DE102004056294A1 - Werkzeug zur Umformung eines Werkstücks - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug (1) zur Umformung eines Werkstücks (4) mittels eines Hochdruckumformungsverfahrens mit einem Grundkörper (2) aus einem ersten Material, welcher eine Aufnahmeausnehmung (3) zur Aufnahme zumindest eines Abschnitts des umzuformenden Werkstücks (4) und mindestens eine Umformungsausnehmung (5) zum Bilden von umformenden Oberflächen für das umzuformende Werkstück (4) aufweist; und mit mindestens einem Einsatzelement (6, 7, 8) aus einem zweiten Material, welches im Bereich der Aufnahmeausnehmung (3) und/oder der mindestens einen Umformungsausnehmung (5) in den Grundkörper integrierbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug zur Umformung eines Werkstücks, insbesondere mittels eines Hochdruckumformungsverfahrens.
  • Die Hochdruckumformung, welche als Innen- oder als Außenhochdruckumformung ausgebildet sein kann, dient im Allgemeinen der Umformung von Werkstücken mittels Beaufschlagung der Werkstücke mit einem hydrostatischen Druck. Während der Hochdruckumformung wird das zu bearbeitende Werkstück von einem Werkzeug aus einem steifen Material umgeben, wobei dieses Werkzeug formgebend wirkt. Das Werkzeug weist wenigstens eine Fluidzuleitung für die Beaufschlagung des Werkstückes mit dem hydrostatischen Druck auf, wobei diese Druckbeaufschlagung zur Umformung des Werkstückes entsprechend der durch das Werkzeug vorgegebenen Form führt.
  • Beispielsweise beschreibt die Druckschrift DE 198 58 837 A1 eine bekannte Vorrichtung zur Innenhochdruckumformung. Das dort beschriebene Innenhochdruckumformungsverfahren stellt ein Umformungsverfahren unter Verwendung von hydraulischem Druck dar und wird im allgemeinen bei einem normalen Temperaturbereich zwischen beispielsweise 10°C und 30°C durchgeführt.
  • Derartige Innenhochdruckformtechnologien sind insbesondere bei einer Verarbeitung von Rohren in der Automobilindustrie weit verbreitet. Beispielsweise wird diese Technologie zur Herstellung von verschiedenen Komponenten eines Kraftfahrzeuges, wie beispielsweise von Karosseriestrukturkomponenten, Rahmen für die Karosserie, tragenden Teilen, hohlen Achsen, etc. angewendet. Neben Rohren und Profilen können aber auch Blechbauteile und Bauteile aus Doppelplatinen mittels des Innenhochdruckumformungsverfahrens hergestellt werden.
  • In jüngster Zeit werden zunehmend sogenannte Warmumformungsverfahren verwendet, bei welchen mittels einem Innendruck das Werkstück ausgehend von einer Anfangsposition, in der das Werkstück nicht vollständig direkt in Kontakt mit der inneren Oberfläche des Werkzeuges ist, durch den Innendruck derart ausgedehnt, dass die Fläche des Werkstück mit der inneren Werkzeugoberfläche in Kontakt gelangt. Bei dem Warmumformungsverfahren wird das Werkstück in einem auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmten Zustand verformt. Dabei kann das Werkstück selbst direkt erwärmt und/oder indirekt über ein erwärmtes Werkzeug durch geeignete Heizmittel erwärmt werden.
  • Der Vorteil derartiger Warmumformungen besteht darin, dass die Umformkräfte deutlich reduziert werden können. Ferner können höhere Umformungsgrade als beim Innenhochdruckumformungsverfahren bei Raumtemperaturen erzielt werden. Beispielsweise wird beim Warmumformen das Werkstück auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt und mit einem zumindest partiell geheizten bzw. gekühlten Werkzeug und einem erwärmten Umformmedium, beispielsweise Wasser, Gase, Öle bearbeitet.
  • An diesen Ansätzen nach dem Stand der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass sich die tribologischen Eigenschaften des Systems aufgrund der erhöhten Relativbewegungen von Werkstück zu Werkzeug nachteilig ändern. Zusätzlich wirkt eine durch den Innendruck erzeugte Normalkraft auf die Wände des Werkstücks, welche das Werkstück auf die Werkzeugoberfläche drückt. Dadurch herrscht bei Warmumformungsverfahren eine größere Oberflächenreibung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug, so dass unter Umständen die Qualität der Bearbeitung der Werkstücke vermindert wird.
  • Es findet sich im Stand der Technik insbesondere bei Leichtbauwerkstoffen der Ansatz wieder, Schmierstoffe auf den Werkstücken vorzusehen, um Aufschweißungen auf den Werkzeugflächen und somit einen Werkzeugverschleiß zu verhindern oder zumindest zu vermindern.
  • Die Oberflächenreibung beim Hochdruckumformen wird bisher im Allgemeinen durch die Verwendung von hochgradig kompoundierten, sehr hochviskosen flüssigen Gleitmitteln oder durch Trockenfilmgleitmittel, die in erster Linie aus Seifen und/oder Polymeren bestehen, reduziert.
  • An diesem Ansatz nach dem Stand der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass bei einer Verwendung von flüssigen Gleitmitteln diese häufig ungleichmäßig in der Werkzeughöhlung verteilt werden, was mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit und häufig auch tatsächlich eine unzureichende Gleitung in einem Teil der Oberfläche bewirkt, wo die Gleitmittelschicht zu stark ausgedünnt ist. Bei einer Verwendung von Trockenfilmgleitmitteln werden diese durch den Kontakt mit Wasser, das gewöhnlich den Hauptteil der zur Verwendung beim Hydroformen bevorzugten Hydraulikflüssigkeit bildet, leicht zersetzt. Zudem sind die Trockenfilmgleitmittel aus dem Stand der Technik teuer und nur selten wiederverwendbar. Ferner ist es schwierig, die Werkzeuge bzw. die Werkstücke von den anhaftenden Schmiermitteln zu reinigen.
  • Ferner hat sich an den Gleitmitteln die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass bei erhöhten Temperaturen, wie beim Warmumformungsverfahren im Allgemeinen der Fall, die meisten Schmierstoffe ihre Wirkung verlieren oder sogar verbrennen. Damit kommt es bei der Warmumformung bei einer Verwendung derartiger Schmiermittel ebenfalls zu Aufschweißungen und Werkzeugverschleiß.
  • Somit liegt der vorliegenden Erfindung allgemein die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug für Hochdruckumformungsverfahren zu schaffen, welches ohne eine Verwendung von Schmiermitteln einen geringeren Werkzeugverschleiß erleidet und resistenter bezüglich Aufschweißungen ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Werkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, dass das Werkzeug einen Grundkörper aus einem ersten Material, welcher eine Ausnehmung zur Aufnahme zumindest eines Teils des umzuformenden Werkstücks und mindestens eine Umformungsausnehmung zum Bilden von umformenden Oberflächen für das umzuformende Werkstück umfasst; und mindestens ein Einsatzelement aus einem zweiten Material aufweist, welches im Bereich der Aufnahmeausnehmung und/oder der mindestens einen Umformungsausnehmung in den Grundkörper integrierbar ist.
  • Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den bekannten Ansätzen gemäß dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass durch eine Verwendung derartiger Einsatzelemente das System mit günstigeren tribologischen Eigenschaften ausgestattet werden kann. Durch die vorliegende Erfindung können die Oberflächenreibungen zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug an vorbestimmten Stellen durch Integration eines entsprechenden Einsatzelementes aus einem Material mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten bezüglich des Werkstücks reduziert werden. Dadurch können die Verschleißfestigkeit erhöht und Aufschweißungen ohne einem Einsatz von nachteiligen Schmiermitteln verhindert werden.
  • In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Werkzeugs.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Grundkörper aus Stahl und das mindestens eine Einsatzelement aus einem Kunststoff hergestellt. Bei dem verwendeten Kunststoff handelt es sich vorzugsweise um einen hochwarmfesten Kunststoff, der bezüglich des Materials des zu bearbeitenden bzw. umzuformenden Werkstücks einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist. Da beim Warmhochdruckumformungsverfahren mit geringeren Kräften als beim Kalthochdruckumformungsverfahren gearbeitet wird, genügen die aus Kunststoff bestehenden Einsatzelemente den mechanischen Anforderungen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das mindestens eine Einsatzelement in eine zugeordnete komplementäre Einsetzaussparung in den Grundkörper derart einsetzbar, dass das mindestens eine Einsatzelement zumindest einen Teil bzw. einen Bestandteil der Begrenzungsfläche der Aufnahmeausnehmung und/oder zumindest einen Teil der durch die mindestens eine Umformungsausnehmung gebildeten umformenden Oberflächen bildet. Dadurch wird das umzuformende Werkstück in die gewünschte Form umgeformt, wobei die Einsatzelemente an vorbestimmten Stellen eine geringere Oberflächenreibung zwischen den Werkstück und dem Werkzeug gewährleisten. Beispielsweise sind die Einsatzelemente als ringförmige Einsätze ausgebildet, welche jeweils in eine komplementäre Einsetzaussparung im Grundkörper einsetzbar sind. Dadurch können die Einsatzelemente auf einfache Weise im Falle einer Abnutzung derselben ausgetauscht und durch neue Einsatzelemente ersetzt werden.
  • Insbesondere sind die Bereiche des Grundkörpers bzw. der Aufnahmeausnehmung und/oder der mindestens einen Umformungsausnehmung mit Einsatzelementen ausgestattet, in welchen eine verstärkte Relativbewegung zwischen dem umzuformenden Werkstück und dem Werkzeug auftritt. Diese Bereiche stellen die tribologisch kritischen Bereiche dar, so dass eine Reduzierung der Oberflächenreibung zwischen Werkstück und Werkzeug insbesondere in diesen Bereichen gewünscht ist. Die übrigen Oberflächenbereiche hingegen können vorteilhaft aus Stahl für eine Erhöhung der Werkzeugfestigkeit bestehen bleiben.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Werkzeug ein oder mehrere Heizmittel zum Erwärmen des Werkzeugs, des Werkstücks und/oder des hydrostatischen Umformungsmediums auf. Diese Heizmittel können vorteilhaft mittels einer Steuereinrichtung derart angesteuert werden, dass das zu bearbeitende Werkstück auf eine vorbestimmte Vorverformungstemperatur erwärmt wird.
  • Der Grundkörper besteht vorteilhaft aus einzelnen Teilen oder aus einem Monoblock, wobei das Werkstück insbesondere als Leichtbauwerkstück, beispielsweise aus Aluminium oder Magnesium, ausgebildet ist.
  • Das Werkzeug kann vorteilhaft als Umformungswerkzeug in einem Hochdruck-Warmumformungsverfahren verwendet werden. Allerdings kann das Werkzeug selbstverständlich auch in anderen Umformungsverfahren, wie beispielsweise einem Hochdruck-Kaltumformungsverfahren, benutzt werden.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
  • Von den Figuren zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Werkzeugs mit eingesetztem Werkstück gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Zustand vor Verformungs-Prozeßbeginn dargestellt ist; und
  • 2 eine schematische Querschnittsansicht des Werkzeugs mit eingesetztem Werkstück aus 1, wobei der Zustand nach dem Verformungs-Prozeßende dargestellt ist.
  • In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Werkzeug 1, wie in den 1 und 2 dargestellt ist, einen Grundkörper 2 auf, welcher beispielsweise aus mehreren Segmenten, beispielsweise zweiteilig, ausgebildet ist. Alternativ ist der Grundkörper 2 als ganzheitlicher Monoblock geformt. Der Grundkörper 2 ist vorzugsweise aus Stahl oder einem ähnlich robusten und druckfesten Material hergestellt.
  • Der Grundkörper 2 weist ferner vorzugsweise eine Aufnahmeausnehmung 3 auf, in welche das umzuformende bzw. zu bearbeitende Werkstück 4 in etwa paßgenau eingesetzt bzw. eingeschoben werden kann.
  • Das zu bearbeitende Werkstück 4 gemäß dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist als Axialzylinder bzw. Axialrohr vorgesehen. Es ist für den einschlägigen Fachmann allerdings offensichtlich, dass das Werkstück 4 eine irgendwie geartete umzuformende Ausgestaltung aufweisen kann. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das Werkstück 4 in den 1 und 2 an seinen Enden für eine bessere Darstellung nicht im Querschnitt dargestellt ist.
  • Wie insbesondere in 1 ersichtlich ist, weist das Werkzeug 1 ferner eine Umformungsausnehmung 5 auf, welche der Bildung von umformenden Oberflächen für das umzuformende Werkstück 4 dient.
  • Das Werkzeug kann zudem für eine Verwendung in einem Warmhochdruckumformungsverfahren Heizmittel (nicht dargestellt) umfassen, welche an günstigen Stellen außerhalb oder innerhalb des Grundkörpers 2 des Werkzeugs 1 vorgesehen sind. Die Heizmittel dienen einer Erwärmung des umzuformenden Werkstücks 4, des Grundkörpers 2 und/oder des für den beaufschlagenden Druck verwendeten hydrostatischen Umformungsmediums. Dadurch kann insbesondere das Werkstück 4 vor der Verformung auf eine gewünschte, vorbestimmte Temperatur für einen vorteilhaften Umformungsvorgang erwärmt werden.
  • Zusätzlich weist das Werkzeug vorzugsweise eine Fluidzufuhrleitung auf, mittels welcher das Umformungsmedium, beispielsweise eine geeignete Flüssigkeit, in das umzuformende Werkstück 4 eingeleitet wird. Durch die Einleitung des Umformungsmediums erfolgt eine Kraftbeaufschlagung der Innen wände des umzuformenden Werkstücks 4, was in den 1 und 2 durch die Pfeile symbolisch dargestellt ist. Zur Druckbeaufschlagung kann beispielsweise die eine Seite des zu bearbeitenden Werkstücks verschlossen und die andere Seite mit einem eingeführten Stempel versehen und druckbeaufschlagt werden.
  • Wie in den 1 und 2 ferner illustriert ist, weist das Werkzeug 1 erfindungsgemäß mindestens ein, vorliegend drei Einsatzelemente 6, 7, 8 auf, welche beispielsweise ringförmig ausgebildet und aus einem hochwarmfesten Kunststoff hergestellt sind.
  • Die Einsatzelemente 6, 7, 8 sind derart in den Grundkörper 2 des Werkzeugs 1 eingearbeitet, dass sie einen integrierten Bestandteil der umformenden Oberflächen der Aufnahmeausnehmung 3 und/oder der Umformungsausnehmung 5 bilden. Dazu sind in dem Grundkörper 2 zu den einzelnen Einsatzelementen 6, 7, 8 jeweils komplementäre Einsetzaussparungen 9, 10, 11 gebildet, so dass das Einsatzelement 6 beispielsweise in die Einsetzaussparung 9, das Einsatzelement 7 in die Einsetzaussparung 10 und das Einsatzelement 8 in die Einsetzaussparung 11 austauschbar eingesetzt werden können. Im Falle eines Verschleißes oder einer Beschädigung eines der einzelnen Einsatzelemente 6, 7, 8 kann dieses auf einfache und kostengünstige Weise demontiert und durch ein neuwertiges Einsatzelement ersetzt werden.
  • Die Einsatzelemente 6, 7, 8 sind vorzugsweise an derartigen Bereichen in dem Grundkörper 2 vorgesehen, in welchen die größten Relativbewegungen zwischen dem umzuformenden Werkstück 4 und dem Werkzeug 1 bei dem Umformungsprozess zu erwarten sind. Somit werden in Bereichen mit hohen Relativbewegungen und damit mit hohen Reibungseffekten die auftretenden Reibungen und Verschleißerscheinungen durch die Einsatzelemente 6, 7, 8 reduziert. Dies wird durch die gegenüber dem kalten Umformungsvorgang deutlich herabgesetzten Umformdrücke möglich, welche die Flächenpressung auf das Werkzeug 1 reduzieren. Aufgrund dieser reduzierten Flächenpressung erfüllen die vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Einsatzelemente 6, 7, 8 die mechanischen Anforderungen.
  • Die übrigen Anpressbereiche des Grundkörpers 2, in welchen keine verstärkten Relativbewegungen zwischen dem Werkstück 4 und dem Werkzeug 1 auftreten, sind vorzugsweise aus Stahl, wie oben bereits erläutert, hergestellt, um die Gesamtfestigkeit des Grundkörpers zu erhöhen.
  • Aufgrund des paßgenauen Einsetzens der Einsatzelemente 6, 7, 8 in die komplementären Einsetzaussparungen 9, 10, 11 bilden die Innenflächen der Einsatzelemente 6, 7, 8 einen Teil der Anpreßoberfläche des Werkzeugs zum Bilden von umformenden Oberflächen für das unzuformende Werkstück 4.
  • Somit schafft die vorliegende Erfindung ein Werkzeug, welches durch die in den einem stärkeren Verschleiß ausgesetzten Bereichen eingesetzten Einsatzelemente die tribologischen Eigenschaften ohne einer Verwendung von nachteiligen Schmiermitteln verbessert. Des weiteren kann die Isolierwirkung des Kunststoffes der Einsatzelemente vorteilhaft für eine Einteilung des Systems in verschiedene Temperaturzonen genutzt werden. Demnach sind die Einsatzelemente vorzugsweise in Bereichen anzuordnen, in welchen das Werkstück 4 eine geringere Erwärmung erleiden sollte.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
  • 1
    Werkzeug
    2
    Grundkörper
    3
    Aufnahmeausnehmung
    4
    Werkstück
    5
    Umformungsausnehmung
    6
    Einsatzelement
    7
    Einsatzelement
    8
    Einsatzelement
    9
    Einsetzaussparung
    10
    Einsetzaussparung
    11
    Einsetzaussparung

Claims (11)

  1. Werkzeug (1) zur Umformung eines Werkstücks (4) mittels eines Hochdruckumformungsverfahrens mit: einem Grundkörper (2) aus einem ersten Material, welcher eine Aufnahmeausnehmung (3) zur Aufnahme zumindest eines Abschnitts des umzuformenden Werkstücks (4) und mindestens eine Umformungsausnehmung (5) zum Bilden von umformenden Oberflächen für das umzuformende Werkstück (4) aufweist; und mit mindestens einem Einsatzelement (6, 7, 8) aus einem zweiten Material, welches im Bereich der Aufnahmeausnehmung (3) und/oder der mindestens einen Umformungsausnehmung (5) in den Grundkörper integrierbar ist.
  2. Werkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus Stahl hergestellt ist.
  3. Werkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Einsatzelement (6, 7, 8) aus Kunststoff, vorzugsweise einem hochwarmfesten Kunststoff, hergestellt ist.
  4. Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Einsatzelement (6, 7, 8) in eine zugeordnete komplementäre Einsetzaussparung (9, 10, 11) in den Grundkörper (2) derart einsetzbar ist, dass das mindestens eine Einsatzelement (6, 7, 8) einen Bestandteil der Begrenzungsfläche der Aufnahmeausnehmung (3) und/oder zumindest einen Teil der durch die mindestens eine Umformungsausnehmung (5) gebildeten umformenden Oberfläche bildet.
  5. Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Einsatzelement (6, 7, 8) als ringförmiger Einsatz ausgebildet ist, der jeweils in eine komplementäre Einsetzaussparung (9, 10, 11) in den Grundkörper (2) einsetzbar ist.
  6. Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche der Aufnahmeausnehmung (3) und/oder der mindestens einen Umformungsausnehmung (5) mit Einsatzelementen (6, 7, 8) ausgestattet sind, in welchen verstärkt die Relativbewegungen zwischen dem umzuformenden Werkstück (4) und dem Werkzeug (1) auftreten.
  7. Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Einsatzelement (6, 7, 8) austauschbar ausgebildet und einsetzbar ist.
  8. Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) Heizmittel zum Erwärmen des Werkzeugs (1), des Werkstücks (4) und/oder des Umformungsmediums aufweist.
  9. Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus einzelnen Teilen oder einem ganzheitlichen Monoblock besteht.
  10. Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4) als Leichtbauwerkstück, beispielsweise aus Aluminium oder Magnesium, ausgebildet ist.
  11. Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche in Verwendung als Umformungswerkzeug in einem Warmhochdruckumformungsverfahren.
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