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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umformen
eines zumindest partiell erwärmten
Halbzeugs. Darüber
hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Warmumformwerkzeug,
das zur Durchführung
eines derartigen Verfahrens geeignet ist, umfassend eine erste Umformeinheit
sowie zumindest eine zweite Umformeinheit, die relativ zueinander
bewegbar sind, um das Warmumformwerkzeug von einer geöffneten/geschlossenen
Werkzeugstellung in eine geschlossene/geöffnete Werkzeugstellung zu überführen, wobei zwischen
die Umformeinheiten ein zumindest partiell vorerwärmtes Halbzeug
einbringbar und in der geschlossenen Werkzeugstellung zu einem Bauteil
umformbar ist.
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Verfahren
der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen
Ausführungsformen
bekannt. Warmumformwerkzeuge, die zur Durchführung derartiger Verfahren
geeignet sind, weisen im Allgemeinen zumindest zwei Umformeinheiten
auf, die relativ zueinander bewegbar sind, um das Warmumformwerkzeug
von einer geöffneten/geschlossenen
Werkzeugstellung in eine geschlossene/geöffnete Werkzeugstellung zu überführen. In
der geöffneten
Werkzeugstellung kann ein zuvor zumindest partiell erwärmtes Halbzeug
in einen Umformbereich, der zwischen den Umformeinheiten ausgebildet
ist, eingebracht werden. Anschließend wird das Warmumformwerkzeug
geschlossen und das zumindest partiell erwärmte Halbzeug wird in der geschlossenen
Werkzeugstellung zu einem Bauteil mit der gewünschten Bauteilgeometrie/Bauteilform
umgeformt.
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Die
Umformeinheiten der aus dem Stand der Technik bekannten Warmumformwerkzeuge
sind auf Grund der relativ großen
Umformkräfte,
die zum Umformen des Halbzeugs erforderlich sind, in der Regel massive
und schwere Werkzeugbauteile, die effizient gekühlt werden müssen, um
die Wärme
nach dem Umformprozess möglichst
rasch aus dem Bauteil abzuführen.
Aus dem Stand der Technik ist es zum Beispiel bekannt, in die Warmumformwerkzeuge
eine Anzahl von Kühlkanälen zu bohren,
durch die während
des Betriebs des Warmumformwerkzeugs ein Kühlmittel strömen kann.
Ein Nachteil dieser Lösung besteht
darin, dass durch das Bohren keine gekrümmten, sondern nur geradlinige
Kühlkanäle erzeugt
werden können.
Werkzeugmatrizen oder Werkzeugstempel können aus mehreren, einzeln
gebohrten Segmenten zusammengesetzt werden, um andere Kühlkanalverläufe zu erhalten.
Die Herstellung von Warmumformwerkzeugen aus derartigen Werkzeugsegmenten
ist relativ aufwändig,
da jedes Segment einzeln bearbeitet werden muss, bevor das Werkzeug
zusammengesetzt werden kann. Darüber hinaus
lassen sich aus den einzeln gebohrten Werkzeugsegmenten nur relativ
einfache Kühlkanalverläufe erzeugen.
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Aus
dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, Rohrsysteme in ein
Warmumformwerkzeug einzugießen,
um kompliziertere Kühlkanalverläufe zu erzeugen.
Durch die eingegossenen Rohrsysteme kann die Kühlung des Warmumformwerkzeugs
verbessert werden, so dass sich kürzere Taktzeiten ergeben. Ein
Nachteil dieser Lösung
besteht darin, dass die Herstellung der Rohrsysteme relativ aufwändig ist.
Bei der Verwendung von Stahlrohren besteht ferner das Problem, dass
sich bei Rohrdurchmessern über
20 mm der Kontakt zwischen den Stahlrohren und dem Gussmaterial
verschlechtert.
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Hier
setzt die vorliegende Erfindung an.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Umformen eines zumindest partiell erwärmten Halbzeugs sowie ein Warmumformwerkzeug
zur Durchführung
eines derartigen Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die eine effiziente
Kühlung
des Bauteils und des Warmumformwerkzeugs ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Warmumformwerkzeugs
wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch
ein Warmumformwerkzeug der eingangs genannten Art mit den Merkmalen
des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 10 gelöst. Die Unteransprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch
1 weist ein erfindungsgemäßes Verfahren
zum Umformen eines zumindest partiell erwärmten Halbzeugs folgende Verfahrensmerkmale
auf
- – das
zumindest partiell erwärmte
Halbzeug wird in einen Umformbereich zwischen mindestens zwei Umformeinheiten
eines geöffneten
Warmumformwerkzeugs eingebracht;
- – das
Warmumformwerkzeug wird geschlossen und das Halbzeug wird im Umformbereich
zwischen Umformflächen
der Umformeinheiten zu einem Bauteil umgeformt;
- – das
Warmumformwerkzeug wird anschließend zumindest abschnittsweise
derart geöffnet,
dass sich zwischen den Umformflächen
der Umformeinheiten zumindest ein Zwischenraum bildet, und
- – in
den Zwischenraum wird ein Kühlmittel
geleitet.
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Mit
Hilfe des hier vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahrens kann zumindest
bereichsweise eine wirksame Kühlung
der Umformeinheiten – insbesondere
der Umformflächen
der Umformeinheiten – und
des warmumgeformten Bauteils erreicht werden, welche zumindest abschnittsweise direkt
mit dem Kühlmittel
beaufschlagt werden. Das Halbzeug kann vor dem Einbringen in das
Warmumformwerkzeug zumindest partiell zum Beispiel auf eine Temperatur
erwärmt
werden, die gleich der Härteumwandlungstemperatur
oder größer als
die Härteumwandlungstemperatur
des Werkstoffs ist, aus dem das Halbzeug besteht. Bei härtbaren
Bor-Mangan-Stählen
liegt die Härteumwandlungstemperatur bei
etwa 930°C
und höher.
Die Umformflächen
der Umformeinheiten können
nach dem Warmumformprozess und vor dem Einleiten des sich daran
anschließenden
Kühlprozesses
zumindest teilweise oder alternativ auch vollständig vom umgeformten Bauteil
entfernt werden, um einen oder mehrere Zwischenräume zu bilden, durch den/die
das Kühlmittel strömen kann.
Durch diese effiziente, dabei aber einfach und kostengünstig zu
realisierende Kühlung
des Warmumformwerkzeugs beziehungsweise des umgeformten Bauteils
können
die Taktzeiten im Vergleich zu vielen aus dem Stand der Technik
bekannten Warmumformverfahren wesentlich verkürzt werden. Das Kühlmittel,
das bei einem erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzt werden kann, ist vorzugsweise flüssig und kann insbesondere
Wasser, Eiswasser, Öl
oder eine Salzlösung
sein. An dieser Stelle soll angemerkt werden, dass der Begriff „Halbzeug" im Sinne der vorliegenden
Erfindung nicht auf ebene Blechzuschnitte beschränkt ist, sondern sich vielmehr
auch auf vorgeformte, insbesondere auch auf vorprofilierte Blechteile,
erstrecken soll.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Oberflächen des
Bauteils beim Öffnen
des Warmumformwerkzeugs von der damit korrespondierenden Umformfläche beabstandet
wird. Dadurch kann zwischen der Oberfläche des Bauteils und der damit
korrespondierenden Umformfläche
der Umformeinheit ein Spalt gebildet werden, durch den das Kühlmittel zur
Kühlung
des Bauteils sowie der damit korrespondierenden Umformflächen strömen kann.
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Es
ist besonders bevorzugt, wenn alle Oberflächen des Bauteils beim Öffnen des
Warmumformwerkzeugs von den damit korrespondierenden Umformflächen beabstandet
werden. Dadurch kann eine besonders effiziente Kühlung des Warmumformwerkzeugs,
insbesondere der Umformflächen
sowie der an diese angrenzenden Bereiche der Umformeinheiten, erreicht
werden. Zwischen den Oberflächen
des Bauteils und den damit korrespondierenden Umformflächen der
Umformeinheiten werden mehrere Spalte gebildet, durch die das Kühlmittel
zur Kühlung
des Bauteils und der damit korrespondierenden Umformflächen strömen kann.
Vorzugsweise wird das Bauteil vollständig vom Kühlmittel umströmt, so dass
eine vollständige
Kühlung
des Bauteils erreicht werden kann.
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Sofern
das Bauteil zumindest einen geschlossenen, insbesondere im Wesentlichen
hohlkammer- oder hohlprofilartigen Bauteilabschnitt aufweist, kann
das Bauteil in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
zumindest teilweise vom Kühlmittel
durchströmt
werden. Dadurch kann eine rasche Abkühlung geschlossener Bauteilabschnitte des
Bauteils erreicht werden.
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Es
kann in einer vorteilhaften Ausführungsform
vorgesehen sein, dass das Kühlmittel
durch eine Mehrzahl von Kühlmittelstutzen
in den Zwischenraum geleitet wird. Darüber hinaus kann das Kühlmittel
vorteilhaft durch die Kühlmittelstutzen
in zumindest einen geschlossenen Bauteilabschnitt des Bauteils geleitet
werden.
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Es
besteht in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit,
dass darüber
hinaus zumindest eine der Umformeinheiten vom Kühlmittel durchströmt wird.
Dadurch kann eine zusätzliche
Kühlung
zumindest einer der Umformeinheiten erreicht werden. Es kann auch
vorgesehen sein, dass alle Umformeinheiten des Warmumformwerkzeugs
vom Kühlmittel
durchströmt
werden, um alle Umformeinheiten zusätzlich mit dem Kühlmittel
kühlen
zu können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird vorgeschlagen, dass das Warmumformwerkzeug nach dem Kühlen mit
dem Kühlmittel
erneut geschlossen wird und das Bauteil zwischen den Umformeinheiten
kalibriert wird.
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Ein
Warmumformwerkzeug, das zur Durchführung eines Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1
bis 9 geeignet ist, zeichnet sich gemäß Anspruch 10 dadurch aus,
dass das Warmumformwerkzeug Mittel zum Einbringen eines Kühlmittels
in mindestens einen Zwischenraum, der bei zumindest teilweise geöffnetem
Warmumformwerkzeug zwischen den Umformeinheiten ausgebildet ist,
aufweist. Durch diesen Zwischenraum kann ein Kühlmittel geleitet werden, um
das Bauteil sowie die Umformeinheiten zumindest abschnittsweise
direkt mit dem Kühlmittel zu
beaufschlagen und dadurch wirksam zu kühlen. Dadurch können insbesondere
die Taktzeiten beim Warmumformen eines zumindest partiell erwärmten Halbzeugs
verkürzt
werden, da die Abkühlung
des Bauteils und der Umformeinheiten relativ schnell erfolgen kann.
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Die
Mittel zum Einbringen eines Kühlmittels können in
einer bevorzugten Ausführungsform
zumindest einen Kühlmittelstutzen
umfassen, durch den das Kühlmittel
in den Zwischenraum einströmen kann.
Um die Kühlung
der Umformeinheiten und des Bauteils besonders effizient zu gestalten,
wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass
die Mittel zum Einbringen eines Kühlmittels eine Anzahl von Kühlmittelstutzen
umfassen, durch die das Kühlmittel
in den Zwischenraum einströmen
kann.
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Um
die Kühlung
des Bauteils nach dem Warmumformprozess weiter zu verbessern, sieht
eine bevorzugte Ausführungsform
vor, dass die Kühlmittelstutzen
dem Verlauf des umgeformten Bauteils entsprechend am Warmumformwerkzeug
angeordnet sind. Die Kühlmittelstutzen
können
vorteilhaft an zumindest einer der beiden – relativ zueinander bewegbaren – Umformeinheiten
angebracht sein und so bei der Öffnungs-
beziehungsweise Schließbewegung
des Warmumformwerkzeugs zusammen mit der entsprechenden Umformeinheit
bewegt werden. Es kann vorgesehen sein, dass an jeder der Umformeinheiten
zumindest ein Kühlmittelstutzen
angebracht ist.
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Es
besteht in einer bevorzugten Ausführungsform auch die Möglichkeit,
dass das Warmumformwerkzeug zumindest eine stationäre Kühlmittelstutzenhaltevorrichtung
aufweist, an der zumindest einige der Kühlmittelstutzen angebracht
sind. Es besteht auch die Möglichkeit,
dass alle Kühlmittelstutzen
an der stationären
Kühlmittelstutzenhaltevorrichtung
angebracht sind. Die Kühlmittelstutzen
können sich
insbesondere durch die Kühlmittelstutzenhaltevorrichtung
hindurch erstrecken, so dass das Kühlmittel bei teilweise geöffnetem
Werkzeug in den sich beim Öffnen
bildenden Zwischenraum einströmen kann.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Kühlmittelstutzen dem Verlauf
des umgeformten Bauteils entsprechend an der Kühlmittelstutzenhaltevorrichtung
angeordnet sind, um eine möglichst
homogene Kühlung
des umgeformten Bauteils zu erreichen.
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Das
Warmumformwerkzeug kann in einer vorteilhaften Ausführungsform
zumindest einen Kühlmittelauslass
aufweisen, durch den das Kühlmittel aus
dem Warmumformwerkzeug ausströmen
kann. Der Kühlmittelauslass
kann insbesondere als Kühlmittelstutzen
ausgebildet sein.
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Mindestens
eine der Umformeinheiten kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
zumindest einen Kühlmittelkanal
aufweisen, durch den ein Teil des Kühlmittels strömen kann.
Es kann auch vorgesehen sein, dass alle Umformeinheiten zumindest
einen Kühlmittelkanal
aufweisen, durch den ein Teil des Kühlmittels strömen kann.
Durch diese Maßnahmen
kann eine zusätzliche
Kühlung
einer Umformeinheit beziehungsweise mehrerer Umformeinheiten des
Warmumformwerkzeugs erreicht werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Warmumformwerkzeugs, das zur Durchführung eines
Verfahrens zum Warmumformen eines Halbzeugs geeignet ist, in einer
geschlossenen Werkzeugstellung;
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2 eine
teilweise geschnittene Darstellung des Warmumformwerkzeugs gemäß 1 in
einer geschlossenen Werkzeugstellung nach der Umformung des Halbzeugs;
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3 eine
teilweise geschnittene Darstellung des Warmumformwerkzeugs gemäß 1 und 2 in
einer teilweise geöffneten
Stellung.
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Unter
Bezugnahme auf 1 und 2 ist dort
ein Warmumformwerkzeug 1, das zur Durchführung eines
Verfahrens zum Warmumformen eines Halbzeugs zur Herstellung eines
Bauteils 5 geeignet ist, in einer geschlossenen Werkzeugstellung
perspektivisch dargestellt.
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Das
Warmumformwerkzeug 1 weist eine erste (obere) Umformeinheit 2 sowie
eine zweite (untere) Umformeinheit 3 auf, die im Bereich
einer Trennstelle 7 voneinander trennbar sind. Die Trennung
der beiden Umformeinheiten 2, 3 kann zum Beispiel durch
eine horizontale und/oder vertikale Relativbewegung der beiden Umformeinheiten 2, 3 erfolgen. Die
erste Umformeinheit 2 und die zweite Umformeinheit 3 weisen
jeweils eine Umformfläche 20, 30 auf, deren
Verläufe
an die Form des mittels des Warmumformwerkzeugs 1 herzustellenden
Bauteils 5 angepasst sind. Im Bereich der Trennstelle 7 kann
das Warmumformwerkzeug 1 somit geöffnet werden, um ein zuvor
zumindest partiell erwärmtes
Halbzeug in einen Umformbereich, der zwischen der Umformfläche 20 der
ersten Umformeinheit 2 und der Umformfläche 30 der zweiten
Umformeinheit 3 ausgebildet ist, einzubringen und darin
umzuformen. Das Halbzeug kann vor dem Einbringen in das Warmumformwerkzeug 1 zumindest
partiell zum Beispiel auf eine Temperatur erwärmt werden, die gleich der
Härteumwandlungstemperatur
oder größer als
die Härteumwandlungstemperatur
des Werkstoffs ist, aus dem das Halbzeug besteht. Bei härtbaren
Bor-Mangan-Stählen
liegt die Härteumwandlungstemperatur bei
etwa 930°C
und höher.
Der Begriff „Halbzeug" im Sinne der vorliegenden
Erfindung soll nicht auf ebene Blechzuschnitte beschränkt sein,
sondern sich darüber
hinaus auch auf vorprofilierte Bauteile, die mit Hilfe des Warmumformwerkzeugs 1 weiter
umgeformt werden können,
erstrecken. Das Öffnen
beziehungsweise Schließen
des Warmumformwerkzeugs 1 kann zum Beispiel mit Hilfe von
Umformpressen, hydraulischen Einheiten oder sonstigen Vorrichtungen
erfolgen, die ein gesteuertes Bewegen der beiden Umformeinheiten 2, 3 ermöglichen.
Nach dem oder während
des Schließens
des Warmumformwerkzeugs 1 können weitere, hier nicht explizit
dargestellte bewegbare Umformmittel, insbesondere Keilschieber oder
dergleichen, für
weitere Umformprozesse vorgesehen sein.
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Mit
Hilfe des hier dargestellten Warmumformwerkzeugs 1 kann
aus einem zumindest partiell vorerwärmten Halbzeug ein Bauteil 5 geformt
werden, das abschnittsweise einen abgerundeten, im Wesentlichen
V-förmigen Querschnitt
aufweist. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass die hier dargestellte
Profilform des Bauteils 5 nur beispielhaft ist und dass
bei entsprechender konstruktiver Ausgestaltung der beiden Umformeinheiten 2, 3 entsprechend
andere Profilformen möglich
sind, die wesentlich komplexer sein können.
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Wie
in 1 zu erkennen, weist das Warmumformwerkzeug 1 in
diesem Ausführungsbeispiel insgesamt
fünf Kühlmittelstutzen 40, 41, 42, 43, 44 auf,
durch die bei Bedarf ein Kühlmittel
in das Warmumformwerkzeug 1 geleitet werden kann. Die Kühlmittelstutzen 40–44 sind
an einer im Wesentlichen plattenförmigen Kühlmittelstutzenhaltevorrichtung 4 montiert,
die ortsfest an dem Warmumformwerkzeug 1 angeordnet ist.
Durch die Kühlmittelstutzen 40–44 kann
ein Kühlmittel
in das Innere des Warmumformwerkzeugs 1 geleitet werden,
damit die beiden Umformeinheiten 2, 3, insbesondere
deren Umformflächen 20, 30 sowie
die daran angrenzenden Bereiche, und das Bauteil 5 nach
dem weiter unten näher
erläuterten
Verfahren gekühlt
werden können.
Die Kühlmittelstutzen 40–44 erstrecken
sich durch die Kühlmittelstutzenhaltevorrichtung 4 hindurch
und grenzen dabei an eine Stirnseite des Bauteils 5 an.
Um eine homogene Kühlung
des Bauteils 5 zu erreichen, sind die Kühlmittelstutzen 40–44 dem
Umformverlauf des Bauteils 5 entsprechend an der Kühlmittelstutzenhaltevorrichtung 4 angebracht.
Das Kühlmittel,
das durch die Kühlmittelstutzen 40–44 in
das Innere des Warmumformwerkzeugs 1 eingeleitet werden
kann, kann zum Beispiel Wasser, Eiswasser, Öl oder eine salzhaltige Lösung sein.
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Vor
dem Umformen des zumindest partiell vorerwärmten Halbzeugs wird zunächst das
Warmumformwerkzeug 1 im Bereich der Trennstelle 7 durch
eine Relativbewegung der beiden Umformeinheiten 2, 3 geöffnet. Anschließend wird
das zumindest partiell vorerwärmte
Halbzeug in den Umformbereich zwischen den Umformflächen 20, 30 der
Umformeinheiten 2, 3 eingebracht. Danach wird
das Warmumformwerkzeug 1 durch eine Relativbewegung der
beiden Umformeinheiten 2, 3 erneut geschlossen,
woraufhin Umformkräfte
auf das zumindest partiell vorerwärmte Halbzeug einwirken und dieses
zu einem Bauteil 5 mit der gewünschten Bauteilform umformen.
Im Anschluss daran werden die beiden Umformeinheiten 2, 3 vom
umgeformten Bauteil 5 zumindest teilweise, gegebenenfalls
auch vollständig
entfernt, so dass sich zwischen den Umformflächen 20, 30 der
beiden Umformeinheiten 2, 3 ein Zwischenraum 6 bildet,
durch den ein Kühlmittel
fließen
kann, das durch die Kühlmittelstutzen 40–44 in das
Warmumformwerkzeug 1 einströmt, um die beiden Umformeinheiten 2, 3,
insbesondere deren Umformflächen 20, 30,
sowie das Bauteil 5 zumindest abschnittsweise direkt mit
dem Kühlmittel
zu kühlen.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird deutlich, dass sich nach
dem Entfernen der beiden Umformeinheiten 2, 3 des
Warmumformwerkzeugs 1 vom Bauteil 5 zwischen einer
ersten Oberfläche 50 des Bauteils 5 und
der Umformfläche 20 der
ersten Umformeinheit 2 sowie zwischen einer zweiten Oberfläche 51 des
Bauteils 5 und der Umformfläche 30 der zweiten
Umformeinheit 3 entlang der Bauteils jeweils ein Spalt 60, 61 bildet,
durch den das Kühlmittel
zur Kühlung
des Bauteils 5 sowie der Umformflächen 20, 30 strömen kann.
Dadurch kann eine wirksame direkte Kühlung des Bauteils 5 und
der Umformflächen 20, 30 sowie
der an diese angrenzenden Bereiche der Umformeinheiten 2, 3 mit
dem Kühlmittel
erreicht werden.
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Prinzipiell
können
die Umformeinheiten 2, 3 nach dem Umformprozess
teilweise oder aber vollständig
von dem umgeformten Bauteil 5 entfernt (gelüftet) werden,
um die direkte Kühlung
des Bauteils 5 und der Umformeinheiten 2, 3 mit
dem Kühlmittel
zu bewirken. Sofern das umgeformte Bauteil 5 zumindest
einen geschlossenen, insbesondere im Wesentlichen hohlkammer- oder
hohlprofilartigen Bauteilabschnitt aufweist, kann ein Teil des Kühlmittels
zur Kühlung
des Bauteils 5 zusätzlich
auch durch diesen Bauteilabschnitt geleitet werden.
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Mit
Hilfe der hier vorgestellten Lösung
kann eine schnelle und damit effiziente Kühlung des Bauteils 5 sowie
der Umformeinheiten 2, 3 – insbesondere der Umformflächen 20, 30 der
Umformeinheiten 2, 3 – erreicht werden, so dass
insgesamt mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahrens und des Warmumformwerkzeugs 1,
das zur Durchführung
des Verfahrens geeignet ist, die Taktzeiten bei der Herstellung
von Bauteilen 5 aus einem zumindest partiell erwärmten Halbzeug
in einem Warmumformprozess wesentlich verkürzt werden können.