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Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug, insbesondere Tiefziehwerkzeug, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche eines Umformwerkzeugs, insbesondere eines Tiefziehwerkzeugs, ein Bauteil, welches bei seiner Verwendung den Einsatz eines Schmierstoffs erfordert, und ein Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche eines Bauteils, welches bei seiner Verwendung mit einem Schmierstoff geschmiert wird.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs ist in der
WO 01/71048 A1 beschrieben. Dabei werden durch lokales thermisches Aufschmelzen, insbesondere unter Verwendung eines gepulsten Nd:YAG-Lasers auf der Werkzeugoberfläche bogenförmig begrenzte Mikrostrukturen eingebracht, welche Schmiertaschen bilden sollen.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer auch als Textur bezeichneten Oberflächentopographie auf der Oberfläche von Dressierwalzen ist in der
DE 42 11 197 34 beschrieben.
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Um einen direkten Kontakt zwischen dem umzuformenden Werkstück und der Werkzeugoberfläche zu verhindern, ist es bei verschiedenen Umformverfahren, insbesondere beim Tiefziehen von Blechen, erforderlich, dass zwischen den genannten Teilen ein Schmierstoff, insbesondere ein geeignetes Schmieröl, vorhanden ist.
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Bei den heutzutage üblicherweise eingesetzten Verfahren weist die umzuformende Blechoberfläche Schmierstofftaschen auf, welche durch strukturierte Walzen in das Werkstück eingebracht werden. Diese Schmierstofftaschen sorgen dafür, dass der Schmierstoff möglichst lange zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück verbleibt.
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Nachteilig an diesen bekannten Lösungen ist jedoch die durch die Schmierstofftaschen erhöhte Rauhigkeit des Werkstücks, wodurch dessen Glanzgrad verringert und die Lackierbarkeit verschlechtert werden. Aus diesem Grund können Werkstücke mit einem sehr hohen Glanzgrad üblicherweise nicht umgeformt werden, ohne deren Oberflächenqualität erheblich zu verschlechtern.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist das Verfahren des Honens bekannt, bei welchem mittels eines Honwerkzeugs eine feine Struktur in die Oberfläche eines Bauteils eingebracht wird, um das Anhaften eines für den Betrieb des Bauteils erforderlichen Schmierstoffs an demselben zu erreichen. Beispielsweise werden Zylinderlaufbuchsen für Brennkraftmaschinen auf diese Art und Weise bearbeitet.
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Nachteilig bei diesem Verfahren ist der zur Durchführung desselben erforderliche hohe Aufwand sowie der Verschleiß des Werkzeugs, der zu verhältnismäßig hohen Kosten führt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Umformwerkzeug sowie ein Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche eines Umformwerkzeugs zu schaffen, bei welchen auf einfache Weise ein gutes Anhaften des Schmierstoffs zwischen dem Umformwerkzeug und einem mit demselben zu bearbeitenden Werkstück gegeben ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch die erfindungsgemäßen, mit einem Ultrakurzpulslaser hergestellten Vertiefungen in der Oberfläche des Umformwerkzeugs kann beim späteren Einsatz des Umformwerkzeugs auf eine Beölung der umzuformenden Werkstücke, insbesondere der mittels Tiefziehen zu bearbeitenden Bleche, verzichtet werden, da die Vertiefungen als Schmierstofftaschen wirken. Dadurch kann eine erhebliche Menge an Schmierstoff eingespart werden. Darüber hinaus ist die Aufbringung des Schmierstoffs auf das Umformwerkzeug auch erheblich effektiver als auf das umzuformende Werkstück und es können bessere Umformergebnisse erzielt werden.
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Dadurch, dass bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs auf eine Beölung des Werkstücks verzichtet werden kann, lassen sich mit dem Umformwerkzeug auch Werkstücke mit einer sehr glatten Oberfläche und damit einem sehr hohen Glanzgrad umformen, was der Umformung, insbesondere der Blechumformung, neue Anwendungsgebiete eröffnet. Beispielsweise kann bei der Herstellung von Karosserieblechen mittels eines erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs aufgrund der einsetzbaren Werkstücke mit sehr glatten Oberflächen möglicherweise auf Füllmaterialien oder dergleichen verzichtet werden, die ansonsten eingesetzt werden müssen, um die Unregelmäßigkeiten der Oberfläche der Werkstücke, die durch die Strukturierung derselben mittels Walzen erzeugt wird, auszugleichen. Dadurch könnte möglicherweise sogar auf die übliche Lackierung verzichtet werden und ein mittels des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs bearbeitetes, hochglänzendes Karosserieblech entweder gar nicht oder nur mit einem Klarlack behandelt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Vertiefungen im Bereich eines Ziehradius vorgesehen sind. Da insbesondere im Bereich des Ziehradius sehr hohe Umformkräfte auftreten, kann durch die Anordnung der Vertiefungen in diesem Bereich eine besonders gute Schmierung erreicht werden.
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Eine verfahrensgemäße Lösung ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 3.
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Durch das Verfahren des Einbringens der Vertiefungen in die Oberfläche des Umformwerkzeugs mittels des Ultrakurzpulslasers wird durch die sehr hohe Energiedichte des Laserstrahls das Material des Umformwerkzeugs innerhalb äußerst kurzer Zeit verdampft, so dass extrem genaue und eine sehr hohe Oberflächenqualität aufweisende Vertiefungen hergestellt werden können. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Bearbeitung des Umformwerkzeugs mittels des Ultrakurzpulslasers keinen negativen Einfluss auf die Oberflächenqualität des Umformwerkzeugs hat und nach dem Einbringen der Vertiefungen keine Nacharbeit der Oberfläche mehr erforderlich ist.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann dabei vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Umformwerkzeugs vor dem Einbringen der Vertiefungen poliert wird. Dadurch wird ein einfacherer Poliervorgang erreicht, da bei der Durchführung desselben auf die Vertiefungen keine Rücksicht genommen werden muss.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein bei seiner Verwendung den Einsatz eines Schmierstoffs erforderndes Bauteil und ein Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche des Bauteils zu schaffen, mittels welchen auf einfache Weise ein Anhaften des Schmierstoffs an dem Bauteile gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 6 genannten Merkmale gelöst.
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Die erfindungsgemäß mittels eines Ultrakurzpulslasers hergestellten Vertiefungen in der Oberfläche des Bauteils ermöglichen die Aufnahme von Schmierstoff in denjenigen Bereichen, die beim Einsatz des Bauteils die Verwendung eines Schmierstoffs erfordern. Dadurch kann ein solches Bauteil mit sehr geringem Aufwand und niedrigen Kosten hergestellt werden.
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Eine verfahrensgemäße Lösung ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 8.
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Bei dem Einbringen der Vertiefungen in die Oberfläche des Bauteils wird das Material desselben durch die Einwirkung des Ultrakurzpulslasers verdampft, was zu Vertiefungen mit hoher Genauigkeit und guter Oberflächenqualität führt. Eine Nacharbeit des Bauteils ist nicht erforderlich, da die Vertiefungen vollkommen ohne Grate oder sonstige über die Oberfläche des Bauteils überstehenden Rückstände hergestellt werden.
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In den Ansprüchen 9 und 10 sind Verwendungen eines Ultrakurzpulslasers angegeben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt:
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1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung der Oberfläche des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs;
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2 eine stark vergrößerte Darstellung der Vertiefungen des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs;
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3 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung der Oberfläche des erfindungsgemäßen Bauteils; und
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4 eine stark vergrößerte Darstellung der Vertiefungen des erfindungsgemäßen Bauteils.
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1 zeigt ein Umformwerkzeug 1, insbesondere ein Tiefziehwerkzeug, mit welchem in an sich bekannter Weise ein nicht dargestelltes Werkstück umgeformt, insbesondere tiefgezogen, werden kann. Das Umformwerkzeug 1 weist eine dem nicht dargestellten Werkstück, bei dem es sich insbesondere um ein aus einem metallischen Werkstoff bestehendes Blech handelt, zugewandte Oberfläche 2 auf, die über einen im Wesentlichen flachen, oberen Abschnitt des Umformwerkzeugs 1 sowie über einen Ziehradius 3 verläuft, der in eine Vertiefung oder Bohrung 4 des Umformwerkzeugs 1 übergeht. Diese Ausführungsform des Umformwerkzeugs 1 ist als rein beispielhaft anzusehen und das nachfolgend beschriebene Verfahren kann auch an vollkommen anders ausgestalteten Umformwerkzeugen 1 durchgeführt werden.
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In die dem umzuformenden Werkstück zugewandte Oberfläche 2 des Umformwerkzeugs 1 werden mittels eines in 1 sehr schematisch dargestellten Ultrakurzpulslasers 5 mehrere in 2 dargestellte Vertiefungen 6 eingebracht. Der Ultrakurzpulslaser 5 erzeugt einen Laserstrahl 7, der auf das Umformwerkzeug 1 auftrifft und aufgrund seiner verhältnismäßig großen Leistung und seiner extrem kurzen Pulsdauer das Material des Umformwerkzeugs 1 verdampft, ohne dass sich der Bereich um die Vertiefung 6 nennenswert erwärmt. Auf diese Weise können die Vertiefungen 6 in einer annähernd beliebigen Form, Größe, gegenseitigen Anordnung und Verteilung über das Umformwerkzeug 1 eingebracht werden. Die Vertiefungen 6 sind insbesondere im Bereich des Ziehradius 3 vorgesehen, prinzipiell können dieselben jedoch je nach Anforderung über die gesamte Oberfläche des Umformwerkzeugs 1 verteilt sein. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, in einem bestimmten Bereich des Umformwerkzeugs 1 eine größere Anzahl an Vertiefungen 6 einzubringen als in einem anderen Bereich desselben. Die Vertiefungen 6 sind selbstverständlich nur so groß, dass das Material des Werkstücks bei der Umformung nicht in die Vertiefungen 6 fließt, was auch durch die verhältnismäßig niedrigen Umformkräfte beim Tiefziehen begünstigt wird.
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Beim Einsatz des Umformwerkzeugs 1 zum Umformen des Werkstücks dienen die Vertiefungen 6 zur Aufnahme von Schmierstoff, insbesondere von Öl, welches aus diesem Grund nicht mehr wie bislang üblich auf das umzuformende Werkstück aufgebracht werden muss. Die Verteilung, Größe und Form der Vertiefungen 6 kann daher in Abhängigkeit des mit dem Umformwerkzeug 1 durchzuführenden Umformverfahrens und selbstverständlich auch in Abhängigkeit des umzuformenden Werkstücks erfolgen. Alternativ oder zusätzlich zu Öl können selbstverständlich auch andere Schmierstoffe und/oder Beschichtungen für das Umformwerkzeug 1 zum Einsatz kommen.
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Da das Material das Umformwerkzeugs 1 mittels des Ultrakurzpulslasers 5 wie oben beschrieben verdampft wird, bilden sich an der Oberfläche 2 des Umformwerkzeugs 1 keinerlei Rückstände, wie beispielsweise Grate, Ausbrüche oder andere Beschädigungen der Oberfläche 2, so dass es sogar möglich ist, die Vertiefungen 6 nach dem Polieren der Oberfläche 2 des Umformwerkzeugs 1 herzustellen. Das Einbringen der Vertiefungen 6 in die Oberfläche 2 des Umformwerkzeugs 1 kann also der letzte Schritt bei der Herstellung des Umformwerkzeugs 1 sein.
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In 3 ist ein im vorliegenden Fall als Zylinderlaufbuchse ausgebildetes Bauteil 8 dargestellt, welches bei seiner Verwendung, im Beispiel der Zylinderlaufbuchse also dem Betrieb eines Verbrennungsmotors, den Einsatz eines Schmierstoffs, wie beispielsweise eines Öls, erfordert. Um den Schmierstoff für eine längere Zeit an einer Oberfläche 9 des Bauteils 8 halten zu können, ist die Oberfläche 9 in ähnlicher Weise wie in Bezug auf das Umformwerkzeug 1 oben beschrieben mit den Vertiefungen 6 versehen, die mittels des Ultrakurzpulslasers 5 hergestellt werden. Auch hier gibt der Ultrakurzpulslaser 5 den Laserstrahl 7 aus. Die auf diese Weise erzeugten Vertiefungen 6, die in 4 zu erkennen sind, können je nach Anforderung an das Bauteil 8 im Prinzip beliebig über dessen Oberfläche 9 verteilt sein. Dies gilt selbstverständlich auch für jedes andere mit dem Ultrakurzpulslaser 5 bearbeitete, bei seiner Verwendung mit einem Schmierstoff geschmierte Bauteil 8.
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Nachfolgend sind beispielhaft einige Verfahrensparameter bei der Bearbeitung des Umformwerkzeugs 1 bzw. des Bauteils 8 angegeben, auf die das Verfahren zur Erzeugung der Vertiefungen 6 jedoch keinesfalls eingeschränkt ist:
Die Pulsdauer der mittels des Ultrakurzpulslasers 5 erzeugten und von demselben ausgesandten Laserstrahlen 7 liegt vorzugsweise im Femtosekundenbereich von ca. 5 Femtosekunden bis 10 Pikosekunden. Diese ultrakurzen Laserpulse, durch welche das Material des Umformwerkzeugs 1 bzw. des Bauteils 8 im wesentlichen rückstandsfrei verdampft werden, können beispielsweise durch passive Modenkupplung von Oszillatoren erzeugt werden. Dabei können beispielsweise Ytterbium-dotierte Materialien (z. B. Yb:YAG, Yb-Wolframate, wie z. B. Yb:KGW), chromdotierte Materialien (z. B. Cr:LiSAF, Cr:LiSGaF, Cr:LiCAF) und titandotierte Materialien (z. B. Ti:SA) verwendet werden.
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Der nicht dargestellte Oszillator des Ultrakurzpulslasers 5 ist in der Lage, Femtosekundenpulse mit einer Wiederholrate im zweistelligen MHz-Bereich zu erzeugen. Wenn der Ultrakurzpulslaser 5 eine Leistung im dreistelligen mW-Bereich aufweist, ergibt sich eine Pulsenergie von wenigen mJ. Die Verstärkung dieser Energien kann in einem sogenannte regenerativen Verstärker um einen Faktor von bis zu 1.000 verstärkt werden. Umgekehrt wird dadurch die Pulswiederholrate um den Faktor 1.000 verringert, wodurch die mittlere Leistung des Ultrakurzpulslasers 5 konstant bleibt. Bei einer mittleren Leistung von ca. 5 W und Pulswiederholraten von bis zu 1.000 kHz können bei der Bearbeitung Abtragsraten von mehr als 0,5 mm3/min erreicht werden.
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Mittels geeigneter Einrichtungen können die ultrakurzen Laserpulse auf einen beliebigen Punkt im Raum fokussiert werden, an dem der Laserstrahl 7 dann für die oben beschriebene Verdampfung des Materials des Umformwerkzeugs 1 bzw. des Bauteils 8 sorgt. Der Laserstrahl 7 bzw. das Laserlicht wird dabei von dem Umformwerkzeug 1 bzw. dem Bauteil 8 absorbiert, wobei das Material unter Ausbildung eines Plasmas verdampft, was als Ablation bezeichnet wird. Wenn für diese Ablation die oben beschriebenen Laserpulse mit den entsprechenden, kurzen Pulsdauern verwendet werden, so kann vor der Entstehung des Plasmas im Wesentlichen keine Wärme diffundieren. Bei einer solchen kalten Ablation wird also bei der Bearbeitung der Oberfläche 2 bzw. 9 das die jeweils hergestellte Vertiefung 6 umgebende Material nicht aufgeheizt. Die Spitzenintensität des fokussierten, im Femtosekundenbereich liegenden Laserpulses sollte so gewählt werden, dass sie ausreicht, um mittels Multiphotonenabsorption das oben genannte Plasma zu generieren, welches den Ablationsprozess in Gang setzt.
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In Abhängigkeit von dem zu bearbeitenden Material werden bei der Ablation des Umformwerkzeugs 1 bzw. des Bauteils 8 mit dem Ultrakurzpulslaser 5 pro Laserpuls Bestrahlungen von ca. 10 mJ/cm2 bis zu 1 J/cm2 benötigt. Da bei Metallen, also den für das Umformwerkzeug 1 bzw. die Zylinderlaufbuchse 8 eingesetzten Materialien bereits freie Elektronen vorhanden sind, die den Laserstrahl 7 absorbieren, können in diesem Fall geringere Energiemengen eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19807404 A1 [0002]
- WO 01/71048 A1 [0003]
- DE 421119734 [0004]
