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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmformen eines Blechmaterials gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Werkzeug zum Warmformen eines Blechmaterials gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
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Unter Warmformen wird hierin das Umformen oder Formkalibrieren eines metallischen Blechmaterials und insbesondere eines Stahlblechmaterials (bevorzugte Blechdicke zwischen 0,5 mm und 2,0 mm) verstanden, das oberhalb der Rekristallisationstemperatur (die bis zu mehreren Hundert Grad Celsius betragen kann) stattfindet. Hierfür wird das zu formende Blechmaterial zunächst auf die entsprechende Temperatur erwärmt und anschließend in einem Warmformwerkzeug umgeformt, formgehalten oder formkalibriert. Eine Sondervariante des Warmformens stellt das Presshärten dar. Beim Presshärten wird das zuvor erwärmte Blechmaterial, wobei es sich insbesondere um ein presshärtungsgeeignetes Stahlblechmaterial handelt, in einem gekühlten Presshärtewerkzeug umgeformt, formgehalten oder formkalibriert und quasi gleichzeitig abgekühlt, um hierdurch gezielt dessen Festigkeit und/oder Härte anzuheben. Für das Warmformen und insbesondere für das Presshärten sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahrensvarianten bekannt, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Das Warmformen und insbesondere das Presshärten findet vor allem bei der Herstellung von Fahrzeugteilen für den Kraftfahrzeugbau Anwendung, weil sich hiermit verhältnismäßig leichte und hochbelastbare Blechformteile, wie bspw. Karosserieverstärkungsteile und Fahrwerksteile, herstellen lassen.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik Werkzeuge und entsprechende Verfahren zum Warmformen und insbesondere zum Presshärten bekannt, mit denen an dem im Werkzeug befindlichen Blechmaterial auch mechanische Trennoperationen ausführbar sind. Unter einer mechanischen Trennoperation wird das Schneiden des Blechmaterials mittels Schneidklingen, Schneidkanten oder dergleichen verstanden.
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Die nächstliegende
DE 10 2006 040 224 A1 beschreibt ein Verfahren und ein Werkzeug zum Warmumformen eines Metallwerkstücks. Das Verfahren sieht vor, dass das Werkstück zunächst mit einer ersten, höheren Temperatur in einem Umformwerkzeug umgeformt wird und eine zweite, niedrigere Temperatur erreicht, bei welcher das Material des Werkstückes eine deutlich höhere Festigkeit hat als bei der ersten Temperatur, wobei das Werkstück vor dem Erreichen der zweiten Temperatur einer Trennoperation unterzogen wird, während es sich (noch) im Umformwerkzeug befindet. Das Werkzeug (Warmumformwerkzeug) weist zwei zum Umformen des Werkstücks relativ zueinander bewegbare Matrizen auf sowie eine Kühlvorrichtung, mit welcher das Werkstück im Warmumformwerkzeug von einer ersten, höheren Temperatur auf eine zweite, niedrigere Temperatur gekühlt werden kann, wobei das Warmumformwerkzeug ferner mit einer Trenneinrichtung versehen ist, mit welcher an einem im Warmumformwerkzeug befindlichen Werkstück eine Trennoperation ausführbar ist.
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Mit den vorbekannten Verfahren und Warm(um)formwerkzeugen sind jedoch nur einfache Trennoperationen ausführbar. In steilen Bereichen bzw. Abschnitten (wie nachfolgend noch näher definiert) werden Trennoperationen bislang erst nach der Entnahme des Werkstücks bzw. Blechformteils aus dem Warmformwerkzeug bzw. Presshärtewerkzeug mit einem Trennlaser durchgeführt, was aufwändig und teuer ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung aufzuzeigen, wie in steilen Abschnitten eine Trennoperation einfacher und kostengünstiger realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird die Aufgabe auch gelöst durch das erfindungsgemäße Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale und Merkmalskombinationen betreffen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen. Die vorausgehenden und nachfolgenden Erläuterungen gelten analog für beide Erfindungsgegenstände.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug zum Warmformen und insbesondere zum Presshärten eines Blechmaterials weist wenigstens zwei Werkzeugteile und bevorzugt ein oberes Werkzeugteil und ein unteres Werkzeugteil auf, die in einer Arbeitsrichtung relativ zueinander verfahrbar sind und zwischen denen unter Aufbringung einer in Arbeitsrichtung wirkenden Presskraft ein erwärmtes Blechmaterial geformt werden kann. Ferner weist das erfindungsgemäße Werkzeug wenigstens eine Trennvorrichtung auf, mit der an dem zwischen den Werkzeugteilen befindlichen Blechmaterial eine Trennoperation ausführbar ist, wobei vorgesehen ist, dass die Trennvorrichtung wenigstens einen quer zur Arbeitsrichtung bewegbaren Trennschieber aufweist, mit dem nach dem Formen des Blechmaterials, und insbesondere bei noch geschlossenem Werkzeug, in einem sich steil zur Arbeitsrichtung erstreckenden Abschnitt (des Blechmaterials) wenigstens eine Trennoperation ausführbar ist.
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Insbesondere dient das erfindungsgemäße Werkzeug auch der Herstellung warmgeformter, insbesondere pressgehärteter, sowie beschnittener und/oder gelochter Blechformteile.
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Unter einem Formen des Blechmaterials wird im Hinblick auf die jeweilige Verfahrensvariante ein Umformen, Formhalten oder Formkalibrieren verstanden. Unter einem sich steil zur Arbeitsrichtung erstreckenden Abschnitt des Blechmaterials bzw. des Werkstücks wird ein Abschnitt bzw. Bereich verstanden, der sich (im Werkzeug) im Wesentlichen in einem Winkel von größer 0° bis 60°, bevorzugt von größer 0° bis 40° und insbesondere von ca. 5° bis ca. 15° zur Arbeitsrichtung bzw. Pressenwirkrichtung erstreckt. Zur Beurteilung der Erstreckung bzw. Ausrichtung ist gegebenenfalls eine mathematische Ausgleichsfläche für den betreffenden Abschnitt zu betrachten. Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass sich beim konventionellen mechanischen Schneiden, wobei die Schneidrichtung in etwa der Arbeitsrichtung entspricht, gute Ergebnisse für Abschnitte erzielen lassen, die sich mit einem Winkel von größer 40° bis 90° zur Arbeitsrichtung erstrecken, so dass in diesen Abschnitten ein quer zur Arbeitsrichtung bewegbarer Trennschieber, wie dies erfindungsgemäß vorgesehen ist, nicht erforderlich ist.
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Unter einem Trennschieber wird ein translatorisch und zum bzw. im Werkzeug relativbewegliches Werkzeugelement verstanden, das wenigstens eine Schneideinrichtung (wie bspw. eine Schneidkante, ein Schneidmesser, einen Lochstempel etc.) aufweist, wobei die am Trennschieber angeordnete Schneideinrichtung zur Durchführung einer Trennoperation mit einer korrespondierenden und insbesondere ortsfesten Schneideinrichtung zusammenwirkt, wie nachfolgend noch näher erläutert. Es ist vorgesehen, dass dieser Trennschieber quer zur Arbeitsrichtung (bzw. Pressenwirkrichtung) beweglich ist. Hierunter ist zu verstehen, dass die Bewegungsrichtung und damit auch die Wirkrichtung bzw. Schneidrichtung schräg oder senkrecht zur Arbeitsrichtung ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Bewegungsrichtung einen Winkel zwischen 30° und 150° zu der in der Regel vertikalen Arbeitsrichtung einnimmt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Bewegungsrichtung und insbesondere die Schneidrichtung (wobei die Bewegungsrichtung und die Schneidrichtung in der Regel identisch sind) senkrecht bzw. orthogonal zum steilen Abschnitt des Blechmaterials ist, in dem die Trennoperation ausgeführt werden soll.
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Mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug kann in einem Arbeitshub bzw. Pressenhub ein Formvorgang und wenigstens eine Trennoperation in wenigstens einem steilen Abschnitt des Blechmaterials bzw. Werkstücks durchgeführt werden. Hierbei ist vorgesehen, dass das Blechmaterial zunächst geformt und anschließend (d. h. dann, wenn die Formung des Blechmaterials im Wesentlichen abgeschlossen ist) die Trennoperation oder auch mehrere Trennoperationen ausgeführt wird bzw. werden. Die Trennoperation wird bevorzugt durchgeführt, wenn die zueinander verfahrbaren Werkzeugteile so nah wie möglich zusammengefahren sind, also dann, wenn sich der Pressenstößel der Umformpresse im Bereich seines unteren Totpunkts (UT) befindet und insbesondere dann, wenn sich der Pressenstößel kurz vor Erreichen seines unteren Totpunkts befindet (wenige Millimeter vor UT), so dass die Trennoperation abgeschlossen ist, wenn der Pressenstößel den unteren Totpunkt erreicht hat. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass das zu trennende bzw. zu schneidende Blechmaterial (Schnittteil) während der Trennoperation zumindest teilweise und unter Aufbringung einer Flächenpressung zwischen den formgebenden Wirkflächen der Werkzeugteile verbleibt, insbesondere so lange, bis die Trennoperation vollständig ausgeführt wurde.
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Es ist vorgesehen, dass die Trennoperation im erfindungsgemäßen Werkzeug durchgeführt wird, bevor das Blechmaterial im betreffenden Abschnitt vollständig abgekühlt ist. Dies ist sowohl für die Ausbildung der Schnittflächen am Schnittteil als auch für die aufzubringende Schneidkraft (die bei steigender Temperatur des Blechmaterials geringer wird) von Vorteil. Ferner kann der Verschleiß an den Schneidkanten, Schneidmessern oder dergleichen erheblich reduziert werden.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug kann sowohl wenigstens eine konventionelle Trennvorrichtung als auch wenigstens eine Trennvorrichtung mit einem oder mehreren bewegbaren Trennschiebern (gemäß den vorausgehenden Erläuterungen) aufweisen. Das erfindungsgemäße Werkzeug kann für die gleichzeitige Herstellung mehrerer Blechformteile ausgebildet sein. Ferner kann das erfindungsgemäße Werkzeug zum Herstellen partiell warmgeformter und insbesondere partiell pressgehärteter Blechformteile ausgebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug ermöglicht das Herstellen von warmgeformten und insbesondere pressgehärteten Blechformteilen die wenigstens einen Schnittlinieverlauf in einem steilen Abschnitt aufweisen, ohne dass hiefür das Blechformteil bzw. Werkstück aus dem Werkzeug entnommen werden muss. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das herzustellende Blechformteil in dem erfindungsgemäßen Werkzeug bezüglich seiner endgültigen Außenkontur im Wesentlichen vollständig und insbesondere umlaufend beschnitten und gegebenenfalls auch gelocht wird, wobei das Lochen auch das Einbringen großflächiger Ausnehmungen umfassen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug können somit kostengünstig und mit geringem Aufwand warmgeformte und insbesondere pressgehärtete Blechformteile, insbesondere für den Kraftfahrzeugbau, hergestellt werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass wenigstens eines der Werkzeugteile und insbesondere das obere Werkzeugteil mit wenigstens einem formgebenden Werkzeugsegment ausgebildet ist, welches an einer Grundplatte dieses Werkzeugteils direkt oder indirekt federnd abgestützt und somit in Arbeitsrichtung bzw. entgegen der Arbeitsrichtung beweglich ist (bspw. um 5 mm bis 15 mm), so dass dieses nach dem Formen des Blechmaterials und beim Überschreiten einer bestimmten Presskraft nachgeben kann, um hierdurch ein weiteres Zusammenfahren der Werkzeugteile (bspw. um die zuvor genannten Längen, d. h. um 5 mm bis 15 mm) zu ermöglichen, wodurch der bewegbare Trennschieber passiv betätigt und in einer Richtung quer zur Arbeitsrichtung verfahren bzw. verschoben wird.
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Unter einem formgebenden Werkzeugsegment wird ein Werkzeugelement verstanden, das einen direkt mit dem zu formenden Blechmaterial in Kontakt gelangenden Wirkflächenabschnitt aufweist. Bei dem formgebenden Werkzeugsegment handelt es sich z. B. um die Matrize (gegebenenfalls auch nur um ein Matrizenteilsegment, falls die Matrize segmentiert ausgebildet ist) oder um den Formstempel (gegebenenfalls auch nur um ein Stempelteilsegment, falls der Formstempel segmentiert ausgebildet ist). Über die federnde Abstützung können die von der Umformpresse erzeugten Formkräfte in das betreffende Werkzeugsegment eingeleitet werden, wobei diese Formkräfte während des Formvorgangs zu einer definierten Flächenpressung führen. Nach dem Formvorgang und beim Überschreiten einer bestimmten bzw. definierten Presskraft kann das betreffende Werkzeugsegment unter Aufrechterhaltung der Flächenpressung entgegen der aufgebrachten Presskraft nachgeben bzw. zurückweichen, wodurch die Werkzeugteile des erfindungsgemäßen Presshärtewerkzeugs noch weiter zusammen gefahren werden können (bspw. um wenige Millimeter, wie oben angegeben), wobei dann eine mechanische Betätigung des Trennschiebers ausgelöst wird. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren noch näher erläutert. Durch die federnde Abstützung des betreffenden formgebenden Werkzeugsegments können ferner lokal auftretende Kraftspitzen abgefangen werden, wodurch Blechformteilfehler und/oder Werkzeugbeschädigungen vermieden werden.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug kann wenigstens einen Treiber zur passiven Betätigung des Trennschiebers aufweisen. Dieser Treiber bewirkt in Kombination mit dem Trennschieber eine mechanische Umsetzung der von der Umformpresse auf das Werkzeug aufgebrachten Presskraft in eine quer zur Arbeitsrichtung gerichtete Verfahrbewegung und Schneidkraft. Diese Umsetzung kann z. B. mit aufeinander abgleitenden Schrägflächen oder mit einem Kipphebelmechanismus bewerkstelligt werden. Bezüglich des Trennschiebers ist der Treiber bevorzugt an einem anderen Werkzeugteil und insbesondere am unteren Werkzeugteil unbeweglich angeordnet. Der Treiber kann z. B. ortsfest auf einer Grundplatte des betreffenden Werkzeugteils befestigt sein.
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Die federnde Abstützung eines formgebenden Werkzeugsegments an der Grundplatte des Werkzeugteils kann mit wenigstens einer Federeinrichtung erfolgen. Eine solche Federeinrichtung kann z. B. eine mechanische Feder, wie bspw. eine Torsionsfeder, eine Spiralfeder oder eine Tellerfeder sein. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass es sich bei dieser Federeinrichtung um eine Gasdruckfeder und insbesondere um eine Stickstofffeder handelt. Solche Gasdruckfedern bzw. Stickstofffedern sind als Zukaufteile erhältlich. Gasdruckfedern bieten z. B. den Vorteil einer verhältnismäßig linearen Kennlinie. Der maximale Federweg bzw. Bewegungsweg des Werkzeugsegments relativ zur Grundplatte kann zwischen 5 mm und 15,0 mm und insbesondere in etwa 8,0 mm bis 10 mm betragen. Der maximale Federweg kann in beiden Richtungen durch einen mechanischen Anschlag begrenzt sein.
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Bevorzugt kann aber auch vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Werkzeug wenigstens ein Antriebselement zur aktiven Betätigung wenigstens eines Trennschiebers aufweist. Ein solches Antriebselement ist z. B. ein Hydraulikzylinder oder dergleichen, der bspw. zeitgesteuert oder ziehweggesteuert aktiviert wird und dementsprechend den Trennschieber zum Ausführen einer Trennoperation quer zur Arbeitsrichtung bewegen kann. Bevorzugt sind das Antriebselement und der mittels dieses Antriebselements betätigbare Trennschieber am selben Werkzeugteil angeordnet. Ein erfindungsgemäßes Werkzeug kann sowohl eine Einrichtung zur passiven Betätigung als auch eine Einrichtung zur aktiven Betätigung eines Trennschiebers aufweisen, mit denen derselbe oder unterschiedliche Trennschieber betätigbar sind. Beide Betätigungskonzepte sind somit miteinander vereinbar.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der bewegbare Trennschieber zum Beschneiden oder zum Lochen des Blechmaterials (in einem steilen Abschnitt) ausgebildet ist. Unter einem Beschneiden soll das Abtrennen von Rändern und Bearbeitungszugaben vom Werkstück mit offenen oder geschlossenen Schnittlinienverläufen verstanden werden. D. h. das Werkstück bzw. Blechmaterial wird bezüglich seiner endgültigen Außenkontur, insbesondere vollständig, beschnitten. Hierfür ist die Schneideinrichtung mit wenigstens einer entsprechenden Schneidkante oder einem entsprechenden Schneidmesser ausgebildet. Unter einem Lochen wird ein Schneiden des Werkstücks mit in sich geschlossenem Schnittlinieverlauf zur Erzeugung von Innenkonturen (Bohrungen, Durchbrüchen, Ausnehmungen) verstanden. Hierfür ist die Schneideinrichtung z. B. als Lochstempel oder Lochdorn ausgebildet.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der bewegbare Trennschieber eine mechanisch vorgegebene Bewegungsrichtung aufweist, die sich im Wesentlichen senkrecht zu dem steilen Abschnitt, in dem die Trennoperation ausgeführt werden soll, erstreckt. Die Schneidrichtung ist somit im Wesentlichen senkrecht zum Blechmaterial, was z. B. hinsichtlich der Maßhaltigkeit des Schnittlinieverlaufs und/oder der Schnittflächenausbildung am Blechmaterial bzw. Werkstück (Schnittteil) von Vorteil ist.
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Es ist vorgesehen, dass wenigstens eines der Werkzeugteile mit wenigstens einer Kühleinrichtung zur aktiven Kühlung der bzw. seiner Werkzeugwirkfläche ausgebildet ist, um eine Kühlung des Blechmaterials beim Warmformen und insbesondere beim Presshärten zu bewerkstelligen. Eine Kühleinrichtung kann z. B. durch eine Vielzahl von Kühlkanälen realisiert sein, die zum Zwecke der Kühlung der Werkzeugwirkfläche von einem Kühlmedium durchströmt werden können. Weist das Werkzeug ein oberes Werkzeugteil und ein unteres Werkzeugteil auf, sind bevorzugt beide Werkzeugteile (d. h. oberes Werkzeugteil und unteres Werkzeugteil) mit einer Kühleinrichtung ausgebildet. Es kann eine vollflächige oder auch nur partielle Kühlung der Werkzeugwirkflächen vorgesehen sein.
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Die Schnittlinie für die von dem bewegbaren Trennschieber ausführbare Trennoperation verläuft zumindest teilweise in einem nicht aktiv gekühlten steilen Abschnitt. Somit kann das Blechmaterial in einem nicht gekühlten Abschnitt beschnitten werden, was hinsichtlich verschiedener Aspekte von Vorteil ist. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren noch näher erläutert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Warmformen und insbesondere zum Presshärten eines Blechmaterials umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines in einer Umformpresse eingebauten erfindungsgemäßen Werkzeugs (wie hierin beschrieben);
- - Einlegen eines erwärmten Blechmaterials in das geöffnete Werkzeug;
- - Schließen des Werkzeugs und Formen des Blechmaterials; und
- - nachfolgendes und insbesondere unmittelbar nachfolgendes Ausführen wenigstens einer Trennoperation in wenigstens einem sich steil zur Arbeitsrichtung erstreckenden Abschnitt, wobei die Trennoperation durchgeführt wird, bevor das Blechmaterial im betreffenden Abschnitt vollständig abgekühlt ist.
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Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich gemäß den vorausgehenden und nachfolgenden Erläuterungen, die gegebenenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren analog gelten.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich in nicht einschränkender Weise aus den beispielhaften Figuren und aus der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale sind, unabhängig von gezeigten oder erläuterten Merkmalskombinationen, zugleich allgemeine Merkmale der Erfindung.
- 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein erfindungsgemäßes Werkzeug in geöffnetem Zustand.
- 2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht das Werkzeug aus 1 beim Ausführen einer Trennoperation.
- 3 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein anderes erfindungsgemäßes Werkzeug beim Ausführen einer Trennoperation.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug 100 zum Presshärten eines Blechmaterials und zum Herstellen eines gehärteten Blechformteils. Bei dem gezeigten Werkzeug 100 handelt es sich um ein Presshärtewerkzeug. Ein erfindungsgemäßes Warmformwerkzeug kann im Wesentlichen identisch aufgebaut sein.
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Das Werkzeug bzw. Presshärtewerkzeug 100 umfasst ein erstes oberes Werkzeugteil (Oberwerkzeug) 200 und ein zweites unteres Werkzeugteil (Unterwerkzeug) 300. Gemäß Darstellung befindet sich das Werkzeug 100 in einem geöffneten Zustand. Zum Schließen des Werkzeugs 100 ist das obere Werkzeugteil 200 in der mit A angegebenen Arbeitsrichtung relativ zum unteren Werkzeugteil 300 verfahrbar. Das Erzeugen von Verfahrbewegungen und das Aufbringen von Presskräften wird durch eine (nicht dargestellte) Umformpresse bewerkstelligt, in der das Werkzeug 100 eingebaut ist.
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Zum oberen Werkzeugteil 200 gehört eine obere Grundplatte 210, an der hängend eine Matrize 220 mit einer komplexen formgebenden Werkzeugwirkfläche 222 angebracht ist. Die matrizenseitige Werkzeugwirkfläche 222 umfasst mehrere steile Bereiche (dies sind gemäß Darstellung der links- und rechtsseitige Bereich), die zur Formung steiler Abschnitte vorgesehen sind. Die steilen Bereiche der Werkzeugwirkfläche 222 erstrecken sich unter einem Winkel y von ca. 15° zur Arbeitsrichtung A, was für den rechtsseitigen steilen Bereich mit gestrichelten Linien veranschaulicht ist. Die schräge Linie repräsentiert hierbei eine Ausgleichsfläche für den betreffenden Bereich. Mit 230 ist eine Vielzahl von Kühlkanälen bezeichnet, die zur aktiven Kühlung der matrizenseitigen Werkzeugwirkfläche 222 von einem Kühlmedium durchströmt werden.
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Die Matrize 220 ist im Ganzen über mehrere Gasdruckfedern 240, wobei es sich insbesondere um Stickstofffedern handelt, direkt oder gegebenenfalls auch indirekt an der oberen Grundplatte 210 abgestützt und kann durch Einfedern bzw. Verdrängen dieser Gasdruckfedern 240 entgegen der Arbeitsrichtung A zurückbewegt werden, wie nachfolgend noch ausführlich erläutert. Um den Bewegungsweg der Matrize 220 beim Einfedern der Gasdruckfedern 240 zu begrenzen ist optional ein einfaches Distanzelement 250 vorgesehen. Durch die Anzahl, Ausgestaltung und Einstellung der Gasdruckfedern 240 kann eine beim Presshärten auf die Matrize 220 wirksame Federkraft und eine bezüglich des zu formenden und zu härtenden Blechmaterials zu erzielende Flächenpressung eingestellt werden.
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Zum unteren Werkzeugteil 300 gehört eine untere Grundplatte 310, auf der stehend und unbeweglich ein Formstempel 320 mit einer formgebenden Werkzeugwirkfläche 322 aufgebaut ist. Die stempelseitige Werkzeugwirkfläche 322 ist korrespondierend zur matrizenseitigen Werkzeugwirkfläche 222 ausgebildet und umfasst demnach ebenfalls mehrere steile Bereiche. Mit 330 ist eine Vielzahl von Kühlkanälen bezeichnet, die zur aktiven Kühlung der stempelseitigen Werkzeugwirkfläche 322 von einem Kühlmedium durchströmt werden. Das untere Werkzeugteil 300 kann ferner einen nicht dargestellten Niederhalter bzw. Blechhalter aufweisen, der ebenfalls Kühlkanäle aufweisen kann.
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Das Werkzeug 100 umfasst ferner zwei zueinander symmetrisch ausgebildete Trennvorrichtungen zum Ausführen von Trennoperationen an einem zwischen den Werkzeugteilen 200 und 300 befindlichen Blechmaterial bzw. Werkstück. Das Werkzeug 100 kann auch nur eine Trennvorrichtung oder mehr als zwei Trennvorrichtungen, die identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein können, aufweisen. Die Trennvorrichtungen umfassen jeweils einen am oberen Werkzeugteil 200 beweglich angeordneten und quer zur Arbeitsrichtung A bewegbaren Trennschieber 260. Die horizontale Bewegbarkeit der Trennschieber 260 relativ zum oberen Werkzeugteil 200 und quer zur Arbeitsrichtung A ist mit den Bewegungspfeilen C verdeutlicht. An den bewegbaren Trennschiebern 260 ist jeweils eine Schneideinrichtung 270 mit einer daran ausgebildeten Schneidkante 271 angeordnet, die zum Ausführen eines Schneidvorgangs mit zwei korrespondierenden Schneidkanten 371 am Formstempel 320 in an und für sich bekannter Weise zusammenwirken. Sowohl die Schneideinrichtungen 270 mit den daran ausgebildeten Schneidkanten 271 als auch die am Formstempel 320 angeordneten Schneidkanten 371 können als austauschbare Verschleißelemente ausgebildet sein.
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Die bewegbaren Trennschieber 260 sind an ihren von der oberen Grundplatte 210 wegweisenden Stirnseiten mit Schrägflächen 261 ausgebildet. Zur Betätigung der bewegbaren Trennschieber 260 umfasst das untere Werkzeugteil 300 zwei Treiber bzw. Treiberklötze 360, die unbeweglich an der unteren Grundplatte 310 befestigt und die an ihren von der unteren Grundplatte 310 wegweisenden Stirnseiten ebenfalls mit Schrägflächen 361 ausgebildet sind. Beim Zusammenfahren der Werkzeugteile 200 und 300 können die einander zugewandten Schrägflächen 261 und 361 aufeinander abgleiten, wodurch die bewegbaren Trennschieber 260 auf mechanische Weise passiv betätigt und hierbei in Richtung des Formstempels 320 und quer zur Arbeitsrichtung A verschoben werden (siehe Bewegungspfeile C).
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Mit 380 sind an den Stirnseiten bzw. Schrägflächen 361 der Treiber 360 befestigte Gleitplatten oder dergleichen bezeichnet. Derartige Gleitplatten können auch an den bewegbaren Trennschiebern 260 befestigt sein. Durch die Ausgestaltung der korrespondierenden Schrägflächen 261 und 361 kann konstruktiv ein Übersetzungsverhältnis für die Bewegung der Trennschieber 260 und eine verfügbare Schneidkraft vorgegeben werden. Mittel zur Rückstellung der Trennschieber 260 sind nicht dargestellt. Ein Rückstellen kann z. B. durch Federelemente (wie z. B. Gasdruckfedern) bewerkstelligt werden. Die gezeigte Anordnung der Trennschieber 260 und der Treiber 360 ist auch umkehrbar, d. h. die Trennschieber können am unteren Werkzeugteil und die Treiber am oberen Werkzeugteil angeordnet werden.
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Zum Herstellen eines gehärteten und beschnittenen Blechformteils wird in das geöffnete Werkzeug 100, insbesondere positionsgenau, ein zuvor erwärmtes Blechmaterial eingelegt. Typischerweise handelt es bei dem Blechmaterial um ein presshärtungsgeeignetes Stahlblechmaterial, das vor dem Einlegen in das Werkzeug 100 auf eine Temperatur von mehr als 900 °C erwärmt wurde. Eine erste Verfahrensvariante (direktes Presshärten) sieht vor, dass das Blechmaterial in Form einer ebenen Platine in das Werkzeug 100 eingelegt wird, wobei das Werkzeug 100 dann eine umformende Funktion hat. Eine zweite Verfahrensvariante (indirektes Presshärten) sieht vor, dass das Blechmaterial beim Einlegen in das Werkzeug 100 ein bereits vorgeformtes Blechformteil bzw. Zwischenformteil ist, wobei das Werkzeug 100 dann eine umformende, formerhaltende oder formkalibrierende Funktion haben kann.
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Nach dem Einlegen des zu formenden, zu härtenden und zu beschneidenden Blechmaterials wird das Werkzeug 100 geschlossen, wozu das obere Werkzeugteil 200 in der Arbeitsrichtung A verfahren wird. Diese Verfahrbewegung wird durch die Umformpresse erzeugt. Während dem Schließen des Werkzeugs 100 durch Verfahren des oberen Werkzeugteils 200 in der Arbeitsrichtung A wird eine zum Umformen des Blechmaterials 400 erforderliche Kraft vom Pressenstößel der Umformpresse in die obere Grundplatte 210 eingeleitet und von dort über die Gasdruckfedern 240 an die Matrize 220 übertragen. In dieser Phase dienen die Gasdruckfedern 240 zur Übertragung der Umformkraft und federn hierbei etwaige Kraftspitzen ab.
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2 zeigt das Werkzeug 100 im geschlossenen Zustand. Zwischen der Matrize 220 und dem Formstempel 320 befindet sich ein Blechmaterial 400, das beim Schließen des Werkzeugs 100 entsprechend der Stempel- und Matrizenkontur zu einem Werkstück geformt wurde. Das Werkstück bzw. das Blechmaterial 400 liegt vollflächig oder gegebenenfalls auch nur teilflächig an den Werkzeugwirkflächen 222 und 322 an, wodurch eine rasche Kühlung des Blechmaterials 400 bewerkstelligt wird, was nach den bekannten metallurgischen Mechanismen zu einer Härtung bzw. Festigkeitserhöhung des Blechmaterials 400 führt.
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In der in 2 gezeigten Darstellung befindet sich die Matrize 220 in ihrer unteren Endstellung und kann in der Arbeitsrichtung A nicht mehr weiter verfahren werden. In dieser Phase dienen die Gasdruckfedern 240 dazu, eine für das Abkühlen und Härten des Blechmaterials 400 erforderliche Flächenpressung zwischen den Werkzeugwirkflächen 222 und 322 und dem Blechmaterial 400 aufrecht zu erhalten, wobei die hierzu erforderliche Presskraft unverändert von der Umformpresse aufgebracht wird, was durch den auf die obere Grundplatte 210 gerichteten Kraftpfeil F veranschaulicht ist.
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Wenn die Matrize 220 nach dem Formen des Blechmaterials 400, wie vorausgehend erläutert, in ihrer unteren Endstellung angelangt ist hat der Pressenstößel noch nicht seinen unteren Totpunkt (UT) erreicht, sondern kann zusammen mit der oberen Grundplatte 210 um noch mehrere Millimeter in der Arbeitsrichtung A verfahren werden. Dies führt zu einem wegabhängigen Druckanstieg in den Gasdruckfedern 240. Beim Überschreiten eines vorbestimmten bzw. durch Auslegung oder Einstellung definierten Drucks in den Gasdruckfedern 240 können diese einfedern bzw. verdrängt werden. Dadurch kann die Matrize 220 entgegen der aufgebrachten Presskraft F nachgeben, zumindest bis diese an das optionale Distanzelement 250 anstößt. Durch das Einfedern bzw. Verdrängen der Gasdruckfedern 240 können die Werkzeugteile 200 und 300 weiter zusammen gefahren werden (bzw. das obere Werkzeugteil 200 kann in der Arbeitsrichtung A weiter auf das untere Werkzeugteil 300 zugefahren werden), wobei auch dieses weitere Zusammenfahren der Werkzeugteile 200 und 300 von der Umformpresse bewerkstelligt wird.
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Das weitere Zusammenfahren der Werkzeugteile 200 und 300 geht mit einem analogen Einfedern der Gasdruckfedern 240 einher. Durch dieses Einfedern der Gasdruckfedern 240 kann die Matrize 220 kontinuierlich nachgeben. Dieses Nachgeben kann als ein Zurückweichen der an und für sich ortsfest in der unteren Endstellung verbleibenden Matrize 220 innerhalb des oberen Werkzeugteils 200 aufgefasst werden, wobei sich die Matrize 220, wie mit den Bewegungspfeilen B veranschaulicht, quasi auf die obere Grundplatte 210 zubewegt. Genau genommen bewegt sich jedoch die obere Grundplatte 210 auf die feststehende Matrize 220 zu. Die Gasdruckfedern 240 bewirken in dieser Phase die Aufrechterhaltung einer definierten Flächenpressung zwischen den Werkzeugwirkflächen 222 und 322 und dem Blechmaterial 400.
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Spätestens beim weiteren Zusammenfahren der Werkzeugteile 200 und 300, wobei dieses weitere Zusammenfahren der Werkzeugteile 200 und 300 erst durch das Einfedern bzw. Verdrängen der Gasdruckfedern 240 und die damit einhergehende nachgiebige Befestigung der Matrize 220 an der oberen Grundplatte 210 ermöglicht wird, gelangen die Schrägflächen 261 und 361 an den bewegbaren Trennschiebern 260 und an den ortsfesten Treibern 360 in flächigen Berührungskontakt und können in der Folge aufeinander abgleiten. Hierbei werden die bewegbaren Trennschieber 260 auf mechanische Weise passiv betätigt und in Richtung des Formstempels 320 und quer zur Arbeitsrichtung A verschoben, so dass die daran angeordneten Schneideinrichtungen 270 in den steilen Abschnitten des Werkstücks bzw. Blechmaterials 400 Trennoperationen ausführen können, wobei das Blechmaterial 400 zwischen den korrespondierenden Schneidkanten 271 und 371 abgeschert wird. Die aufzuwendende Schneidkraft wird durch mechanische Umsetzung an den Schrägflächen 261 und 361 aus der Presskraft F erzeugt.
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Die horizontale Verschiebebewegung C der Trennschieber 260 kann im Bereich von 1 mm bis 20 mm, bevorzugt im Bereich von 2 mm bis 15 mm und insbesondere im Bereich von 2 mm bis 10 mm liegen (wodurch auch eine Lage- und Schnitttoleranz gegeben ist). Im Übrigen überlagert sich diese horizontale Verschiebebewegung C der Trennschieber 260 mit einer vertikalen Verfahrbewegung, die der Verfahrbewegung des oberen Werkzeugteils 200 in der Arbeitsrichtung A beim weiteren Zusammenfahren der Werkzeugteile 200 und 300 entspricht. Im Ergebnis ergibt sich somit für die Trennschieber 260 eine resultierende Verfahrbewegung in den mit den Bewegungspfeilen D angedeuteten Bewegungsrichtungen. Die durch konstruktive Gestaltung vorgegebenen Bewegungsrichtungen D erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu den steilen Abschnitten, in denen die Trennoperationen ausgeführt werden sollen. Die Bewegungsrichtung kann bspw. mit Führungselementen vorgegeben werden, wobei derartige Führungselemente auch hinsichtlich einer Abstützung beim Schneidvorgang vorteilhaft sein können.
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Bei den Trennoperationen handelt es sich um ein Beschneiden des Werkstücks zum Erzeugen einer definierten Außenkontur. Die außenliegenden Blechabfallteile sind mit 401 bezeichnet und können, gegebenenfalls erst nach der Rückstellung der Trennschieber 260, schwerkraftbedingt nach unten wegfallen, wobei auch andere Möglichkeiten zum Entfernen der in der Regel noch warmen Blechabfallteile 401 vorgesehen sein können. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Blechabfallteile 401 beim Schneiden nicht eingeklemmt werden.
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Die offenen oder gegebenenfalls auch geschlossenen Schnittlinienverläufe liegen außerhalb der aktiv gekühlten Werkzeugwirkflächen 222 und 322 und befinden sich somit in Abschnitten, in denen das Blechmaterial 400 beim vorausgehenden Umformen weniger oder nicht gekühlt wurde und daher (zum Zeitpunkt des Schneidvorgangs) in diesen Abschnitten nicht oder nur sehr geringfügig gehärtet ist (wobei die Härte graduell zwischen gehärteten und nicht gehärteten Abschnitten abnimmt). Besonders vorteilhaft ist hier die Möglichkeit, dass das Blechmaterial 400 in einem noch erwärmten Zustand (bspw. zwischen 600 °C und 700 °C und insbesondere bei ca. 650 °C) beschnitten werden kann, was hinsichtlich der aufzubringenden Schneidkraft, der Schnittflächenausbildung am Werkstück und/oder dem Verschleiß an den Schneidkanten 271 und 371 von Vorteil ist. Wie anschaulich in 2 gezeigt, können die Schnittlinien direkt neben den gekühlten Werkzeugwirkflächen 222 und 322 verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass das Blechmaterial 400 während den Trennoperationen bzw. bei den Schneidvorgängen durch die Klemmung zwischen den Werkzeugwirkflächen 222 und 322 einseitig sehr gut fixiert ist. Dies hat aber auch den Vorteil, dass die Schnittlinien sehr präzise zwischen gehärtete und nicht gehärtete bzw. zwischen gekühlte und nicht gekühlte Abschnitte gelegt werden können.
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Bei einer Trennoperation kann es sich jedoch auch um ein Lochen zum Einbringen von Bohrungen bzw. Löchern, Durchbrüchen oder Ausnehmungen mit geschlossenem Schnittlinieverlauf in steilen Abschnitten des Werkstücks bzw. Blechmaterials 400 handeln, wofür die vorausgehenden Erläuterungen analog gelten.
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Nach dem Abkühlen des Blechmaterials 400 (bspw. auf weniger als 200 °C), was unter Aufrechterhaltung der Presskraft F über eine definierte Haltezeit erfolgt (um auch die Härtung abzuschließen), wozu der Pressenstößel z. B. kurze Zeit in seinem unteren Totpunkt verharrt, kann das Werkzeug 100 durch Verfahren des oberen Werkzeugteils 200 entgegen der Arbeitsrichtung D geöffnet werden. Während des Öffnungshubs gewährleisten die ausfedernden Gasdruckfedern 240 noch über einen bestimmten Verfahrweg eine Aufrechterhaltung der Flächenpressung, was bspw. zur Kühlung des Blechmaterials 400 genutzt werden kann. Anschließend kann das gehärtete sowie beschnittene und/oder gegebenenfalls auch gelochte Blechformteil entnommen werden. Bei dem hergestellten Blechformteil handelt es sich z. B. um einen Fahrzeugtunnel für eine Kraftfahrzeugkarosserie, der konstruktionsbedingt steile Abschnitte aufweist.
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Das in den 1 und 2 gezeigten Werkzeug 100 kann auch anders aufgebaut werden. So kann bspw. die Anordnung von Matrize und Formstempel bezüglich oberen Werkzeugteil und unteren Werkzeugteil vertauscht sein. Ebenso kann der Formstempel als nachgiebiger, d. h. federnd auf der Grundplatte abgestützter Formstempel, ausgebildet sein. Ferner können die Trennschieber am unteren Werkzeugteil und/oder die Treiber am oberen Werkzeugteil angeordnet werden. Usw. und usf.
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3 zeigt ein anderes erfindungsgemäßes Werkzeug 100a. Gleiche oder funktionsgleiche Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2 benannt, wobei der Buchstabe a angefügt ist.
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Bei dem Werkzeug 100a sind lediglich die Schneideinrichtungen 270a als Schieber ausgebildet, die durch feststehende Antriebselemente 290a, wobei es sich beispielhaft um Hydraulikzylinder handelt, zum Ausführen einer Trennoperation aktiv betätig und quer zur Arbeitsrichtung D bewegt werden können. Die Hydraulikzylinder 290a sind in an unbeweglichen Aufnahmen 265a befestigt, die an der oberen Grundplatte 210a oder auch an der unteren Grundplatte 310a angeordnet sein können. Die Aktivierung der Hydraulikzylinder 290a kann z. B. zeitgesteuert und/oder weggesteuert erfolgen, wozu im Werkzeug 100a entsprechende Sensoren zur Erfassung des Ziehwegs angeordnet sein können. Im Übrigen gelten analog die vorausgehenden Erläuterungen in Bezug auf das in den 1 und 2 gezeigte Werkzeug 100.
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Die beispielhaft gezeigten und erläuterten Werkzeugkonzepte können auch miteinander kombiniert werden. So können bspw. die in 3 gezeigten Hydraulikzylinder 290a in die in den 1 und 2 gezeigten Schieber 260 integriert werden, um somit größere Stellbewegungen und/oder Schneidkräfte an einer Schneideinrichtung 270 erzeugen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Werkzeug (Presshärtewerkzeug)
- 200
- oberes Werkzeugteil (Oberwerkzeug)
- 210
- obere Grundplatte
- 220
- Matrize
- 222
- matrizenseitige Werkzeugwirkfläche
- 230
- Kühleinrichtung (Kühlkanäle)
- 240
- Gasdruckfeder
- 250
- Distanzelement
- 260
- Trennschieber
- 261
- Schrägfläche (Gleitfläche)
- 265
- Aufnahme
- 270
- Schneideinrichtung
- 271
- Schneidkante
- 290
- Antriebselement (Hydraulikzylinder)
- 300
- unteres Werkzeugteil (Unterwerkzeug)
- 310
- untere Grundplatte
- 320
- Formstempel
- 322
- stempelseitige Werkzeugwirkfläche
- 330
- Kühleinrichtung (Kühlkanäle)
- 360
- Treiber (Treiberklotz)
- 361
- Schrägfläche (Gleitfläche)
- 371
- Schneidkante
- 380
- Gleitplatte
- 400
- Blechmaterial (Werkstück)
- 401
- Blechabfallteil (Abfallstück)
- A
- Arbeitsrichtung
- B
- Rückweichbewegung (der Matrize)
- C
- horizontale Bewegung des Trennschiebers
- D
- resultierende Bewegung des Trennschiebers
- F
- Presskraft
- y
- Winkel
