DE102004026762A1

DE102004026762A1 - Umform- und/oder Trennwerkzeug

Info

Publication number: DE102004026762A1
Application number: DE200410026762
Authority: DE
Inventors: Sandra Dr. Semmler; Thomas Michel; Thomas Wimmer; Matthias Pfauder; Norbert Donath; Florian Hörmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2006-02-09

Abstract

Um bei einem Umform- und/oder Trennwerkzeug (1, 2) für ein unter Wärmeeinwirkung bearbeitetes Werkstück (4) die Werkzeugerwärmung lokal auf die zum Warmumformen bzw. -schneiden des Werkstücks erforderlichen Wärmekontaktbereiche (8) wirksam zu begrenzen, sind die außerhalb der Wärmekontaktbereiche liegenden Werkzeugabschnitte durch eine Keramikschicht (7) hohen Wärmeleitwiderstandes, vorzugsweise aus Zirkonoxid, wärmeisoliert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Umform- und/oder Trennwerkzeug für ein zumindest partiell erwärmtes Werkstück, insbesondere ein Blechteil, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 10.

Bei der spanlosen Fertigung von Blechteilen, insbesondere solchen aus Aluminium, Magnesium oder hochfestem Stahl, ist es aus Gründen einer hohen Fertigungsqualität z.B. aus der DE 101 28 199 A1 , DE 101 08 419 A1 , DE 196 53 543 A1 oder DE 44 25 033 C2 bekannt, die Blechteile in den Bereichen hoher Bearbeitungsdichte entweder außerhalb des Trenn- und/oder Umformwerkzeugs oder im Werkzeug selbst durch Beheizen einer das Blechteil kontaktierenden Werkzeugfläche zumindest partiell auf ein Temperaturniveau zwischen ca. 100°C bei Aluminium und bis zu 1200°C bei höchstfestem Stahl zu erwärmen. Damit sich die Erwärmung des bei einer werkzeuginternen Wärmequelle unmittelbar und bei einer externen Blechteilerwärmung aufgrund des Wärmekontakts zwischen Blechteil und Werkzeugfläche mittelbar beheizten Werkzeugbereichs nicht in die übrigen Werkzeugbereiche fortpflanzt, sind diese mit einer Zwangskühlung zur Abfuhr der eingeleiteten Wärmemenge ausgestattet. Derart gekühlte Werkzeuge erfordern jedoch einen großen Bau- und vor allem Energieaufwand und dementsprechend hohe Investitions- und Betriebskosten.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein lokal beheiztes Werkzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, welches zur Kühlung der unbeheizten Werkzeugbereiche eines wesentlich reduzierten Bau- und Energieaufwands bedarf.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 bzw. 10 gekennzeichnete Umform- und/oder Trennwerkzeug gelöst.

Erfindungsgemäß ist es unter Ausnutzung der speziellen Werkstoffeigenschaften eines keramischen Materials, welches eine extrem geringe Wärmeleitfähigkeit mit einer hochgradigen Temperaturbeständigkeit und einer überdurchschnittlich hohen tribologischen Standfestigkeit verbindet, gelungen, eine Erwärmung des Werkzeugs über den zum Wärmekontakt mit dem Bauteil unmittelbar erforderlichen Werkzeugbereich hinaus wirksam zu unterbinden, ohne dass hierfür ein gesondertes, baulich und energetisch aufwändiges Kühlsystem benötigt wird. Dabei wird nach einer ersten Variante der Erfindung gemäß Anspruch 1, wonach das Werkstück von Seiten des Werkzeugs beheizt wird, der zu diesem Zweck aktiv erwärmte Werkzeugbereich von dem keramischen Isolationsmaterial umgrenzt, während nach der zweiten Variante gemäß Anspruch 10 im umgekehrten Fall, wonach das Werkzeug an der Arbeitsfläche durch das erwärmte Werkstück passiv aufgeheizt wird, zumindest der erwärmte Arbeitsflächenbereich aus dem keramischen Wärmeisolationsmaterial besteht.

In weiterer, besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist bei einer werkzeuginternen Beheizung des Werkstücks der die Arbeitsfläche mit der Wärmequelle thermisch verkoppelnde, von dem keramischen Wärmeisolator umgrenzte Werkzeugbereich gleichfalls aus einem keramischen Material hergestellt, welches in diesem Fall jedoch eine vergleichsweise sehr hohen Wärmeleitfähigkeit, im Übrigen aber wiederum hinsichtlich Temperaturbeständigkeit und Abrasions- sowie Adhäsionsverhaltens deutlich günstigere Werkstoffeigenschaften als übliche Werkzeugmaterialien besitzt.

Für Bearbeitungswerkzeuge mit einem großen Bauvolumen empfiehlt es sich, das oder die Werkzeugteile nur partiell aus einem keramischen Werkstoff, an sonsten aus einem üblichen Werkzeug-Grundmaterial, etwa Stahl oder Grauguss, anzufertigen. Alternativ ist es insbesondere für kleinere Werkzeugteile aber auch möglich, das gesamte Werkzeugteil aus einem keramischen Isolationsmaterial – gegebenenfalls unter Einschluss eines wärmeleitenden Keramikkörpers im aktiv erwärmten Werkzeugbereich – herzustellen.

Die Keramikflächen des erfindungsgemäßen Werkzeugs sind nicht auf eine planare Flächenform beschränkt, sondern können ohne weiteres auch eine mehrdimensionale, in gleicher Weise wie bei einem herkömmlichen Umformwerkzeug räumlich gekrümmte Formgebung besitzen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, etwa die Integration einer vorzugsweise elektrischen Heizeinrichtung in einen wärmeleitenden, von dem keramischen Isolationsmaterial ummantelten Keramikkörper, die Herstellung des Wärmeisolators aus Zirkonoxid und des intern beheizten Keramikkörpers aus Siliziumnitrid oder die bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Bearbeitung von Aluminium- oder Magnesiumblechen, ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
1 ein Umformwerkzeug nach der Erfindung im Schnitt; und
2 ein erfindungsgemäß ausgebildetes Stanzwerkzeug, ebenfalls in geschnittener Darstellung.
Das in 1 gezeigte Umformwerkzeug besteht aus einem oberen und einem unteren Werkzeugteil 1, 2 sowie einem Blechhalter 3, die jeweils aus einem metallischen Grundmaterial, etwa als Graugussteile, hergestellt sind, und dient zum Umformen einer Leichtmetall-, insbesondere Magnesium- oder Aluminium-Blechplatine 4 in einer üblichen, nicht gezeigten Ziehpresse. Für eine qualitativ hochwertige Blechumformung ist es erforderlich, das Leichtmetallblech 4 an den Stellen hohen Umformgrades, also gemäß 1 im Bereich der Blechabkantungen, warm zu formen und zu diesem Zweck wird die formgebende Arbeitsfläche 5 des oberen Werkzeugteils 1 im Abkantbereich durch eine werkzeuginterne, z. B. elektrische Heizeinrichtung 6 partiell erwärmt, derart, dass das Leichtmetallblech 4 beim Arbeitshub der Presse aufgrund des Wärmekontakts mit dem beheizten Arbeitsflächenbereich auf ein Temperaturniveau gebracht wird, welches abhängig von der Blechbeschaffenheit bei Magnesium- und Aluminiumblechen im Allgemeinen zwischen etwa 100 und bis zu 400°C beträgt.
Um zu verhindern, dass sich die Heizwärme weiter als zur Warmverformung des Blechteils 4 erforderlich in das Werkzeug ausbreitet, wird der erwärmte Werkzeugbereich lokal durch einen in das Grundmaterial eingebetteten, keramischen Isolator 7 begrenzt, welcher die Heizeinrichtung 6 umschließt und randseitig formgleich zur Arbeitsfläche 5 an den erwärmten Arbeitsflächenbereich angrenzt. Der keramische Isolator 7 besitzt zusätzlich zu einer hohen Temperaturbeständigkeit und ausgezeichneten tribologischen Eigenschaften, insbesondere einer hohen Abrasions- und Adhäsionsfestigkeit, eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit und besteht vorzugsweise aus Zirkonoxid mit einem Wärmeleitkoeffizienten von ca. 2 W/mK. Der von dem keramischen Isolator 7 umgrenzte Werkzeugbereich mit der Heizeinrichtung 6 und der mit dieser thermisch verkoppelten Umformzone der Arbeitsfläche 5 besteht ebenfalls aus einem Keramikkörper 8 mit im Wesentlichen gleich günstigen mechanischen und tribologischen Eigenschaften wie der Isolator 7, jedoch mit einer wesentlich höheren Wärmeleitfähigkeit, also etwa aus Siliziumnitrid mit einem Wärmeleitkoeffizienten von etwa 40 W/mK.
Bei der praktischen Erprobung eines erfindungsgemäß gestalteten Umformwerkzeugs zum Abkanten von Magnesiumblechen, die im Bereich eines werkzeuginternen, elektrischen Heizelements mit einer Heiztemperatur von 250°C abgekantet wurden, konnte die Werkzeugtemperatur außerhalb des zur Warmumformung benötigten Arbeitsbereichs durch den keramischen Isolator auf nahezu 40°C reduziert werden.
2 zeigt ein Trennwerkzeug mit einem Lochstempel 9, einer Matrize 10 und einem Blechhalter 11 zum Lochen eines zwischen Blechhalter 11 und Matrize 10 eingespannten Leichtmetall-, also wiederum Aluminium- oder Magnesiumblechs 12. Der Lochstempel 9 besteht aus einem metallischen Grundkörper 13, etwa aus Stahl, und ist in seinem stirnseitigen Arbeitsbereich mit einer – durch eine integrierte Heizeinrichtung 14 – beheizten, hochfesten Materialschicht 15 belegt, welche wiederum als Keramikkörper hoher Wärmleitfähigkeit ausgebildet ist, aber auch aus höchstfestem Stahl bestehen kann. Zur Wärmeisolation ist zwischen dem Grundkörper 13 und der Keramikschicht 15 eine Keramikschicht 16 mit sehr hohem Wärmeleitwiderstand, also etwa aus Zirkonoxid, angeordnet. Im Randbereich wird das Leichtmetallblech 12 von Seiten des Blechhalters 11 beheizt, welcher bei diesem Ausführungsbeispiel als durchgehend keramisches Hybridbauteil ausgebildet ist, das an der blechseitigen Arbeitsfläche aus einer gut wärmeleitenden Keramikschicht 17 mit integrierten Heizelementen 18 und im Übrigen aus einem Keramikisolator 19 mit einem hohen Wärmeleitwiderstand besteht.
Um zu verhindern, dass die Matrize 10, die üblicherweise ebenfalls aus Stahl gefertigt ist, passiv durch das von Seiten des Stempels 9 und des Blechhalters 11 beheizte und an die Matrizenfläche 20 angedrückte Blechteil 12 erwärmt wird, ist auch die Matrize 10 im Kontaktbereich des Blechteils 12 mit einem keramischen Wärmeisolator 21, etwa wiederum aus Zirkonoxid, bestückt. Auf die se Weise werden sämtliche, nicht unbedingt für die Blechbearbeitung unter Heizeinwirkung benötigten Werkzeugbereiche wirksam gegen eine übermäßige Erwärmung geschützt.

Claims

Umform- und/oder Trennwerkzeug, insbesondere zur Blechbearbeitung, mit mindestens einem mit einer starren Arbeitsfläche versehenen und im Bereich der Arbeitsfläche durch eine werkzeugseitige Heizeinrichtung partiell beheizten Werkzeugteil, dadurch gekennzeichnet, dass der beheizte Werkzeugbereich randseitig durch einen Isolator (7; 16; 19) aus einem keramischen Material mit einer im Vergleich zum beheizten Werkzeugbereich niedrigen Wärmeleitfähigkeit umgrenzt ist.
Umform- und/oder Trennwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beheizte Werkzeugbereich aus einem Keramikkörper (8; 15; 17) mit einer im Vergleich zum keramischen Wärmeisolator (7; 16; 19) hohen Wärmeleitfähigkeit besteht.
Umform- und/oder Trennwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (8; 15; 17) und der keramische Wärmeisolator (7; 16; 19) an einem Werkzeuggrundkörper (1; 10; 13) angeordnet sind und der keramische Wärmeisolator eine wesentlich niedrigere Wärmeleitfähigkeit als der Werkzeuggrundkörper besitzt.
Umform- und/oder Trennwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeugteil (11) als durchgehend keramisches, aus dem Keramikkörper (17) und dem keramischen Wärmeisolator (19) bestehendes Hybridbauteil ausgebildet ist.
Umform- und/oder Trennwerkzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der beheizte Keramikkörper (8; 15; 17) aus Siliziumnitrid und der keramische Wärmeisolator (7; 16; 19) aus Zirkonoxid besteht.
Umform- und/oder Trennwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Arbeitsfläche eine Umformfläche ist, dadurch gekennzeichnet, dass der den beheizten Werkzeugbereich umschließende, keramische Wärmeisolator (7) stirnseitig eine der Raumform der Umformfläche (5) entsprechende Flächenkontur besitzt.
Umform- und/oder Trennwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem unteren und einem oberen Werkzeugteil, von denen das eine mit einer beheizten Arbeitsfläche und das andere mit einer unbeheizten Gegenfläche versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die im beheizten Arbeitsflächenbereich des einen Werkzeugteils (11) liegende Gegenfläche (20) des anderen Werkzeugteils (10) gleichfalls aus einem keramischen Wärmeisolator (21) besteht.
Umform- und/oder Trennwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer in den beheizten Werkzeugbereich integrierten Heizquelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizquelle (6; 14; 18) ein elektrisches, von dem keramischen Wärmeisolator (7; 16; 19) mitumgrenztes Heizelement ist.
Umform- und/oder Trennwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem keramischen Wärmeisolator (7; 16; 19; 21) versehene Werkzeugteil (1; 9; 10; 11) zur Bearbeitung von Aluminium- oder Magnesiumblechen (4; 12) vorgesehen ist.
Umform- und/oder Trennwerkzeug für ein zumindest partiell erwärmtes Werkstück, insbesondere ein Aluminium- oder Magnesium-Blechteil, mit einer starren, das Werkstück zumindest im Erwärmungsbereich kontaktierenden Arbeitsfläche an zumindest einem Werkzeugteil, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfläche (20) des Werkzeugteils (10) zumindest im Erwärmungsbereich des Werkstücks (12) aus einem keramischen, wärmeisolierenden Material (21) besteht.