schuler, Handbuch Umformtechnik) Abb. P-12: IHU-Serienwerkzeug (Bildquelle: Schuler AG) Dimensionierung der IHU-Werkzeuge 23 Aufgrund der zu erwartenden, meist relativ hohen Belastungen in Hydro-Umformprozessen wird eine möglichst hohe Steifigkeit der Serienwerkzeuge angestrebt. Viele Einzelkomponenten würden die Abb. P-10: Hinterachse Audi A4 23 Kap übernommen aus: Neugebauer, R.: Hydroumformung, Springer-Verlag 2007, ISBN

122 Körperfederung des Werkzeugs erhöhen und somit zu unerwünschten geometrischen Veränderungen der Gravur bis hin zur plastischen Deformation (Werkzeugbruch) führen. Übliche konstruktive Ausführungen sind die Monoblockbauweise oder der Aufbau mit Grundblock und Einsätzen. Im letzteren Fall wird ein quasistarrer Grundblock für das Oberbzw. das Unterwerkzeug vorgesehen, in den Formeinsätze als Aktiv- oder Funktionsteile eingepasst werden. Folgende typische Arten von Formeinsätzen finden in IHU-Werkzeugen Anwendung: Einsätze als Bestandteile der Werkzeuggravur (Aktivteile) Verschleißeinsätze bei hohen Flächenpressungen (z.b. Nachschiebebereich Dichtstempel) Bewegliche Einsätze (z.b. Auswerfer, Niederhalter, Schieber) Einsätze zur Schnellbefüllung mit Medium Die Vorteile von Formeinsätzen liegen in der Flexibilität bezüglich Austauschbarkeit, Änderungserfordernissen sowie Wärmebehandlung und Beschichtung. Ein vollständiger, möglicherweise auch teilweiser Aufbau der Werkzeuggravur (Aktivteile) aus Formeinsätzen wird als Segmentierung bezeichnet. Die Grundblöcke müssen die Funktion des stützenden Körpers übernehmen, der alle Prozesskraftkomponenten ohne bleibende Formänderungen aufnimmt. Dies sind neben Formeinsätzen auch Funktionselemente wie eingebaute Führungen, Locheinheiten oder Kraftübertragungselemente. Besondere Maßnahmen sind in den Nachschiebebereichen von IHU-Werkzeugen erforderlich. Durch die höhere Beanspruchung infolge höherer Kontaktspannungen während des Nachschiebens von Werkstoff in die Umformzone müssen die entsprechenden Aktivteile höhere Härten aufweisen. Als geeigneter Werkstoff hat sich dabei der Kaltarbeitsstahl X155CrVMo12-1 (1.2379) erwiesen. Der verschleißfeste, ledeburitische Stahl mit einem 12-prozentigen Chromanteil kann eine Härte bis zu 65 HRC erreichen. Für die Aktivteilsegmente empfiehlt sich eine Härte von 57 HRC. Damit wird ein hoher Widerstand sowohl gegen plastische Verformungen als auch gegen Verschleiß bei noch ausreichender Zähigkeit zur Vermeidung von Kantenausbrüchen erreicht. Werkzeugelemente, die hauptsächlich die Funktion der Formgebung zu erfüllen haben, sollten aufgrund der ständig wechselnden Belastungen eine höhere Zähigkeit und somit geringere Härten aufweisen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass der Werkstoff X38CrMoV5-1 (1.2343) ausgezeichnet geeignet ist, derartigen Belastungen standzuhalten. Dieser Warmarbeitsstahl mit einem Chromanteil von 5% zeichnet sich durch eine hohe Zähigkeit und Druckfestigkeit aus und kann eine maximale Härte von 57 HRC annehmen. Speziell für hohe Standmengen wird eine Härte von 50 HRC vorgeschlagen, die den Aktivteilen noch ausreichende Zähigkeit sowie genügend Schutz gegen Abrasion gibt. Weiterhin kann bei dieser Härte sichergestellt werden, dass eine komplette Durchhärtung des Werkstoffs vollzogen ist. Vor allem bei der segmentierten Werkzeugbauweise ist der Einsatz von Abstimmplatten, die sich zwischen Formelement und Grundkörper befinden, erforderlich. Fehlen diese, kann es zu stärkeren Setzungserscheinungen der Formelemente kommen, da die Werkzeuggrundkörper keiner Wärmebehandlung unterzogen werden. Die Abstimmplatten sollten mindestens die Härte der Aktivelemente besitzen, um ungewollte bleibende Formänderungen und somit Maßabweichungen zu vermeiden. Für Werkzeuggrundkörper kann der Werkstoff 40CrMnMoS8-6 (1.2312) Anwendung finden. Dieser Kunststoffformenstahl zeichnet sich durch beste Zerspanbarkeit aus und wird im vergüteten Zustand mit einer Festigkeit von R m = N/mm² geliefert. Bei richtig dimensioniertem Grundkörper reicht die Grundfestigkeit des Werkstoffs aus, den Beanspruchungen standzuhalten. Außerdem ist der Kostenaspekt zu berücksichtigen: Axialzylinder Die am Werkzeug befestigten Axialzylinder erzeugen dabei die im Folgenden aufgelisteten benötigten Kraftkomponenten: Abdichtung des Systems gegen den sich aufbauenden Innendruck Erzeugung axialer Spannungen im Werkstück Umformung Überwindung der Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug. Abb. P-13: Axialzylinder (Bildquelle: Daimler AG) 122

123 Darüber hinaus erfolgt durch die Axialzylinder der Zu- und Abfluss des für die Umformung benötigten Fluids. Abb. P-13 zeigt beispielhaft einen derartigen Axialzylinder. Als Axialzylinder werden vorzugsweise doppeltwirkende Standardzylinder aus dem Sortiment der fluidtechnischen Zulieferfirmen verwendet, die über geeignete mechanische Verbindungselemente am Werkzeug befestigt werden. Alternativ können vom Maschinenhersteller auch Sonderzylinder bereitgestellt werden, die bereits konstruktiv an die Anforderungen eines Axialzylinders angepasst sind. Hinsichtlich der Dimensionierung dieser Zylinder geht man vom erforderlichen maximalen Kraftbedarf während der Umformung aus. Das Maximum der Axialkraft während des Umformvorganges dient als Basis zur Bestimmung der Zylindergröße, wobei die Besonderheit der hydraulischen Steuerkette und deren Steuerung bzw. Regelung bei der Auslegung zu berücksichtigen ist. Üblicherweise werden deshalb vom Maschinenhersteller nur wenige Zylindergrößen mit Spezifikation ausgewiesen und zur Nutzung am Werkzeug empfohlen Andocksysteme Unabhängig von der Lage der axialen oder radialen Zylinder im Werkzeug muss während des Innenhochdruck-Umformvorgangs die Dichtheit des Systems gewährleistet werden. Dazu werden den Werkstück-Kontaktflächen formspezifische Adapterstücke zugeordnet. Bei der Rohr- und Profilumformung wird das Andocksystem direkt an den Kolbenstangen der axialen oder radialen Hydraulikzylinder angesetzt. In den Adapterstücken müssen Öffnungen für den Mediendurchfluss vorgesehen werden (Abb. P-14). den Adapterstücken gearbeitet. Diese tauchen in das Halbzeug ein und dichten von innen über die Bauteilwand gegen die Werkzeuggravur. Soll gleichzeitig zum Dichten ein Nachschieben des Werkstoffs erfolgen, müssen die Adapterstücke konstruktiv so ausgelegt werden, dass der Spalt zwischen Dichtstempel und Werkzeuggravur nur eine Werkstoffverdrängung in die gewünschte Richtung zulässt, eine Beschädigung der Werkzeuggravur jedoch verhindert wird Mechanische Verbindungselemente Wegen der werkzeugspezifischen Art der mechanischen Ankopplung der Axialzylinder sowie der Gestaltung des Dichtstempels sind Axialachsen aus konstruktiver Sicht Bestandteil des Werkzeugs und verbleiben meist auch bei Werkzeugwechsel am Werkzeug. Aus Sicht der Antriebsstruktur sind sie jedoch eine Komponente der hydraulischen Steuerkette der Maschine, die für die Realisierung der Funktion der Axialachsen zuständig ist. Das ist eine Besonderheit der Axialachsen, aus der sich die Einhaltung bestimmter Restriktionen beim Design und Betrieb der Werkzeuge ergibt. Für die mechanische Ankopplung der Axialzylinder an das Werkzeug gibt es bevorzugte konstruktive Lösungen: Zuganker-Bauweise Konsolen-Bauweise. Abb. P-14: Abdichtung mit O-Ring (Bildquelle: IWU Chemnitz) Mit Hilfe eines derartigen Andocksystems werden zusätzlich halbzeugbedingte Toleranzen ausgeglichen. Um je nach Anwendungsfall eine maximale Dichtwirkung zu erzielen, wird mit glatten, stufenförmigen oder konischen Stempelflächen an Abb. P-15: Zuganker-Bauweise (Bildquelle: IWU Chemnitz) Axialzylinder in Zuganker-Bauweise (Abb. P-15) werden über zwei massive Zuganker direkt am Werkzeug befestigt. Dadurch ergibt sich ein 123

124 verhältnismäßig kurzer und direkter Schluss des Kraftflusses zwischen Axialzylinder und Werkzeug. Hierbei sind die geometrischen Fehler zwischen der Achse des Axialzylinders und der Achse des Werkstückendes in engen Toleranzen realisierbar. Diese Bauweise ist kompakt und Platz sparend, erfordert jedoch einen hohen Bearbeitungsaufwand für die Befestigungselemente der Zuganker im Werkzeug. Bei der Konsolen-Bauweise (s. Abb. P-16) wird der Axialzylinder in eine Konsole eingesetzt, die entweder direkt am Werkzeug oder auf der Werkzeug-Aufspannplatte des Ober- bzw. Unterwerkzeugs befestigt oder neben dem Werkzeug auf dem Maschinentisch angeordnet ist. Die Konsole realisiert über formschlüssige Elemente den Kraftfluss mit dem Werkzeug. Diese Bauweise erfordert einen größeren Platzbedarf, ist in der räumlichen Anordnung der Axialzylinder eingeschränkt flexibel und ist bezüglich des Kraftflusses und der dabei auftretenden Verformungen weniger günstig als die Zuganker- Bauweise. Hinsichtlich des Bearbeitungsaufwandes speziell am Werkzeug bietet diese Bauweise jedoch Vorteile. 3 Superplastische Blechumformung 3.1 SPF-Prozess Die superplastische Umformung von Aluminiumblechen ermöglicht die Herstellung von Blechformteilen, die konventionell durch Tiefziehen bzw. hydraulisches Tiefen nicht herstellbar sind. Das pneumatische Tiefen in Form des Matrizenverfahrens (Abb. P-17) stellt dabei das gängigste Verfahren der superplastischen Blechumformung dar. Hierfür ist lediglich eine Zuhaltevorrichtung mit hinreichender Zuhaltekraft erforderlich. Fv Fv F v Obere Kammer Blech 1 v 2 p o Untere Kammer p o = p u = 0 p uo p u F Fv p u p u > p o 3 F 4 v Fv p v u > p o p o = p u = 0 F Abb. P-17: Matrizenverfahren der superplastischen Blechumformung (Bildquelle: IFU) Abb. P-16: Konsolen-Bauweise (Bildquelle: IWU Chemnitz) Alternativ kommen auch andere Befestigungsarten der Axialzylinder zum Einsatz, wie beispielsweise die Fußpunktbefestigung der Zylinder am Maschinentisch. Hier ist jedoch ein erheblicher Aufwand beim Ausrichten des Axialzylinders zum Werkzeug erforderlich. Folgende werkstoff- und verfahrenstechnische Voraussetzungen müssen für einen superplastischen Umformprozess erfüllt werden: Isotropes Werkstoffgefüge Stabilität gegen Kornwachstum Feinkörniges Gefüge, durchschnittliche Korngröße <10 m Konstante Umformtemperatur im Bereich 40-70% der Schmelztemperatur Sehr geringe log. Hauptformänderungsgeschwindigkeit Große Abhängigkeit der Fließspannung von der log. Hauptformänderungsgeschwindigkeit. Der Steuerung des Umformdruckes über der Zeit zur Erzielung einer vorgegebenen legierungsspezifischen logarithmischen Hauptformänderungsgeschwindigkeit kommt bei der superplastischen Blechumformung eine wichtige Rolle zu. Diese legierungsspezifische, für eine superplastische Umformung optimale log. Hauptformänderungsgeschwindigkeit ist in der Regel äußerst gering und führt demzufolge zu langen Prozesszeiten. 3.2 Werkzeugaufbau Abb. P-18 zeigt den prinzipiellen Aufbaus eines Werkzeugs für die Superplastische Blechumformung. Dieses besteht im Wesentlichen 124

125 aus einem Ober- und einem Unterwerkzeug. Die Kavität der Bauteilgeometrie liegt hier im Unterwerkzeug, die Zuführung des Druckes ist in das Oberwerkzeug integriert. Kühlplatte Isolierplatte Heizpatronen Klemmsicke 530 mm p i Oberwerkzeug 900 mm p g Unterwerkzeug Abb. P-20: Bauteil Scharnierverstärkung, Blechwerkstoff: AA5083 (Formall 545), Ausgangsblechdicke 3 mm, Umformtemperatur 515 C Umformzeit ca. 20 min (Bildquelle: Formtec, IFU) Kühlplatte Isolierplatte Heizmantel Abb. P-18: Prinzipieller Aufbau eines SPF-Werkzeuges (Bildquelle: IFU) Abb. P-19 zeigt das Unterwerkzeug eines SPF- Werkzeuges. Die weiße Farbe rührt von einen Trennmittel, welches vorab aufgebracht wurde, her. Die lange Prozesszeit kann beispielsweise dadurch verringert werden, dass in einem Zyklus durch Parallelanordnung und/oder Mehrlagigkeit der Werkzeuge 2, 4 oder mehr Bauteile gefertigt werden (Abb. P-21). oberes Werkzeug p Bauteil Pressentisch Isolierplatte Heizplatte Lufteinlassplatte Heizplatte unteres Werkzeug Heizpatronen p Bauteil Lufteinlassplatte Werkzeug Heizplatte Isolierplatte Presenstössel Heizband Kühlplatte Isolierplatte Abb. P-19: Unterwerkzeug Scharnierverstärkung, direkt beheizte Matrize (Bildquelle: IFU) 3.3 Anwendungen Eingesetzt wird der Prozess der Superplastischen Umformung von Aluminiumblechen in der Automobilindustrie ausschließlich bei der Fertigung komplexer Bauteile in sehr kleinen Stückzahlen. Bei dieser Fertigung sind die Prozesszeiten von eher untergeordnetem Interesse, eingesetzt wird das Verfahren wegen der großen Formenvielfalt, d.h. es können evtl. mehrere Bauteile zusammengelegt werden, und wegen der niedrigen Werkzeugkosten. Abb. P-20 zeigt das mit dem in Abb. P-19 gezeigten Werkzeug gefertigte Bauteil Scharnierverstärkung. Abb. P-21: Mehrlagige Werkzeuge (Bildquelle: Dieffenbacher) Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der Prozesszeiten liegt in einer Kombination der superplastischen Blechumformung mit einem nachfolgenden hydraulischen Tiefen. Hierbei wird die Prozesszeit bei der superplastischen Umformung verringert und die Festigkeit durch Kaltverfestigung beim hydraulischen Tiefen erhöht. Dies führt letztlich zu einer verbesserten Bauteilqualität bei gleichzeitig reduzierter Zykluszeit. 125

126 Sachverzeichnis 5-Achs Simultan-Fräsen Abstreckgleitziehen abwickelbare Fläche Al-Si-Beschichtungen Aluminiumoxid Andocksystem Anhiebkante Ankonstruktion Aufspannplatte Aufweiten Aufweitstauchen Austenitisierung Axialzylinder Bankarbeit Bearbeitungsoffset Beschichtungsverfahren Beschneidewinkel Blechhalter... 7 Blechhalterdruck Boden... 8 Butzenkanal Cerrotru Class A-Fläche Clay Cubing CVD-Verfahren Designanalyse Direktes Verfahren Distanzstück doppeltwirkendes Werkzeug... 17, 18 Drylubes Durchhärtung einfachwirkendes Werkzeug Einverfahrenschneidwerkzeug Einzelwerkzeug Exporit Falten 1. Art Falten 2. Art Falzverlust Falzzange feuerverzinkte Blechoberflächen Finishbearbeitung Flächenrückführung Flammhärten Flansch... 8 Flanschauslage Folgeschneidwerkzeug Folgeverbundwerkzeug... 17, 104 Formänderungsanalyse Frontguss Gasfedern Gegendruck Gel-Coat-Verfahren Genaugussmodelle Gesamtschneidwerkzeug Gesamtverbundwerkzeug Gesamtziehverhältnis Gleichlaufweiterziehen Grenzformänderungskurve Grenzziehverhältnis... 9 Grundbearbeitung Gussbauweise Gusseisenwerkstoffe... 80, 85, 86 Hartmetalle High-Speed-Cutting Hotmelts Indirektes Verfahren Induktionshärten Kaltarbeitsstahl Klemmsicke Kollisionskontrolle Konstruktionsentwurf Korrosionsschutzöle Krümmungsstetigkeit Kugelgrafit Kühlbohrungen Lamellengrafit Laserstrahlbeschneiden Lasserstrahlhärten Lichtlinien Mangan-/ Bor-Stähle manuellen Kompensation Martensit-Start-Temperatur Materialanhäufung Matrize...7 Matrizen-verfahren Meisterbock Methode... 23, 24 Methodenplanung Nachlaufkante Nakajima-Versuchablauf Oberflächenfehler Partielles Aufweiten Partielles Presshärten Platinenform Plattenbauweise PM-Werkstoffe Polieren Portalfräsmaschine Positionsstetigkeit Postprocessing Prelubes Preprocessing Pressendurchlaufsimulation Presshärten Produktionspresse Prototyp-Werkzeug PVD-Verfahren Randschichthärtung Referenzlehre Reißer Rendering Rückfederung Rückfederungskompensation Säulenführung... 56, 107 Schieber Schiebetisch Schlichte Schneidstempel Schnellarbeitsstahl

127 Schruppbearbeitung Schweißeignung Sekundärhärten Siliziumoxid Spaltmaß Spannungsentlastungsloch Speiser Stempelergänzungsflächen Stempelkontakt Stempelumriss Stochastische Simulation Stollenführung Strak Streifenlichtprojektion Stufenfolge Stufenwerkzeugsatz Suchstift Tangentenstetigkeit Tangentialspannung Transfer Transferwerkzeuge Trockenschmierstoffe Tryout Tryout-Presse Tuschieren Überschnitt Vergüten vorgewärmtes Werkzeug Warmarbeitsstahl Warmumformung Werkzeugdistanzen Werkzeugstahl... 80, 86 Werkzeugverrippung Werkzeugwechselwagen Wulstbildung ZAMAK Zarge... 8 Ziehanlage... 25, 26 Ziehrichtung Ziehring... 7 Ziehsicken Ziehspalt Ziehstempel... 7 Ziehumriss Ziehverhältnis... 9 Ziehwulste Zink-Eisen-Schicht Z-konstant Zunderbildung

128 Anhang Anhang 1: Stufenfolgen für Erst- und Weiterzüge von zylindrischen und kegeligen Werkstücken Öhler, G.; Kaiser, F.: Schnitt-, Stanz- und Ziehwerkzeuge. Springer Verlag, Heidelberg, 2001, ISBN

129 Anhang 2: Zuschnittsformen für das Tiefziehen 25 d 2 4dh 01 d dh 02 d 4( d h d h ) d 4( d h d h ) d 4d h 2 f ( d d ) d 4( d h d h ) 2 f ( d d ) d d 07 d d Schuler Handbuch der Umformtechnik. Springer Verlag, Heidelberg, 1996, ISBN

130 d f ( d d ) d 2dh 10 d d 4d h d 2 d h f ( d d ) d 4h d h 14 d 4( h d h ) d 4( h dh ) d 4h 2 f ( d d ) d1 4 h1 d1h2 f / 2( d1 d2)

131 d 2 s( d d ) d 2 s( d d ) d d d 2 s( d d ) 2d h d 6,28rd 8r oder d 2, 28rd 0,56r d 6,28rd 8r d d oder d 2, 28rd 0,56r d 6, 28rd 8r 4d h d d oder d 4 d (0,57 r h) 0,56r d 6,28rd 8r 2 f ( d d ) oder d 2, 28rd 2 f ( d d ) 0,56r d 6,28rd 8r 4d h 2 f ( d d ) oder d 4 d (0,57 r h f / 2) 2d f 0,56r d 4(1,57 rd 2 r hd ) oder d 4 d ( h 0,57 r) 0,57r

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