DE102006040224A1

DE102006040224A1 - Verfahren und Werkzeug zum Warmumformen eines Metallwerkstücks

Info

Publication number: DE102006040224A1
Application number: DE102006040224A
Authority: DE
Inventors: Xiangfan Dr. Fang
Original assignee: Magna Automotive Services GmbH
Current assignee: Magna Automotive Services GmbH
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-03-20
Also published as: EP2059355A1; US9242287B2; JP2010501358A; WO2008025387A1; US20140033785A1; US8578750B2; BRPI0715202A2; US20100126640A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Warmumformwerkzeug zum Warmumformen eines Metallwerstücks mit wenigstens zwei zum Umformen des Werkstücks relativ zueinander bewegbaren Matrizen und einer Kühlvorrichtung, mit welcher das Werkstück im Warmumformwerkzeug von einer ersten, höheren Temperatur auf eine zweite, niedrigere Temperatur gekühlt werden kann. Um das Warmumformwerkzeug zu verbessern, wird vorgeschlagen, das Warmumformwerkzeug mit einer Trenneinrichtung zu versehen, mit welcher an einem im Warmumformwerkzeug befindlichen Werkstück eine Trennoperation ausführbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Warmumformverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmumformen eines Metallwerkstücks, bei welchem das Werkstück zunächst mit einer ersten, höheren Temperatur in einem Umformwerkzeug umgeformt wird und eine zweite, niedrigere Temperatur erreicht, bei welcher das Material des Werkstücks eine deutlich höhere Festigkeit hat als bei der ersten Temperatur. Die Erfindung betrifft ferner ein Umformwerkzeug hierfür.
Bei solch einem bekannten gattungsgemäßen Umformwerkzeug wird ein auf Austenitisierungs-Temperatur erwärmtes Metallwerkstück umgeformt. Das Umformwerkzeug weist eine Kühleinrichtung auf, mit welcher das im Umformwerkzeug befindliche Werkstück abgeschreckt wird, um das austenitische Gefüge in martensitisches Gefüge umzuwandeln, d.h. um das Werkstück zu härten. Dabei ist es wichtig, einen bestimmten Zeitverlauf der Temperatur des Werkstücks einzuhalten, um die gewünschte Härte und die gewünschte Art des martensitischen Gefüges zu erhalten. Insbesondere ist eine Mindestkühlgeschwindigkeit erforderlich. Andererseits muss das Kühlen mit dem Umformen abgestimmt sein. Wird das Werkstück zu früh hart, wird das Umformen beeinträchtigt.
Das Werkstück wird im Umformwerkzeug behalten, bis es auf eine Temperatur von etwa 100°C abgekühlt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Werkstück ausreichend weit abgekühlt wird und Abmessungen hat, die im Wesentlichen seinen Endmaßen entsprechen.
Hiernach wird das Werkstück weiteren Bearbeitungsschritten zugeführt, in welchen seine Außenkontur zurechtgeschnitten wird, beispielsweise mit Hilfe einer Laser- oder Plasmaschneidanlage.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend zu verbessern, dass das Werkstück auf möglichst einfache Weise umgeformt und einer Trennoperation unterworfen wird, und eine entsprechende Vorrichtung dafür zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren zum Warmumformen eines Metallwerkstücks, mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Damit ist es möglich, die Trennoperation bereits im Umformwerkzeug am Werkstück vorzunehmen. Dabei ist es sogar möglich, das Umformen und die Trennoperation zeitlich gut miteinander zu koordinieren, und zwar auch unter Berücksichtigung des Kühlens. Mit dem integrierten Verfahren von Umformen und Trennen ist überdies eine gute Fertigungsgenauigkeit erreichbar.
Da die Trennoperation erfolgt, bevor das Werkstück die zweite Temperatur erreicht, sind auch mechanische Trennmittel gut einsetzbar. Vor Erreichen der zweiten Temperatur hat das Werkstück noch eine deutlich geringere Festigkeit, d.h. der Verschleiß an mechanischen Trennmitteln ist gering.
Vorteilhafterweise kann sich das Gefüge des Werkstücks beim Übergang von der ersten zu der zweiten Temperatur umwandeln. Mit der Gefügeumwandlung lässt sich besonders gut die höhere Fertigkeit erreichen.
Bevorzugterweise kann sich das Gefüge von einem austinitischen Gefüge in ein martenistisches Gefüge umwandeln. Hierdurch ist ein Härten des Werkstückes in das Verfahren integriert.
Günstigerweise kann das Trennen im Wesentlichen abgeschlossen sein, bevor sich das Gefüge umgewandelt hat. So kann noch vor der vollständigen Gefügeumwandlung die Trennoperation durchgeführt werden und das noch weichere Werkstück kann verschleißarm getrennt werden.
Besonders vorteilhaft kann das Trennen in einem Temperaturbereich des Werkstücks von etwa 350°C bis 500°C erfolgen. Hier ist das Werkstück noch ausreichend weich. Mechanische Trennmittel können in diesem Temperaturbereich mit guten Standzeiten verwendet werden.
Bevorzugterweise kann unmittelbar nach Abschluss des Umformens getrennt werden. Hier wird eine hohe Genauigkeit erreicht, da das Umformen die Geometrie des Werkstückes nicht mehr verändert.
Besonders günstig kann gegen Ende des Umformens getrennt werden. Dabei ist das Werkstück bereits ausreichend weit umgeformt, so dass mit dem Trennen trotzdem eine gute Genauigkeit erzielbar ist.
Besonders bevorzugt kann das Trennen bei einem Restweg von Matrizen des Umformwerkzeugs von etwa ein- bis dreifacher Materialstärke des Werkstückes einsetzen, vorzugsweise bei einem Restweg von etwa zweifacher Materialstärke des Werkstücks. Auf diese Weise wird eine gute Genauigkeit bei einem gegen Ende des Umformens erfolgenden Trennen erzielt.
Besonders vorteilhaft kann ein an die Trennstelle angrenzender Bereich des Werkstücks nach dem Trennen in Richtung auf den Bereich von Matrizen des Umformwerkzeuges verschoben werden. So wird über das Hineinbewegen des Werkstücks in den Bereich der Matrizen die vorgesehene Endkontur erzielt.
Bevorzugterweise kann durch eine Relativbewegung zwischen einem Werkstückhalter und einer Matrize des Umformwerkzeuges getrennt werden. Günstigerweise kann so mit Hilfe des Werkstückhalters die Trennoperation erfolgen.
Günstigerweise kann sich der Werkstückhalter relativ zu einer ersten Matrize bewegen, welche ihre Relativlage zum Werkstückhalter vor dem Trennen im Wesentlichen beibehält. Damit können die Matrize und der Werkstückhalter ihre Lage zueinander praktisch beibehalten und während des Trennens erfolgt durch die Relativbewegung die Trennoperation.
Besonders bevorzugt kann sich der Werkstückhalter relativ zu der ersten Matrize bewegen, nachdem diese ihre Bewegung relativ zu einer zweiten Matrize beendet hat. So könnte sich der Werkstückhalter beispielsweise noch weiterbewegen, nachdem die erste Matrize mit der zweiten Matrize zusammengefahren ist, und damit die Trennoperation erfolgen.
Vorzugsweise kann sich die erste Matrize relativ zum Werkstückhalter bewegen, nachdem dieser seine Bewegung relativ zu einer zweiten Matrize beendet hat. Beispielsweise könnte sich die erste Matrize noch weiter zu der zweiten Matrize bewegen, nachdem die Relativbewegung des Werkstückhalters gegenüber der zweiten Matrize gestoppt wurde, und damit die Trennoperation erfolgen.
Vorteilhafterweise kann unmittelbar durch ein Zusammenfahren von zwei Matrizen des Umformwerkzeuges getrennt werden. Hierdurch erfolgen Trennen und Umformen in einem integrierten Vorgang durch das Zusammenfahren der Matrizen.
Günstigerweise können die Matrizen Schneidelemente einer Trenneinrichtung aufweisen, welche während des Trennens in ihrer Relativlage zur formgebenden Kontur der jeweiligen Matrize gehalten werden. So ist der integrierte Vorgang von Trennen und Umformen mit einer mechanisch einfachen Bewegung von den Matrizen möglich, die mit Hilfe ihrer Schneidelemente das Trennen bewirken.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann während des Trennens ein erstes Formteil einer Matrize relativ zu einem zweiten Formteil dieser Matrize bewegt werden. So kann die Trennoperation durch eine Relativbewegung der Formteile erfolgen. In einer speziellen Ausgestaltung kann ein einem der Formteile zugeordneter Bereich des Werkstückes fertig umgeformt werden, bevor getrennt wird. Auf diese Weise wird eine hohe Genauigkeit beim Trennen erreicht.
Besonders günstig kann die Trennoperation mit wenigstens einer Trenneinrichtung durchgeführt werden, welche unmittelbar nach dem Trennen in ihre Lage vor dem Trennen zurückbewegt wird. Dadurch wird die Dauer des Kontaktes der Trenneinrichtung mit der Trennfläche des Werkstückes gering gehalten und so die Erwärmung der Trenneinrichtung begrenzt. Hierdurch wird nicht nur ein durch Erwärmen oder thermisches Ausdehnen der Trenneinrichtung bedingter Verschleiß verringert, sondern auch einem Verklemmen von Trenneinrichtung und Werkstück entgegengewirkt.
Besonders vorteilhaft kann mit der Trennoperation eine Randkontur des Werkstücks hergestellt werden. Auf diese Weise kann ein vom Umformen verbleibender Überstand entfernt werden.
Bevorzugterweise wird das Werkstück in dem Warmumformwerkzeug gelocht. Damit wird ein geschlossener Werkstückbereich von dem Werkstück abgetrennt.
Günstigerweise wird erst nach dem Abschluss des Umformens des Werkstückes gelocht. Hierdurch wird eine hohe Genauigkeit der gelochten Kontur erzielt.
Die Aufgabe wird ferner gelöst mit einem Warmumformwerkzeug zum Warmumformen eines Metallwerkstücks, mit den Merkmalen des Anspruchs 21.
Damit ist es möglich, das Warmumformwerkzeug mit einer Trenneinrichtung zu versehen, mit welcher bereits an dem im Warmumformwerkzeug befindlichen Werkstück eine Trennoperation ausführbar ist. Mit einer derartigen Trenneinrichtung ist sogar eine gute zeitliche Koordination von Umformen und Trennoperation möglich, und zwar auch unter Berücksichtigung des Kühlens. Mit dem mit der Trenneinrichtung versehenen Warmumformwerkzeug ist darüber hinaus auch eine gute Fertigungsgenauigkeit erzielbar.
Besonders vorteilhaft kann wenigstens ein Teil der Trenneinrichtung mit einem Werkstückhalter ausgebildet sein, welcher das Werkstück während des Umformens hält und relativ zu einer Matrize bewegbar ist, wobei mit dieser Relativbewegung eine Trennoperation ausgeführt werden kann. Günstigerweise kann so die Trennoperation mit Hilfe des Werkstückhalters erfolgen.
Besonders bevorzugt kann der Werkstückhalter relativ zu einer ersten Matrize bewegbar sein, welche ihre Relativlage zum Werkstückhalter bis zum Trennen im Wesentlichen beibehält. Auf diese Weise können die Matrize und der Werkstückhalter ihre Relativlage praktisch beibehalten und während des Trennens erfolgt durch die Relativbewegung die Trennoperation.
Günstigerweise kann der Werkstückhalter über einen Totpunkt der Matrizen im geschlossenen Zustand hinaus relativ zu einer zweiten Matrize bewegbar sein. Es ist möglich, die Trennoperation beispielsweise dadurch zu realisieren, dass der Werkstückhalter seine Bewegung zur zweiten Matrize noch fortsetzt, während sich die erste Matrize schon nicht mehr relativ zur zweiten Matrize bewegt.
Vorteilhafterweise kann die erste Matrize über einen Totpunkt des Werkstückhalters bezüglich einer zweiten Matrize hinaus relativ zu der zweiten Matrize bewegbar sein. So könnte die erste Matrize beispielsweise ihre Bewegung relativ zur zweiten Matrize noch fortsetzen, während der Werkstückhalter bezüglich der zweiten Matrize bereits ruht, und damit die Trennoperation erfolgen.
Bevorzugterweise kann an dem Werkstückhalter wenigstens ein Schneidelement und an der Matrize wenigstens ein Schneidelement der Trenneinrichtung vorgesehen sein. So kann eine Trennoperation durch eine Relativbewegung von Matrize und Werkstückhalter ausgeführt werden.
Vorteilhafterweise kann die Trenneinrichtung ein Lochwerkzeug aufweisen, welches mit dem Werkstückhalter verbunden und mit ihm verfahrbar ist. Durch ein Bewegen des Werkstückhalters wird das Lochwerkzeug bewegt und kann eine Trennoperation ausführen. Es ist möglich, dass mit Hilfe der Bewegung von Lochwerkzeug und Werkstückhalter gleichzeitig Trennoperationen ausgeführt werden.
Besonders bevorzugt kann die Trenneinrichtung an den Matrizen vorgesehene, einander zugeordnete Schneidelemente aufweisen, welche bei einem Zusammenfahren der Matrizen eine Trennoperation am Werkstück ausführen. Hiermit erfolgen Umformen und Trennen durch das Zusammenfahren der Matrizen in einem integrierten Vorgang.
Günstigerweise können die Schneidelemente in ihrer Lage zur formgebenden Kontur ihrer jeweiligen Matrize fixiert sein. So ist es möglich, Umformen und Trennen mit einer mechanisch einfachen Bewegung der Matrizen zu realisieren, die mit Hilfe der Schneidelemente das Trennen bewirken.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann eine Matrize ein erstes Formteil sowie ein während des Trennens relativ hierzu bewegbares zweites Formteil aufweisen. Es ist möglich, dass ein einem der Formteile zugeordneter Bereich des Werkstückes fertig umgeformt wird bevor getrennt wird. Hierdurch ist eine hohe Trenngenauigkeit erzielbar.
Besonders günstig kann die Trenneinrichtung ein Lochwerkzeug aufweisen. Damit kann ein geschlossener Werkstückbereich von dem Werkstück abgetrennt werden.
Vorteilhafterweise kann die Trenneinrichtung wenigstens ein Schneidelement aufweisen, welches eine Cu-Zr-Legierung aufweist. Hierdurch ist das Schneidelement hoch wärmefest, was zu einem guten Verschleißwiderstand führt. Außerdem ist das Schneidelement gut wärmeleitfähig. Dies eröffnet die Möglichkeit, ein Trennen auch bei Temperaturen von beispielsweise ca. 500°C bis 350°C mit indirekter Kühlung des Schneidelementes auszuführen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
1 ein Warmumformwerkzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 ein Warmumformwerkzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
3 ein Warmumformwerkzeug gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und
4 ein Warmumformwerkzeug gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche oder analoge Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
In der linken Hälfte der Figuren ist jeweils eine Stellung vor dem Umformen gezeigt und in der rechten Hälfte der Figuren eine Stellung nach einem Umformen und Trennen.
In der nachfolgenden Beschreibung wird der Begriff „Umformen" als ein Verändern der Form eines Werkstückes unter Einwirkung von verformendem Werkzeug verstanden.
In 1 ist ein Warmumformwerkzeug 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, welches zwei zum Umformen eines Metallwerkstückes 4 relativ zueinander bewegbare Matrizen 2, 3, eine Kühlvorrichtung 5, eine Trenneinrichtung 10 und einen Werkstückhalter 12 aufweist.
Mit der Kühlvorrichtung 5 kann das Metallwerkstück 4 im Warmumformwerkzeug 1 von einer ersten, höheren Temperatur auf eine zweite, niedrigere Temperatur gekühlt werden. Die Kühlvorrichtung 5 weist im Bereich von formgebenden Oberflächen 6, 7 der Matrizen 2, 3 vorgesehene Kühlleitungen 8, 9, sowie im Bereich der Trenneinrichtung 10 bzw. des Werkstückhalters 12 vorgesehene Kühlleitungen 27, 28 auf, durch welche ein Kühlmittel geleitet wird.
Mit der Trenneinrichtung 10 ist an dem im Warmumformwerkzeug 1 befindlichen Metallwerkstück 4 eine Trennoperation ausführbar. Ein Teil der Trenneinrichtung 10 ist mit einer der Matrizen ausgebildet und wird von den in diesem Bereich vorgesehenen Kühlleitungen 27 indirekt gekühlt. Ein weiterer Teil der Trenneinrichtung 10 ist mit dem Werkstückhalter 12 ausgebildet, welcher das Metallwerkstück während des Umformens hält und relativ zu der Matrize bewegbar ist, und wird von den in diesem Bereich vorgesehenen Kühlleitungen 28 indirekt gekühlt.
Es ist auch möglich, wenigstens einen Teil der Trenneinrichtung für ein direktes Kühlen mit Kühlleitungen zu versehen.
Insbesondere weist der Werkstückhalter 12 ein erstes Halteteil 14 und ein zweites Halteteil 15 auf, zwischen welchen das Metallwerkstück 4 gehalten wird. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist das erste Halteteil 14 mit einem ersten Schneidelement 11 der Trennein richtung 10 ausgebildet und befindet sich neben der ersten Matrize 2, zu welcher der Werkstückhalter 12 relativ bewegbar ist.
Die zweite Matrize 3 ist mit einem zweiten Schneidelement 13 der Trenneinrichtung 10 ausgebildet, welches zu dem ersten Schneidelement 11 korrespondiert und mit diesem beim Trennen zusammenarbeitet. Das erste Schneidelement 11 ist Teil der formgebenden Oberfläche seiner Matrize. In der Ausgangslage vor dem Umformen, wie sie in der linken Hälfte von 1 gezeigt ist, befinden sich das erste und zweite Schneidelement auf gegenüberliegenden Seiten des Metallwerkstücks 4.
Die Trenneinrichtung 10 weist ferner ein Lochwerkzeug 16 auf, welches ein drittes Schneidelement 17 hat. Das Lochwerkzeug 16 ist mit dem Werkstückhalter 12 verbunden und mit ihm verfahrbar. Der Werkstückhalter 12 und das Lochwerkzeug 16 sind an einer gemeinsamen Grundplatte 18 befestigt. Die Grundplatte 18 überspannt den Bereich der Matrizen. Das erste Halteteil 14 stützt sich daran ab.
Wird die Grundplatte 18 relativ zur ersten Matrize 2 bewegt, werden hierdurch das erste Halteteil 14 und das Lochwerkzeug 16 relativ zur ersten Matrize 2 bewegt. Die relative Bewegbarkeit der Grundplatte 18 zur ersten Matrize 2 wird durch ein Ziehkissen 19 ermöglicht. Das Ziehkissen 19 kann Federelemente und/oder fluidische Elemente, wie z.B. hydraulische Zylinder, aufweisen.
Wenigstens eines der Schneidelemente, in dieser Ausführungsform der Erfindung sind es alle Schneidelemente 11, 13, 17, weist eine hoch wärmefeste und gleichzeitig gut wärmeleitfähige Legierung auf. Hierdurch hat das Schneidelement auch bei hohen Temperaturen einen geringen Verschleiß und ist in der Lage, aufgenommene Wärme schnell abzuleiten. Dabei kann das Schneidelement mit indirekter Kühlung ausreichend gekühlt werden. Es ist jedoch auch möglich, das Schneidelement aktiv zu kühlen, beispielsweise indem Kühlkanäle eingearbeitet werden und Kühlmittel hindurchgeleitet wird.
Das Schneidelement weist vorzugsweise eine Cu-Zr-Legierung auf.
Nachfolgend wird die Funktion des Warmumformwerkzeuges 1 der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Das Metallwerkstück 4 wird auf seine erste Temperatur erwärmt, bei welcher es eine verringerte Festigkeit und ein erhöhtes Umformvermögen aufweist. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die erste Temperatur eine Austenitisierungstemperatur. Sie kann beispielsweise im Bereich von 900°C bis 950°C gewählt werden, wobei das Metallwerkstück ein Borlegierter Stahl sein kann. Es ist möglich, das Werkstück noch eine Zeit lang bei der ersten Temperatur zu glühen.
Anschließend wird das Werkstück zwischen den kalten und aktiv gekühlten Matrizen 2, 3 positioniert und zwischen den Halteteilen 14, 15 des Werkstückhalters 12 eingespannt. Dabei wird das zweite Halteteil 15 mit einem Aktuator 38 geöffnet und geschlossen, der fluidisch betrieben sein und/oder mit Federkraft arbeiten kann. Der Werkstückhalter hat die vollständige Haltefunktion für das Werkstück.
Durch Zusammenfahren der Matrizen 2, 3 wird das Werkstück nun umgeformt, was in diesem Falle ein Tiefziehen ist. Dabei behält die Grundplatte 18 – und mit ihr der Werkstückhalter 12 und das Lochwerkzeug 16 – ihre Relativlage zur ersten Matrize 2 bei, bis das Zusammenfahren der Matrizen einen Totpunkt erreicht hat, d.h. sich die Matrizen 2, 3 in geschlossenem Zustand befinden. Mit Erreichen des Totpunktes ist das Umformen des Werkstückes 4 abgeschlossen.
Hiernach wird die Grundplatte 18 relativ zur ersten Matrize 2 in Richtung zu der zweiten Matrize bzw. zu dem Werkstück 4 bewegt. Damit wird der Werkstückhalter 12 relativ zur ersten Matrize bewegt und das erste und zweite Schneidelement 11, 13 führen durch diese Relativbewegung eine Trennoperation aus, mit welcher ein Randbereich 24 des Werkstücks 4 abgetrennt wird. Gleichzeitig wird das Lochwerkzeug 16 relativ zur ersten Matrize 2 bewegt, nämlich durch eine Öffnung 20 der ersten Matrize 2 bis in eine hierzu korrespondierende Gegenöffnung 21 der zweiten Matrize 3 hinein. Hierdurch wird ein Lochstück 25 vom Metallwerkstück abgetrennt und durch die Gegenöffnung 21 entfernt.
Durch das Trennen nach Abschluss des Umformens wird eine hohe Genauigkeit beim Trennen erreicht.
Das Umformen und Trennen erfolgen zügig. Insbesondere wird das Trennen im Wesentlichen abgeschlossen, bevor das Werkstück eine zweite, niedrigere Temperatur erreicht, bei welcher sein Material eine deutlich höhere Festigkeit hat als bei der ersten Temperatur. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Temperatur eine Martensittemperatur. Das Metallwerkstück wird durch die Kühlvorrichtung 5 im Warmumformwerkzeug abgeschreckt, wodurch sich sein austenitisches Gefüge beim Übergang von der ersten in die zweite Temperatur in martensitisches Gefüge umwandelt. Das Trennen kann beispielsweise noch in einem Temperaturbereich des Werkstücks 4 von etwa 500°C bis 350°C erfolgen.
In der rechten Hälfte von 1 ist der Zustand des Warmumformwerkzeuges 1 unmittelbar nach dem Trennen gezeigt. Unmittelbar hiernach wird die Grundplatte 18 in ihre Lage vor dem Trennen relativ zur ersten Matrize 2 um den Schneidweg zurückgezogen. Dadurch werden das erste und dritte Schneidelement 11, 16 außer Kontakt mit den jeweiligen Trennflächen des Werkstücks gebracht und der Wärmeeintrag von den Trennflächen her wird beendet. Das thermische Ausdehnen des Werkstücks 4 wird insbesondere von dem Schneidelement 16 entkoppelt, was einem Verklemmen entgegenwirkt.
Das Werkstück verbleibt noch eine Weile im Warmumformwerkzeug bis es eine Temperatur von etwa 100°C bis 150°C erreicht hat. Das Werkstück 4 wird weiterhin unter Druck zwischen der ersten Matrize 2 und der zweiten Matrize 3 gehalten.
Bei der Bemaßung des Umformwerkzeuges ist das thermische Schrumpfen des Werkstückes zwischen dem Zeitpunkt des Trennens und dem Entnehmen aus dem Warmumformwerkzeug zu berücksichtigen. Da die Matrizen bis zum Entnehmen des Werkstückes geschlossen bleiben, wandert die Beschnittkante des Werkstückes entlang des Werkstückquerschnittes nach innen. Das Wandern kann je nach Teilegeometrie mehrere Millimeter betragen. Daher werden die Matrizen 2, 3 das Wandern der Beschnittkanten des Werkstückes berücksichtigend größer ausgelegt. Das heißt, das Werkstück erreicht seine Endmaße im wesentlichen beim Erreichen seiner vorgesehenen Entnahmetemperatur.
Die Taktzeit des Umformens mit Trennen ist im wesentlichen gleich der Taktzeit für ein Umformen ohne Trennen.
Die Beschnittkante des Werkstückes ist trotz des im Umformwerkzeug erfolgenden Beschneidens genauso gut wie eine Schnittkante, die beim Trennen mit einer zum Warmumformwerkzeug separaten Beschneidanlage erhalten wird.
In 2 ist ein Warmumformwerkzeug 101 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Nachfolgend werden die Unterschiede der zweiten Ausführungsform der Erfindung gegenüber der ersten Ausführungsform der Erfindung erläutert.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform der Erfindung wird der Werkstückhalter 12 bei dem Warmumformwerkzeug 101 der zweiten Ausführungsform bereits gegen Ende des Umformens, d.h. vor dem Abschluss des Umformens, relativ zur ersten Matrize 2 bewegt. Somit wird bereits gegen Ende des Umformens getrennt. Die Relativbewegung, d.h. das Trennen, setzt bei einem Restweg der zusammenfahrenden Matrizen von etwa zwei- bis dreifache Materialstärke des Metallwerkstückes 4 ein, vorzugsweise bei einem Restweg von etwa der Materialstärke des Metallwerkstücks zuzüglich etwa 1 mm. Dabei wird ein an die Trennstelle angrenzender Bereich des Werkstücks nach dem Trennen weiter in Richtung auf den Bereich der Matrizen verschoben. Dennoch wird eine gute Genauigkeit beim Trennen erreicht.
Durch das frühzeitigere Einsetzen des Trennens ist nicht nur der Prozess von Umformen und Trennen früher abgeschlossen, sondern das Werkstück ist zum Zeitpunkt des Trennens auch noch warmer. Andererseits kann auch getrennt werden, wenn das Metallwerkstück mit dem Abschluss des Umformens bereits seine zweite Temperatur erreicht hat.
In dieser Ausführungsform der Erfindung wird die vorgezogene Relativbewegung des Werkstückhaltes 12 zur ersten Matrize 2 mit Hilfe einer Anschlagvorrichtung 130 und einem Bewegungspuffer 129 zwischen Grundplatte 18 und Werkstückhalter 12, d.h. zwischen erster Matrize 2 und Werkstückhalter 12, realisiert. Der Bewegungspuffer 129 kann fluidisch und/oder mit Federkraft arbeiten.
Beim Zusammenfahren der Matrizen behalten der Werkstückhalter 12 und die erste Matrize 2 ihre Relativlage zunächst bei. Gegen Ende des Umformens wird der zuvor zusammen mit der ersten Matrize 2 bewegtem Werkstückhalter 12 mit Hilfe einer Anschlagvorrichtung 130 an einem Weiterbewegen relativ zur zweiten Matrize 3 gehindert, d.h. erreicht einen Totpunkt bezüglich der zweiten Matrize 3. Unter Nachgeben des Bewegungspuffers 129 bewegt sich die erste Matrize noch weiter relativ zur zweiten Matrize bis deren gemeinsamer Totpunkt erreicht ist, d.h. die Matrizen zusammengefahren sind und das Werkstück vollständig umgeformt ist.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform der Erfindung sind bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung das erste Schneidelement 11 am zweiten Halteteil 15 und das zweite Schneidelement 13 hierzu korrespondierend mit der ersten Matrize 2 ausgebildet. Die Kühlleitungen 27, 28 sind, wie in 2 gezeigt, entsprechend angeordnet.
Ein weiterer Unterschied zur ersten Erfindung besteht darin, dass das Lochwerkzeug 16 nicht mehr unmittelbar an der Grundplatte 18 vorgesehen ist, sondern mit Hilfe eines separaten Aktuators 131 relativ zu ihr bewegbar an ihr gelagert ist. Damit ist es möglich, ein Trennen mit Hilfe des Lochwerkzeuges 16 unabhängig von einem Trennen mit Hilfe des Werkstückhalters 12 durchzuführen. Dies kann auch zu einem anderen Zeitpunkt als das Trennen mit Hilfe des Werkstückhalters 12 erfolgen, beispielsweise wie in der ersten Ausführungsform nach vollständigem Abschluss des Umformens.
In 3 ist ein Warmumformwerkzeug 201 einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Nachfolgend werden die Unterschiede der dritten Ausführungsform der Erfindung gegenüber der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben.
Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung weist die Trenneinrichtung 210 unmittelbar an den Matrizen 202, 203 vorgesehene, einander zugeordnete erste und zweite Schneidelemente 240, 241 auf, welche unmittelbar durch ein Zusammenfahren der Matrizen eine Trennoperation am Werkstück 204 ausführen. Dabei behalten die Schneidelemente 240, 241 ihre Relativlage zu ihrer jeweiligen Matrize 202, 203 bei.
Nichtsdestotrotz können die Schneidelemente bewegliche Teile aufweisen.
Die Kühlleitungen 27, 28 sind entsprechend, wie in 3 gezeigt, im Bereich der Schneidelemente 240, 241 vorgesehen. Eine direkte Kühlung ist ebenfalls möglich.
Das Trennen mit Hilfe der ersten und zweiten Schneidelemente 240, 241 setzt wie bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung gegen Ende des Umformens bei einem Restweg der Matrizen ein, wie er bereits beschrieben wurde.
Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung sind das erste und zweite Schneidelement 240, 241 jeweils inmitten der formgebenden Oberfläche 206, 207 der jeweiligen Matrize 202, 203 angeordnet. D.h. nach dem Einsetzen des Trennens wird auch noch der Randbereich 224 des Werkstückes 204 umgeformt.
Mit dem ersten und dem zweiten Schneidelement 240, 241 kann bereichsweise ein Trennen am Werkstück 204 ausgeführt werden, wobei der Randbereich 224 am inneren Bereich 226 des Werkstücks verbleibt. Es ist jedoch auch möglich, den Randbereich 224 vom inneren Bereich 226 vollständig abzutrennen.
Das Warmumformwerkzeug 201 der dritten Ausführungsform der Erfindung weist einen Werkstückhalter 212 auf, dessen erstes Halteteil 214 mit der ersten Matrize 202 ausgebildet ist. Sein zweites Halteteil 215 ist relativ zur ersten Matrize 202 bewegbar wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform.
Der Werkstückhalter hat eine anteilige Haltefunktion für das Werkstück. Dabei besteht vor dem Umformen ein Abstand zwischen dem ersten Schneidelement 240 und dem vom Werkstückhalter 212 gehaltenen Werstück 204.
Das Lochwerkzeug 16 ist beim Warmumformwerkzeug 201 der dritten Ausführungsform der Erfindung so wie bei dem der zweiten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen.
Nachfolgend wird die vierte Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 4 beschrieben.
Die vierte Ausführungsform der Erfindung ist eine Weiterentwicklung der dritten Ausführungsform der Erfindung. Das Warmumformwerkzeug 301 weist eine in ein erstes Formteil 350 und ein zweites Formteil 351 unterteilte zweite Matrize auf. Während des Trennens werden die beiden Formteile 350, 351 relativ zueinander bewegt. Diese Relativbeweglichkeit wird mit Hilfe eines Ziehkissens 360 ermöglicht, das die Formteile verbindend vorgesehen ist.
Zum Umformen des Metallwerkstückes 204 fahren die beiden Matrizen 202, 303 zusammen. Zunächst wird das Umformen zwischen der ersten Matrize und einem der Formteile 350 abgeschlossen. Nach Erreichen des Totpunktes ihrer Relativbewegung bewegen sich die erste Matrize 202 und dieses Formteil gemeinsam relativ zum zweiten Formteil 351, wodurch die Trennoperation ausgeführt wird. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass beim Trennen mit Hilfe der Relativbeweglichkeit der beiden Formteile eine hohe Genauigkeit erreicht wird, wobei das Werkstück beim Einsetzen des Trennens insgesamt fertig umgeformt ist.
In der vierten Ausführungsform der Erfindung fährt die erste Matrize 202 mit dem ersten, inneren Formteil 350 bis zum Erreichen des gemeinsamen Totpunktes zusammen. Das zweite, äußere Formteil 351 weist ein zum ersten Schneidelement 240 der ersten Matrize korrespondierendes zweites Schneidelement 341 auf. Mit diesem wird getrennt, wenn sich die erste Matrize 202 und das erste Formteil 350 gemeinsam relativ zum zweiten Formteil 351 bewegen.
Wenigstens eines der Schneidelemente, in diesem Fall das erste Schneidelement 240, kann eine Haltefunktion haben, insbesondere während des Trennens, wie aus 4 hervorgeht. Es hält das Werkstück 204 an das innere Formteil 350 gedrückt.

Claims

Verfahren zum Warmumformen eines Metallwerkstückes (4, 204), bei welchem das Werkstück zunächst mit einer ersten, höheren Temperatur in einem Umformwerkzeug (1, 101, 201, 301) umgeformt wird und eine zweite, niedrigere Temperatur erreicht, bei welcher das Material des Werkstückes eine deutlich höhere Festigkeit hat als bei der ersten Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4, 204) vor dem Erreichen der zweiten Temperatur einer Trennoperation unterzogen wird, während es sich im Umformwerkzeug (1, 101, 201, 301) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gefüge des Werkstücks (4, 204) beim Übergang von der ersten zu der zweiten Temperatur umwandelt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gefüge von einem austenitischen Gefüge in ein martensitisches Gefüge umwandelt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen im Wesentlichen abgeschlossen ist, bevor sich das Gefüge umgewandelt hat.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen in einem Temperaturbereich des Werkstücks von etwa 350°C bis 500°C erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach Abschluss des Umformens getrennt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gegen Ende des Umformens getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen bei einem Restweg von Matrizen (2, 3; 202, 203; 202, 303) des Umformwerkzeuges (101, 201, 301) von etwa ein- bis dreifache Materialstärke des Werkstückes (4, 204) einsetzt, vorzugsweise bei einem Restweg von etwa zweifacher Materialstärke des Werkstücks.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein an die Trennstelle angrenzender Bereich des Werkstücks (4, 204) nach dem Trennen in Richtung auf den Bereich von Matrizen (2, 3; 202, 203; 203, 303) des Umformwerkzeugs (101, 201, 301) verschoben wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Relativbewegung zwischen einem Werkstückhalter (12) und einer Matrize (2) des Umformwerkzeuges (1, 101) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Werkstückhalter (12) relativ zu einer ersten Matrize (2) bewegt, welche ihre Relativlage zum Werkstückhalter (12) vor dem Trennen im Wesentlichen beibehält.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Werkstückhalter (12) relativ zu der ersten Matrize (2) bewegt, nachdem diese ihre Bewegung relativ zu einer zweiten Matrize (3) beendet hat.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Matrize (2) relativ zum Werkstückhalter (12) bewegt, nachdem dieser seine Bewegung relativ zu einer zweiten Matrize (3) beendet hat.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar durch ein Zusammenfahren von zwei Matrizen (202, 203; 202, 303) des Umformwerkzeuges (201, 301) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrizen (202, 203) Schneidelemente (240, 241) einer Trenneinrichtung (210) aufweisen, welche während des Trennens in ihrer Relativlage zur formgebenden Kontur (206, 207) der jeweiligen Matrize (202, 203) gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass während des Trennens ein erstes Formteil (350) einer Matrize (303) relativ zu einem zweiten Formteil (351) dieser Matrize (303) bewegt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennoperation mit wenigstens einer Trenneinrichtung (10) durchgeführt wird, welche unmittelbar nach dem Trennen in ihre Lage vor dem Trennen zurückbewegt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Trennoperation eine Randkontur des Werkstücks (4, 204) hergestellt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4, 204) in dem Umformwerkzeug (1, 101, 201, 301) gelocht wird.
Verfahren nach Ansprach 19, dadurch gekennzeichnet, dass erst nach dem Abschluss des Umformens des Werkstücks (4, 204) gelocht wird.
Warmumformwerkzeug (1, 101, 201, 301) zum Warmumformen eines Metallwerkstückes (4, 204), insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit wenigstens zwei zum Umformen des Werkstücks relativ zueinander bewegbaren Matrizen (2, 3; 202, 203; 202, 303) und einer Kühlvorrichtung (5), mit welcher das Werkstück im Warmumformwerkzeug von einer ersten, höheren Temperatur auf eine zweite, niedrigere Temperatur gekühlt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformwerkzeug (1, 101, 201, 301) mit einer Trenneinrichtung (10, 210, 310) versehen ist, mit welcher an einem im Warmumformwerkzeug befindlichen Werkstück eine Trennoperation ausführbar ist.
Warmumformwerkzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil (11) der Trenneinrichtung (10) mit einem Werkstückhalter (12) ausgebildet ist, welcher das Werkstück (4) während des Umformens hält und relativ zu einer Matrize (2) bewegbar ist, wobei mit dieser Relativbewegung eine Trennoperation ausgeführt werden kann.
Warmumformwerkzeug nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (12) relativ zu einer ersten Matrize (2) bewegbar ist, welche ihre Relativlage zum Werkstückhalter (12) bis zum Trennen im Wesentlichen beibehält.
Warmumformwerkzeug nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (12) über einen Totpunkt der Matrizen (2, 3) im geschlossenen Zustand hinaus relativ zu einer zweiten Matrize (3) bewegbar ist.
Warmumformwerkzeug nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Matrize (2) über einen Totpunkt des Werkstückhalters bezüglich einer zweiten Matrize (3) hinaus relativ zu der zweiten Matrize (3) bewegbar ist.
Warmumformwerkzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Werkstückhalter (12) wenigstens ein Schneidelement (11) und an der Matrize (2) wenigstens ein Schneidelement (13) der Trenneinrichtung (10) vorgesehen sind.
Warmumformwerkzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (10) ein Lochwerkzeug (16) aufweist, welches mit dem Werkstückhalter (12) verbunden und mit ihm verfahrbar ist.
Warmumformwerkzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (210) an den Matrizen (202, 203; 202, 303) vorgesehene, einander zugeordnete Schneidelemente (240, 241; 240, 341) aufweist, welche bei einem Zusammenfahren der Matrizen eine Trennoperation am Werkstück (204) ausführen.
Warmumformwerkzeug nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidelemente (240, 241) in ihrer Lage zur formgebenden Kontur (206, 207) ihrer jeweiligen Matrize (202, 203) fixiert sind.
Warmumformwerkzeug nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrize (303) ein erstes Formteil (350) sowie ein während des Trennens relativ hierzu bewegbares zweites Formteil (351) aufweist.
Warmumformwerkzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (10, 210, 310) ein Lochwerkzeug (16) aufweist.
Warmumformwerkzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (10, 210) wenigstens ein Schneidelement (11, 13, 17, 240, 241, 341) aufweist, welches eine Cu-Zr-Legierung aufweist.