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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umformung, insbesondere
Warmumformung, eines Werkstückes
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Umformungsverfahren
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.
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Bei
der Warmumformung von Blechteilen wird das Blechumformwerkzeug im
Dauerbetrieb auf eine vorgegebene Betriebstemperatur gekühlt, die als
ein Prozessparameter bei etwa 130°C
bis 180°C liegen
kann. Die Höhe
der Betriebstemperatur beeinflusst die Abkühlgeschwindigkeit der Blechteile
und damit die bei der Warmumformung erreichbare Bauteilfestigkeit.
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Aus
der
DE 100 60 783
A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung
sowie ein Umformungsverfahren bekannt, bei dem eine Matrize einer
Tiefziehpresse von Strömungsmittelkanälen durchsetzt
ist, durch die ein Wärmeübertragungsmedium
strömt.
Das Wärmeübertragungsmedium
kühlt die
Matrize im Dauerbetrieb der Tiefziehpresse auf eine vorgewählte Betriebstemperatur.
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Beim
Anfahren der Tiefziehpresse erhöht sich
die Werkzeugtemperatur mit jedem Arbeitszyklus, in dem ein Werkstück tiefgezogen
wird, so dass das Umformwerkzeug erst nach einer Mehrzahl von Arbeitszyklen
die Betriebstemperatur erreicht. Insbesondere bei temperaturempfindlichen
Blechteilen etwa aus mikrolegierten Stählen besteht daher das Problem,
dass in der Anfahrphase der Vorrichtung die erforderlichen Bauteileigenschaften
hinsichtlich der Festigkeit und Dehnung nicht erfüllt werden,
so dass diese ggf. verschrottet werden müssen. Die Werkzeugtemperatur
beeinflusst die Bauteilhaltigkeit und das Abkühlverhalten von Werkstoffen
für die Formhärtung. Die
erforderlichen Bauteileigenschaften werden unter Betriebstemperaturen
erfüllt,
ggf. nicht jedoch in der Anlaufphase, bei der die Bauteileigenschaften
bei von der Betriebstemperatur abweichenden Werkzeugtemperaturen
nicht erfüllt
werden könnten.
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Aus
der
DE 197 50 165
C1 ist eine weitere Umformvorrichtung sowie ein Umformverfahren
bekannt, bei dem elektrische Heizelemente auf einem Werkzeugunterteil
angebracht sind. Das Werkzeugunterteil kann bei Prozessunterbrechungen
mittels der Heizelemente vorgeheizt werden. Eine aktive Kühlung des
Umformwerkzeugs während
des Dauerbetriebs ist nicht vorgesehen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Umformung, insbesondere Warmumformung, eines Werkstückes bereitzustellen,
bei dem einerseits das Werkzeug im Dauerbetrieb zuverlässig auf
eine Betriebstemperatur gekühlt
und andererseits ein Bauteil-Ausschuss reduziert werden kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruches
1 oder des Patentanspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 ist in dem Wärmeübertragungsmittel-Kreislauf
zumindest ein zuschaltbares Heizelement angeordnet, das das Wärmeübertragungsmittel bedarfsweise
erwärmt.
Für den
Fall, dass die Temperatur des Werkzeugs beschleunigt erhöht werden muss,
wird daher das Heizelement zur Erwärmung des Wärmeübertragungsmittels zugeschaltet.
Dadurch kann vor allem das Hochfahren der Vorrichtung bis zur Betriebstemperatur
des Werkzeugs bei Prozessbeginn oder nach einer Prozessunterbrechung beschleunigt
werden, wodurch der Schrottanteil reduziert und gleichzeitig die
Anlagenverfügbarkeit
erhöht
ist. Durch die erfindungsgemäß beschleunigte Erhöhung des
Werkzeugs auf die Betriebstemperatur ist bereits nach wenigen Arbeitszyklen
die Maßhaltigkeit
der Bauteile verbessert.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann der Wärmeübertragungsmittel-Kreislauf
zumindest eine Hauptleitung aufweisen, die das Wärmeübertragungsmittel ohne zusätzliche
Erwärmung
zum Werkzeug führt.
Auf diese Weise ist im Dauerbetrieb gewährleistet, dass das Werkzeug
zuverlässig
auf die Betriebstemperatur gekühlt
werden kann. Zusätzlich zur
Hauptleitung kann der Wärmeübertragungsmittel-Kreislauf
zumindest eine zu dem Werkzeug führende
Nebenleitung aufweisen, in der das Heizelement angeordnet ist. Für den Fall,
dass die Werkzeugtemperatur schnell erhöht werden muss, kann daher
das Wärmeübertragungsmittel
durch die Nebenleitung geleitet und vom Heizelement erwärmt werden.
Beispielhaft kann die Nebenleitung als eine Bypass-Leitung parallel
zur Hauptleitung geschaltet sein.
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Zum Öffnen und/oder
Schließen
der Haupt- und Nebenleitung kann in dem Wärmeübertragungsmittel-Kreislauf
zumindest ein Schaltventil angeordnet sein. Das Schaltventil kann
entsprechend ansteuerbar sein, um die Hauptleitung und/oder die
Nebenleitung zu öffnen
oder zu schließen.
Für eine
exakte Steuerung der Werkzeugtemperatur kann es von Vorteil sein,
wenn sowohl die Nebenleitung als auch die Hauptleitung des Wärmeübertragungsmittel-Kreislaufs
jeweils ein eigenes Schaltventil aufweist.
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Das
Schaltventil kann in einer einfachen Ausgestaltung als ein Elektromagnetventil
durch ein Temperaturelement schaltbar sein, das die Temperatur des
Umformwerkzeugs erfasst. Alternativ oder zusätzlich kann das Heizelement
direkt mittels des Temperaturelements schaltbar sein.
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Als
Wärmequelle
für das
Heizelement kann vorteilhaft die Abwärme eines, der Umformvorrichtung
vorgeschalteten Durchlaufofens oder Kammerofens verwendet werden,
der die Werkstücke
vor der Warmumformung vorwärmt.
Das Heizelement kann in diesem Fall ein Wärmetauscher sein, mit dem die Abwärme des
Durchlaufofens auf das Wärmeübertragungsmittel übertragen
wird.
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Damit
im Dauerbetrieb das Umformwerkzeug zuverlässig auf die Betriebstemperatur
gekühlt wird,
kann im Wärmeübertragungsmittel-Kreislauf
ein Kühler
angeordnet sein, der das Wärmeübertragungsmittel
entsprechend kühlt.
Für eine
möglichst verzögerungsfreie
Temperatursteuerung des Werkzeugs ist das Wärmeübertragungsmittel bevorzugt ein
Fluid oder eine Flüssigkeit,
die einen entsprechend hohen Wärmeübertragungskoeffizienten
aufweist.
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Nachfolgend
sind zwei Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der beigefügten
Figuren beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 in
einem grob schematischen Blockschaltbild eine Umformvorrichtung
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
und
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2 entsprechend
der 1 eine Umformvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der 1 weist die Umformvorrichtung eine Tiefziehpresse 1 mit
einem vorgeschalteten Durchlaufofen 3 auf. Von der Tiefziehpresse 1 ist
in der 1 nur ein unteres Werkzeug 5 sowie ein
oberes Werkzeug 7 gezeigt, die in der 1 mit
ihren korrespondierenden Formflächen 9 aufeinanderliegend
dargestellt sind. Die in der Tiefziehpresse 1 zu bearbeitenden Bauteile 11 werden
zunächst
mittels Förderrollen 13 durch einen
Heiztunnel 15 des Durchlaufofens 3 geleitet, so
dass jedes der Bauteile 11 vorgewärmt der Tiefziehpresse 1 zugeführt werden
kann.
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Das
obere und untere Werkzeug 5, 7 der Tiefziehpresse 1 ist
gemäß der 1 jeweils
mit Strömungskanälen 17 durchsetzt,
die in der 1 jeweils nahe an der jeweiligen
Formfläche 9 der
Werkzeuge 5, 7 verlaufen. Die Strömungskanäle 17 erstrecken
sich dabei netzartig in gleichmäßiger Weise über jeweils
die gesamte Formfläche 9 der
Werkzeuge 5, 7.
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Die
Strömungskanäle 17 werden über einen geschlossenen
Wärmeübertragungsmittel-Kreislauf 19 mit
einem Wärmeübertragungsmittel,
etwa Wasser, versorgt. Hierzu sind die Strömungskanäle 17 gemäß der 1 jeweils
an den Werkzeugseiten mit einer Einlassleitung 21 und gegenüberliegend
mit einer Auslassleitung 23 in Verbindung. Ausgehend von einem
Wärmeübertragungsmittel-Tank 25 wird
mit Hilfe einer in der Einlassleitung 21 geschalteten Pumpe 27 das
Wärmeübertragungsmittel
in die Strömungskanäle 17 gefördert und über die
Auslassleitung 23 wieder in den Wärmeübertragungsmittel-Tank 25 zurückgeleitet.
In der Auslassleitung 23 ist ein Wärmetauscher 29 angeordnet,
der das aus den Strömungskanälen 17 geleitete
Wärmeübertragungsmittel
kühlt,
bevor es in den Tank 25 eingeleitet wird. Zusätzlich zum
Wärmetauscher 29 kann
ein Filter in der Auslassleitung 23 angeordnet sein, der
Verunreinigungen aus dem Wärmeübertragungsmittel filtert.
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Zu
der Einlassleitung 21 als Hauptleitung ist in Parallelschaltung
eine Nebenleitung 31 geschaltet. Diese zweigt auf der Druckseite
der Pumpe 27 von der Einlassleitung 21 ab und
ist über
einen Wärmetauscher 33 des
Durchlaufofens 3 wieder zurück zur Einlassleitung 21 geführt. Sowohl
in der Nebenleitung 31 als auch in der Einlassleitung 21 ist
ein elektromagnetisch betätigbares
3/2-Wegeventil 35, 37 geschaltet.
Das 3/2-Wegeventil 37 ist mittels einer Druckfeder in der
geschlossenen Schaltstellung gehalten, während das in der Nebenleitung 31 befindliche
3/2-Wegeventil 35 mittels einer Druckfeder in der geöff neten
Stellung gehalten ist. Die beiden Schaltventile 35, 37 sind über Signalleitungen 39 mittels
eines Temperaturschalters 41 ansteuerbar, der die Temperatur
der oberen und unteren Werkzeuge 5, 7 an ihren
jeweiligen Formflächen 9 erfasst.
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Mit
dem Hochfahren der Vorrichtung bei einem Prozessbeginn oder nach
einer Prozessunterbrechung wird zunächst die Pumpe 27 aktiviert,
die das Wärmeübertragungsmittel
vom Tank 25 in die vom Wegeventil 35 geöffnete Nebenleitung 31 fördert und
weiter durch den Wärmetauscher 33 des
Durchlaufofens 3 fördert.
Im Wärmetauscher 33 wird
die Abwärme
des Heiztunnels 15 des Ofens 3 auf das Wärmeübertragungsmittel
geleitet. Nach dem Wärmetauscher 33 wird
das Wärmeübertragungsmittel über ein
Rückschlagventil 38 zurück in die
Einlassleitung 21 und von dort weiter in die werkzeugseitigen Strömungskanäle 17 geleitet.
Ein dem Wegeventil 37 in der Einlassleitung 21 nachgeschaltetes
Rückschlagventil 39 verhindert,
dass das erwärmte
Wärmeübertragungsmittel
in das Wegeventil 37 der Einlassleitung 21 einströmt. Das
durch die Werkzeuge 5, 7 strömende Wärmeübertragungsmittel gibt seine Wärme an die
Werkzeuge 5, 7 ab und wird in die Auslassleitung 23 geleitet.
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Die
Auslassleitung 23 ist über
ein weiteres 3/2-Wegeventil 43 wahlweise mit dem Tank 25 oder mit
einer Verbindungsleitung 45 verbindbar, die über ein
Rückschlagventil 47 in
die Saugseite der Pumpe 27 mündet. Das 3/2-Wegeventil 43 ist
ebenfalls über die
Signalleitung 39 mittels des Temperaturschalters 41 ansteuerbar.
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In
der 1 ist das Wegventil 43 in seiner zur
Verbindungsleitung 45 geöffneten Schaltstellung gezeigt.
Das Wärmeübertragungsmittel
wird somit am Wärmetauscher 29 und
am Tank 25 vorbei in einem geschlossenen Kreislauf direkt
zur Pumpe 27 geführt
und von dort weiter zum Wärmetauscher 33 des
Durchlaufofens 3 geleitet.
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Sobald
der Temperaturschalter 41 eine vorgegebene Betriebstemperatur
im Bereich der Formflächen 9 der
Werkzeuge 5, 7 erfasst, schaltet dieser über die
Signalleitungen 39 die elektromagnetisch betätigbaren
Wegeventile 35, 37 und 43, wodurch das
Schaltventil 35 der Nebenleitung 31 in seine geschlossene
Stellung und das Schaltventil 37 der Einlassleitung 21 in
seine geöffnete
Stellung geschaltet wird. Das Wärmeübertragungsmittel
wird daher nicht mehr über
den ofenseitigen Wärmetauscher 33 in
die Werkzeuge 5, 7 geleitet, sondern direkt ohne
zusätzliche
Erwärmung
in die Werkzeuge 5, 7. Dadurch kann die beim Umformen
entstehende Wärme
von den Werkzeugen 5, 7 abgeführt werden, so dass die Werkzeuge 5, 7 bei
ihrer Betriebstemperatur gehalten sind. Nach dem Verlassen der Strömungskanäle 17 wird
das erwärmte
Wärmeübertragungsmittel über das
ebenfalls geschaltete 3/2-Wegeventil 43 durch den Kühler 29 in
den Tank 25 geleitet.
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Erfindungsgemäß wird daher
mit Hilfe eines Wärmetauschers 33 das
Wärmeübertragungsmittel bereits
vorgewärmt
in die Strömungskanäle 17 der Werkzeuge 5, 7 eingespeist,
wodurch die Betriebstemperatur der Werkzeuge 5, 7 beschleunigt
erreicht und entsprechend die Anfahrphase reduziert wird.
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Eine
solche Verkürzung
der Anfahrphase ist auch mittels des zweiten Ausführungsbeispiels
der 2 ermöglicht.
Gemäß der 2 werden
die Strömungskanäle 17 der
Werkzeuge 5, 7 ebenfalls mittels des geschlossenen
Kreislaufs 19 mit dem Wärmeübertragungsmittel
versorgt.
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Im
Unterschied zur 1 erfolgt die Erwärmung des
Wärmeübertragungsmittels
nicht durch die Abwärme
des Durchlaufofens 3, sondern durch ein vom Durchlaufofen 3 separates
Heizelement 33, das in der 2 eine elektrisch
betätigbare
Heizwendel ist, durch die das Wärmeübertragungsmittel
in der Einlassleitung 21 zu den Strömungskanälen 17 der Werkzeuge 5, 7 strömt.
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Die
Heizwendel 33 wird mittels des Temperaturschalters 41 geschaltet,
sobald dieser eine vorgegebene Betriebstemperatur im Bereich der
Formflächen 9 der
Werkzeuge 5, 7 erfasst. In diesem Fall wird der
zur elektrischen Heizwendel 33 führende Stromkreis unterbrochen,
wodurch die Pumpe 27 das Wärmeübertragungsmittel ohne zusätzliche
Erwärmung
zu den Strömungskanälen 17 der
Werkzeuge 5, 7 speist und die Werkzeuge 5, 7 kühlt.
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Wie
gemäß der 1 bereits
beschrieben ist, erfolgt ein Wärmeübergang
von den Werkzeugen 5, 7 auf das die Strömungskanäle 17 durchströmende Wärmeübertragungsmittel.
Dieses wird anschließend
in die Auslassleitung 23 geleitet, die wie in der 1 bereits
gezeigt ist, über
das 3/2-Wegeventil 43 mit dem Tank 25 oder der
Verbindungsleitung 45 verbindbar ist.
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Beim
Hochfahren der Vorrichtung ist das Wegeventil 43 zur Verbindungsleitung 45 geöffnet, so dass
das Wärmeübertragungsmittel
entsprechend der 1 in einem geschlossenen Kreislauf
am Kühler 29 und
am Tank 25 vorbei direkt zur Pumpe 27 geleitet
wird.
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Sobald
die Temperaturschalter 41 bei der vorgegebenen Betriebstemperatur
das 3/2-Wegeventil 43 schaltet, wird das Wärmeübertragungsmittel über das
3/2-Wegeventil 43 durch den Kühler 29 in den Tank 25 geleitet.
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Im
Unterschied zur 1 kann die Heizwendel 33 als
separates Modul in bestehenden Umformvorrichtungen problemlos ohne
aufwendige Umbaumaßnahmen
nachgerüstet
werden.