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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
abgeschreckt. Nach dem darauf folgenden Anlassen erfolgen eine Reinigung
des umgeformten Blechbauteils und ein Hartbeschnitt, um nicht benötigte Randbereiche
des Bauteils abzutrennen.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung von hochfesten Stahlblechbauteilen
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 – 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
Stahlblechs 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
Höhe des
Wärmeübergangs
und folglich die Geschwindigkeit mit der das Blechbauteil abgekühlt wird
haben wesentlichen Einfluss auf die Taktzeit zur Herstellung und
als Folge auf die Produktionskosten des Blechbauteils. Man ist daher
bestrebt, eine möglichst
hohe Abkühlrate
zu erzielen. Hierzu wird im Stand der Technik das Bauteil mit möglichst vielen
beziehungsweise möglichst
großen
Kühlkanälen versehen,
um den Wärmeübergang
auf die Kühlflüssigkeit
zu verbessern. Diese Möglichkeiten
können
jedoch nur eingeschränkt
angewandt werden, da durch die Kühlkanäle die Steifigkeit
des Werkzeugs spürbar
gesenkt wird, womit negative Auswirkungen auf die Qualität der herzustellenden
Blechbauteile einhergehen können.
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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 die erforderliche Zeitdauer
für das
Abschrecken des Metallblechs reduziert werden kann, ohne dass hiermit
wesentliche Einschränkungen
bei der Werkzeugsteifigkeit verbunden sind.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
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Der
Kern der Erfindung sieht vor, bei einem Werkzeug für das Warmumformen
oder Presshärten eines
Metallblechs, das einen oder mehrere Kühlkanäle für ein Kühlmittel aufweist, in diesen
Kühlkanälen Mittel
zur Erzeugung oder Verstärkung
von Turbulenzen in der Kühlmittelströmung vorzusehen.
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Erfindungsgemäß wird das
Kühlmittel
somit zumindest abschnittsweise in einer turbulenten Strömung durch
die Kühlkanäle des Werkzeugs
geführt.
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Durch
eine Erzeugung/Verstärkung
von Turbulenzen in der Strömung
des Kühlmittels,
das aufgrund eines besseren Wärmeübergangskoeffizienten gegenüber Gasen
vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit ist,
kann eine bedeutende Erhöhung
des Wärmeübergangs
erzielt werden, was zu schnelleren Abkühlraten und damit einhergehend
zu geringeren Produktionszeiten und -kosten für das Blechbauteil führt. Die Erhöhung des
Wärmeübergangs
ist insbesondere auf die durch die Turbulenzen bedingte bessere Durchmischung
der Kühlflüssigkeit
zurückzuführen, wodurch
in den an das zu kühlende
Material des Werkzeugs angrenzenden Randzonen der Strömung eine
niedrigere Temperatur des Kühlmediums
erzielt werden kann. Da der Wärmeübergang
von dem Werkzeugmaterial auf das Kühlmedium direkt proportional
zu der Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Elementen ist,
steigt dieser mit zunehmender Temperaturdifferenz an. Im Gegensatz
dazu würden
sich bei einer (weitgehend) laminaren Strömung die an das zu kühlende Material
des Werkzeugs angrenzenden Randzonen der Strömung stärker erwärmen als der Kernbereich der
Strömung.
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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 Rotation versetzt wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
ein oder mehrere Strömungswiderstandselemente
in den Kühlkanälen vorgesehen
sein. Die Strömungswiderstandselemente
werden in der Kühlmittelströmung positioniert,
so dass das Kühlmittel
zwangsweise die Widerstandselemente umströmen muss; hierbei können bei
einer entsprechenden Ausgestaltung der Strömungswiderstandselemente Turbulenzen
entstehen. Bei den Strömungswiderstandselementen 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
einstellbar ausgeführt,
so dass die Stärke
der Turbulenzenerzeugung beeinflusst werden kann. Dadurch wird zusätzlich 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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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
gemäß 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), mit dem
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, schnell 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
Zulaufbohrung 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
Kühlkanaleinsatzes 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. 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 Erzeugung von Turbulenzen. Die Turbulenzen
entstehen durch die erzwungene Umströmung des Schraubenkopfs durch
die Kühlflüssigkeit.
Durch die Turbulenzen in der Kühlflüssigkeitsströmung kann
erfindungsgemäß – aufgrund
einer besseren Durchmischung der Kühlflüssigkeit – der Wärmeübergang zwischen dem Material
des Werkzeugs und der Kühlflüssigkeit
verbessert und als Folge die Produktionszeit für das Stahlblechbauteil verkürzt werden.
Eine Einstellung der Durchflussmenge sowie auch der Turbulenzerzeugung
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 eine Anordnung von Unterlegscheiben 15 fixiert
werden, so dass ausgeschlossen werden kann, dass sich die Schraubenposition
durch die Umströmung
mit der Kühlflüssigkeit
ungewollt verändert.