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Die
Erfindung betrifft ein Werkzeug für das Warmumformen oder Presshärten eines
Metallblechs.
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Zur
Gewichtsreduzierung und zur Erhöhung der
Crashfestigkeit werden in der Automobilindustrie hochfeste Stahlbleche
eingesetzt.
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Ein
bekanntes Verfahren zur Herstellung hochfester Stahlbleche ist das
direkte Warmumformen. Hierbei werden Stahlblechplatinen zunächst erwärmt und
daraufhin in einem Warmumformwerkzeug umgeformt und gleichzeitig
stark gekühlt
(abgeschreckt). Nach dem darauf folgenden Anlassen erfolgen eine
Reinigung der umgeformten Bleche und ein Hartbeschnitt, um nicht
benötigte
Randbereiche des Bauteils abzutrennen.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung von hochfesten Stahlblechen ist
das Presshärten.
Hierbei werden die platinierten Stahlbleche zunächst kalt umgeformt, daraufhin
beschnitten, und nach dem Erwärmen
in einem Presshärtewerkzeug – gegebenenfalls
unter einer weiteren Umformung oder Kalibrierung – stark
gekühlt
(abgeschreckt). Der Prozess wird durch das Anlassen, die Reinigung
und das Beölen
der umgeformten Bleche abgeschlossen.
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Beim
Abschrecken des Stahlblechs in dem Umform- bzw. Presshärtewerkzeug
nehmen die Werkzeuge die Wärmeenergie
des glühenden
Stahl blechs auf. Damit eine Überhitzung
des Werkzeugs verhindert wird, muss diese Energie abgeführt werden.
Dies geschieht regelmäßig über einen
in das Werkzeug integrierten Kühlkreislauf,
der wiederum die Wärme über Wärmetauscher
an die Umwelt oder eine Sekundärnutzung
abgibt.
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Die
Kühlkanäle des Kühlkreislaufs
werden in der Regel mittels spanender Fertigungsverfahren in die
Werkzeuge eingebracht, so dass deren Verlauf im wesentlichen geradlinig
ist. Insbesondere bei geometrisch komplex geformten Blechbauteilen
ergibt sich durch einen geradlinigen Verlauf der Kühlkanäle zwangsweise
ein variierender Abstand, der Kühlkanäle zu der
Werkzeugoberfläche,
die als Form die Kontur des Bauteils abbildet. Ein variierender
Abstand der Kühlkanäle zu der
Werkzeugoberfläche
erzeugt jedoch eine ungleichförmige
Kühlwirkung
des Werkzeugs. Dies hat zur Folge, dass das Blechteil unbeabsichtigt
an einigen Abschnitten schneller abkühlt als an anderen. Dabei bauen
sich durch das Erstarrungsverhalten des weichen, glühenden Bleches und
des durch die Kühlung
initiierten Schrumpfungsverhaltens Spannungen auf, die nach dem Öffnen des
Werkzeugs zu einem ungewollten Aufsprung, d. h. einer Rückfederung
des Blechteils führen.
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Auch
wird bei den aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugen infolge
des variierenden Abstands der Kühlkanäle von der
Werkzeugoberfläche
die Wärmemenge
nicht konstant in optimaler Weise vom heißen Blechteil an das Kühlmedium übertragen.
Dies hat zur Folge, dass die Zeitdauer für den Wärmeübergang länger als notwendig ist, wodurch
die Produktionszeit und folglich die -kosten des Bauteils erhöht werden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, ein Werkzeug für
das Warmumformen oder Presshärten eines
Metallblechs derart weiterzuentwickeln, dass zumindest ein aus dem
Stand der Technik bekannter Nachteil verringert wird. Insbesondere
soll durch die Erfindung die Herstellung von eigenspannungsarmen
Blechbauteile und die erforderliche Zeitdauer für das Abschrecken der Blechbauteile
reduziert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
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Der
Kern der Erfindung sieht vor, bei einem Werkzeug für das Warmumformen
oder Presshärten eines
Metallblechs Kühlkanäle für ein Kühlmittel
derart auszubilden und/oder anzuordnen, dass eine möglichst
gleichmäßige Kühlung des
Metallblechs über
der Oberfläche
des Werkzeugs erfolgt.
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Durch
die gleichmäßige Kühlung des
Metallblechs kann verhindert werden, dass beim Abkühlen Spannungen
entstehen, die nach dem Öffnen
des Werkzeugs zu einem ungewollten Auffedern des Blechbauteils führen. Gleichzeitig
kann durch die erfindungsgemäße Ausbildung
und/oder Anordnung der Kühlkanäle in dem
Werkzeug erreicht werden, dass über
der gesamten Oberfläche
des Werkzeugs, in der dieses mit dem Metallblech in Kontakt ist,
ein möglichst
hoher Wärmeübergang
stattfindet.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die gleichmäßige Kühlung des Metallblechs dadurch
erzielt, dass die Kühlkanäle in dem
Werkzeug einerseits zur Oberfläche des
Werkzeugs und andererseits zueinander jeweils einen gleichen Abstand
aufweisen.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
in den Kühlkanälen Mittel
zur Erzeugung oder Verstärkung von
Turbulenzen in der Kühlmittelströmung vorhanden
sein. Durch die Erzeugung von Turbulenzen in der Strömung des
Kühlmittels,
das aufgrund eines besseren Wärmeübergangskoeffizienten
gegenüber Gasen
vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit
ist, kann einerseits grundsätzlich
die Übertragung
der Wärmeenergie
auf die Kühlflüssigkeit
bedingt durch die bessere Durchmischung der Kühlflüssigkeit erhöht werden.
Weiterhin kann durch die gezielte, lokal begrenzte Erzeugung von
Turbulenzen in den Kühlkanälen an definierten
Stellen der Wärmeübergang
von dem Metallblech über
die Werkzeugoberfläche
in die Kühlflüssigkeit
erhöht
werden. Auf diese Weise kann beispielsweise gezielt in engen Radien
des umgeformten Metallblechs die Kühlleistung lokal erhöht werden,
so dass global betrachtet, das Metallblech gleichmäßig abkühlt.
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Die
Erzeugung/Verstärkung
von Turbulenzen in den Kühlkanälen des
Werkzeugs kann vorteilhafterweise durch die Anordnung von Führungsflächen in
den Kühlkanälen erfolgen.
Die Führungsflächen können für eine gezielte
Umlenkung des Flüssigkeitsstroms
und bei einer entsprechenden Anordnung für eine gute Durchmischung sorgen.
Beispielsweise können
helixförmige
Nuten in die Wandungen der Kühlkanäle eingebracht
werden, wodurch die Strömung
in dem Kanal in eine Rotation versetzt wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
ein oder mehrere Strömungswiderstandselemente
in den Kühlkanälen vorgesehen
sein. Die Strömungswiderstandselemente
werden in die Kühlflüssigkeitsströmung positioniert,
so dass diese zwangsweise um die Widerstandselemente herumgeführt werden muss,
wodurch Turbulenzen in der Strömung
entstehen können.
Hierbei kann es sich beispielsweise um scharfkantige Noppen oder
Schraubenköpfe,
jedoch auch um Elemente mit einer Drosselwirkung handeln.
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Vorzugsweise
sind die Strömungswiderstandselemente
zudem einstellbar ausgeführt,
so dass die Stärke
der Turbulenzerzeugung beeinflusst werden kann. Dadurch wird wiederum
ermöglicht,
die lokale Kühlleistung
des Werkzeugs an die Geometrie des Metallblechs anzupassen und im
Ergebnis eine gleichmäßige Kühlung des
Metallblechs zu erzielen.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Beeinflussung der Kühlleistung
des Werkzeugs und folglich zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Kühlung des Metallblechs
kann darin liegen, in den Kühlkanälen Mittel
zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder
der Durchströmungsmenge
anzuordnen. Dadurch, dass beispielsweise an Abschnitten des Metallblechs,
an denen lediglich eine geringe Wärmeleistung abgeführt werden
muss, die Kühlleistung des
Werkzeugs im Vergleich zu anderen Abschnitten verringert wird (beispielsweise
durch Verringerung der Durchströmungsmenge
des Kühlmittels),
kann eine insgesamt gleichmäßige Kühlung des
Metallblechs erzielt werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Einstellung des Kühlverhaltens
eines erfindungsgemäßen Werkzeugs
kann dadurch erfolgen, dass die Ist-Temperaturverteilung an der
Werkzeugoberfläche erfasst
und durch das Einstellen der Mittel zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit/Durchströmungsmenge
und/oder der Strömungswiderstandselemente
die Ist-Temperaturverteilung an eine definierte Soll-Temperaturverteilung
angepasst wird.
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Bevorzugt
kann die Ist-Temperaturverteilung mittels einer Wärmebildkamera
erfasst werden.
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Die
Erfassung der Ist-Temperatur kann auch ohne abzukühlendes
Metallblech, dass heißt
bei geöffnetem
Werkzeug erfolgen, indem ein unter Raumtemperatur abgekühltes Kühlmittel
durch die Kühlkanäle des Werkzeugs
geführt
wird und die sich ergebende Temperaturverteilung an der Werkzeugoberfläche erfasst
wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigt
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1a:
den grundsätzlichen
Verfahrensablauf bei der Herstellung von hochfesten Stahlbauteilen
mittels Presshärtens,
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1b:
den allgemeinen Verfahrensablauf zur Herstellung von hochfesten
Stahlbauteilen mittels direkter Warmumformung,
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2:
ein erfindungsgemäßes Presshärtewerkzeug,
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die 3–5:
in isometrischen Ansichten drei Detaildarstellungen des bei dem
Presshärtewerkzeug
der 2 eingesetzten Stempels,
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6:
einen Schnitt durch die Darstellung der 3 entlang
der Ebene VI,
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7:
einen Schnitt durch die Darstellung der 3 entlang
der Ebene VII und
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8:
einen vergrößerten Querschnitt
durch einen Kühlkanal
des Stempels der 3 bis 7.
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1a zeigt
den allgemeinen Prozessablauf bei der Herstellung von hochfesten
Stahlblechbauteilen mittels des Presshärteverfahrens. Hierbei wird
in einem ersten Prozessschritt das auf einem Coil aufgewickelte
Stahlblech zu einer Platine zurechtgeschnitten. Daraufhin erfolgt
ein Umformen bei Raumtemperatur in einer Presse, wobei das Blech
bereits annähernd
bis zu der gewünschten
Form des Bauteils umgeformt wird. Nachfolgend wird das umgeformte
Stahlblech beschnitten, so dass die Blechränder, die noch während des
Umformens zur Fixierung des Blechs in dem Umformwerkzeug erforderlich sind,
entfernt werden. Das beschnittene Bauteil wird daraufhin in einem
Ofen erwärmt
und einem Presshärtewerkzeug
zugeführt,
in dem dieses in kurzer Zeit zwischen zwei direkt gekühlten Werkzeughälften abgeschreckt
wird. Hierbei erfolgt eine Phasenumwandlung des Werkstoffs mit einer
damit einhergehenden Festigkeitssteigerung. Zur Homogenisierung des
Werkstoffs wird das Bauteil nachfolgend noch angelassen. Der Prozess
wird durch ein Reinigen und Ölen
des Bauteils abgeschlossen.
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Das
direkte Warmumformen (vgl. 2), durch
das ebenfalls hochfeste Stahlblechbauteile hergestellt werden können, unterscheidet
sich von dem Presshärteverfahren
insbesondere dadurch, dass die Platine in einem entsprechenden Warmumformwerkzeug
warm umgeformt und nachfolgend auch abgeschreckt wird, wobei wiederum
eine die hohe Festigkeit des abschließenden Bauteils begründende Phasenumwandlung
in dem Werkstoff stattfindet. Nach dem Anlassen, Reinigen und Beölen des Bauteils
erfolgt dessen (Hart-)Beschneidung.
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Das
in der 2 dargestellte erfindungsgemäße Werkzeug weist als wesentliche
Bestandteile eine Grundplatte 1 mit einem daran fixierten,
gekühlten
Stempel 2, sowie eine Kopfplatte 3 mit einem daran
befestigten, gekühlten
Obergesenk 4 auf. Die Kopfplatte 3 einschließlich des
Obergesenks 4 ist über
nicht dargestellte Hydraulikzylinder in vertikaler Richtung relativ
zu der Grundplatte 1 und dem Stempel 2 verfahrbar.
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Zum
Presshärten
eines bereits kalt umgeformten Stahlblechbauteils 5 wird
das auf eine Temperatur von ca. 920°C erwärmte Blechbauteil 5 bei geöffnetem
Presshärtewerkzeug
auf den gekühlten Stempel 2 aufgelegt,
dessen Kontur entsprechend der Kontur des Stahlblechbauteils 5 ausgebildet
ist (vgl. 3). Daraufhin wird das Werkzeug
geschlossen und das Stahlblechbauteil 5 zwischen dem gekühlten Stempel 2 und
dem ebenfalls gekühlten Obergesenk 4,
das eine entsprechende Vertiefung mit einer der Bauteilform entsprechenden
Kontur aufweist, bis auf eine Temperatur von ca. 150°C abgeschreckt.
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Sowohl
der Stempel 2 als auch das Obergesenk 4 weisen
erfindungsgemäß ausgebildete
und angeordnete Kühlkanäle 6 für eine Kühlflüssigkeit auf.
Diese Anordnung und Ausbildung der Kühlkanäle 6 ist in den 4 bis 7 detailliert
dargestellt. Der Stempel 2 ist dreiteilig aufgebaut und
besteht aus einem Unterbau 7, einem Kühlkanaleinsatz 8 sowie einem
Stempeldeckel 9. Der Unterbau 7 des Stempels ist
isoliert in der 4 dargestellt. Er weist an seiner
oberen Fläche
eine ringförmige
Vertiefung 10 auf, die der Rückführung einer Kühlflüssigkeit
zu einer in die Vertiefung mündenden
Ablaufbohrung 11 dient. Auf dem Unterbau 7 des
Stempels 2 wird der Kühlkanaleinsatz 8 positioniert,
der zentral eine Bohrung 12 aufweist, die sich mit einer
Zulauf bohrung 13 in dem Unterbau 7 des Stempels 2 überdeckt.
Der Kühlkanaleinsatz 8 weist
einen in Längsrichtung
des Stempels verlaufenden Kühlkanal 6 sowie
von diesem ausgehend, in gleichmäßiger Teilung
angeordnete, quer verlaufende Kühlkanäle 6 auf.
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Durch
das Aufsetzen des Stempeldeckels 9 auf den Unterbau wird
der Kühlkanaleinsatz 8 in
einem entsprechend ausgeformten Hohlraum des Stempeldeckels 9 eingeschlossen,
wobei die offenen Kühlkanäle 6 des
Kühlkanaleinsatz 8 mit
der Innenwandung des Stempeldeckels 9 geschlossene Kühlkanäle 6 ausbilden
(vgl. 6 und 7).
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Zur
Kühlung
des Stempels 2 wird diesem eine Kühlflüssigkeit durch die Zulaufbohrung 13 zugeführt. Die
Kühlflüssigkeit
tritt daraufhin durch die zentrale Bohrung 12 in dem Kühlkanaleinsatz 8 aus und
verteilt sich in den einzelnen Kühlkanälen 6. Beim
Durchfließen
der Kühlkanäle 6 nimmt
die Kühlflüssigkeit
die von dem Stahlblechbauteil 5 abgegebene und über den
Deckel 9 des Stempels 2 übertragene Wärmeenergie
auf, bevor diese in die ringförmige
Vertiefung 10 des Unterbaus abfließt und über die Ablaufbohrung 11 abgeführt wird.
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Wie
den 5 bis 7 zu entnehmen ist, sind die
Kühlkanäle 6 so
angeordnet und ausgebildet, dass diese zum einen einen gleichmäßigen Abstand
zueinander als auch zu der Oberfläche des Deckels 9 und
somit zu dem Stahlblechbauteil 5 aufweisen. Bereits dadurch
kann eine möglichst
homogene Abkühlung
des Stahlblechbauteils 5 erzielt werden.
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In
den Kühlkanälen 6 sind
an definierten Positionen Schrauben 14 derart eingebracht,
dass deren Kopf sowie ein Teil des Schafts in die Kühlkanäle 6 hineinragen
(vgl. 8). Die Schrauben 14 dienen dazu, durch
die Drosselwirkung, die sie als Widerstandselemente in dem Querschnitt
des jeweiligen Kühlkanals 6 bewirken,
zum einen die Durchflussmenge durch diesen Abschnitt des Kühlkanals 6 einstellbar
zu begrenzen und weiterhin zur Erzeu gung von Turbulenzen. Die Turbulenzen
entstehen durch die erzwungene Umströmung des Schraubenkopfs durch
das Kühlmedium.
Eine Einstellung der Durchflussmenge sowie auch der Turbulenzenerzeugung kann
dadurch bewirkt werden, dass die Schrauben 14 mehr oder
weniger weit in die entsprechend vorgesehene Gewindebohrung eingeschraubt
werden. Wurde für
eine Position die erforderliche Schraubenposition ermittelt, kann
diese beispielsweise durch das Vorsehen von Unterlegscheiben 15 fixiert
werden, so dass ausgeschlossen werden kann, dass sich die Schraubenposition
durch die Umströmung durch
die Kühlflüssigkeit
ungewollt verändert.