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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug zur Umformung
eines Werkstücks,
insbesondere mittels eines Hochdruckumformungsverfahrens.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch das Werkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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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.
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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.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des
im Anspruch 1 angegebenen Werkzeugs.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Grundkörper
besteht vorteilhaft aus einzelnen Teilen oder aus einem Monoblock,
wobei das Werkstück
insbesondere als Leichtbauwerkstück, beispielsweise
aus Aluminium oder Magnesium, ausgebildet ist.
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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.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
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Von
den Figuren zeigen:
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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
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2 eine
schematische Querschnittsansicht des Werkzeugs mit eingesetztem
Werkstück aus 1,
wobei der Zustand nach dem Verformungs-Prozeßende dargestellt ist.
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In
den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige
Weise modifizierbar.
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- 1
- Werkzeug
- 2
- Grundkörper
- 3
- Aufnahmeausnehmung
- 4
- Werkstück
- 5
- Umformungsausnehmung
- 6
- Einsatzelement
- 7
- Einsatzelement
- 8
- Einsatzelement
- 9
- Einsetzaussparung
- 10
- Einsetzaussparung
- 11
- Einsetzaussparung