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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines formgebenden Werkzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein formgebendes Werkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Bei der Herstellung von maßhaltigen Bauteilen, insbesondere von Metallbauteilen, besteht bei einer prozessbedingt auftretenden Wärme das allgemein bekannte Problem von Toleranzen durch die Wärmeausdehnung.
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Ein Wärmeeintrag in ein zu bearbeitendes Bauteil kann bei einer spanabhebenden Bearbeitung auftreten, wobei beispielsweise ein Fräswerkzeug für die Bearbeitung von Kurbelwellen zu Arbeitsbeginn kalt ist und sich im Laufe eines Arbeitstages durch die bei der Bearbeitung anfallenden Wärme allmählich erwärmt und entsprechend in der Länge dehnt. Dadurch ergeben sich entsprechend große Bearbeitungstoleranzen. Um diese Bearbeitungstoleranzen zu verringern und die Maßhaltigkeit zu verbessern ist es aus
DE 26 30 047 A1 bereits bekannt, das Fräswerkzeug schon bei Arbeitsbeginn auf seine sich während eines Arbeitstages einstellende Arbeitstemperatur aufzuheizen. Eine Umformung einer Platine, insbesondere eine Warmumformung in eine Presse mittels Stempel und Matrize ist hier nicht angesprochen.
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Weiter ist eine dem vorstehenden Verfahren ähnliche Maßnahme für eine hohe Bearbeitungspräzision aus
DE 10 2007 038 269 A1 bekannt, wobei zur Vermeidung temperaturbedingter Dimensionsabweichungen des bearbeiteten Werkstücks dessen Temperatur bestimmt wird und gezielt eine Temperaturdifferenz zwischen dem bearbeitenden Werkzeug und dem Werkstück eingestellt wird. Die Temperaturdifferenz ist dabei so bemessen, dass unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialen des Werkzeugs und des Werkstücks und die sich aus diesen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ergebenden Dimensionsänderungen angleichen. Eine solche thermisch kompensierte Werkstückbearbeitung führt zu höchster Bearbeitungspräzision und ist bei Umformprozessen für Platinen, insbesondere zu Karosseriebauteilen weder erforderlich noch geeignet.
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Gemäß aktuellem Stand der Technik werden in einem speziellen Warmumformprozess Bauteile, insbesondere Karosseriebauteile, aus Platinen hergestellt. Dazu werden die kompletten Platinen auf eine Platinentemperatur von etwa 900°C bis 950°C in einem Durchlaufofen erwärmt und in einem Umformwerkzeug zu einem Bauteil umgeformt, wobei auch das Umformwerkzeug auf eine vorbestimmte Umformwerkzeugtemperatur als Werkzeug-Arbeitstemperatur von ca. 500°C bis 550°C temperiert ist.
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Ersichtlich besteht auch hier das Problem einer temperaturbedingten Ausdehnung des Umformwerkzeugs zwischen der üblichen Umgebungstemperatur von ca. 20°C und seiner Werkzeug-Arbeitstemperatur von ca. 500°C bis 550°C. Im Gegensatz zum eingangs erwähnten Stand der Technik wird hier bei einem solchen Warmumformprozess der Wärmeeintrag in das Umformwerkzeug nicht durch einen Bearbeitungsprozess, sondern über eine Heizvorrichtung durchgeführt.
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Ziel des Warmumformprozesses ist es Bauteile, insbesondere Karosseriebauteile als Gutteile zu erhalten, die einer gewünschten Bauteilgeometrie entsprechen, welche üblicherweise durch CAD-Daten vorgegeben ist. Falls unter Zugrundelegung dieser CAD-Daten die Formgeometrie des Umformwerkzeugs (Stempel und Matrize) aus einem Werkzeugrohling bei üblicher Umgebungstemperatur von ca. 20°C gefräst werden würde, ändert sich diese Formgeometrie durch die Wärmeausdehnung des Umformwerkzeugs bei einer Temperierung auf seine Arbeitstemperatur von ca. 500°C bis 550°C für den Warmumformprozess durch die Wärmeausdehnung erheblich. Aus einem so hergestellten Umformwerkzeug sind somit im beheizten Umformwerkzeug wegen der erfolgten Wärmeausdehnung keine maßlich gewünschten Bauteile als Gutteile produzierbar.
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Es ist daher bereits bekannt die Wärmeausdehnung im beheizten Werkzeug unter Zugrundelegung der CAD-Daten für das gewünschte Bauteil per Software zu simulieren und bei der bis einer Umgebungstemperatur von ca. 20°C durchzuführenden Herstellung des Umformwerkzeugs zu berücksichtigen und vorzuhalten. Damit soll erreicht werden, dass aus einem so hergestellten Umformwerkzeug bei dessen Betriebstemperatur von 500°C bis 550°C Gutteile produzierbar sind. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine solche Simulation der Wärmeausdehnung, insbesondere bei komplexen dreidimensionalen Formgeometrien mit erheblichen Unschärfen behaftet ist. Somit sind auch aus Umformwerkzeugen die unter Berücksichtigung einer simulativen Kompensation der Werkzeugausdehnung hergestellt wurden unmittelbar keine Gutteile oder nur Bauteile mit großen Toleranzen produzierbar, so dass die Werkzeuge mit hohem Aufwand im Nachgang exakt eingearbeitet werden müssen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeugs zur Verwendung in einem Warmumformprozess vorzuschlagen, mit dem eine unmittelbare Kompensation der Werkzeugausdehnung möglich ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein Umformwerkzeug zur Verfügung zu stellen, welches ohne Nacharbeit eine Werkzeugausdehnung geeignet kompensiert.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht allgemein auf dem Kerngedanken, dass der Werkzeug-Rohling bei der Fräsbearbeitung aktiv auf eine Temperatur erwärmt wird, die das herzustellende formgebende Werkzeug später auch im Umformprozess oder Urformprozess hat. Vor diesem Hintergrund wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 die Formgeometrie des formgebenden Werkzeugs aus einem auf die Arbeitstemperatur temperierten Werkzeugrohling hergestellt, insbesondere warmgefräst. Dadurch erfolgt eine Kompensation von Wärmeausdehnungen sowie von Maßabweichungen. Mit anderen Worten wird das formgebende Werkzeug mit seinen Bestandteilen bei der Herstellung in einem Zustand gefertigt, wie er im späteren Arbeitszustand, zum Beispiel im Warmumformprozess, auch anzutreffen ist. Das Werkzeug wird somit bei der später im Betrieb nötigen Arbeitstemperatur gefräst. Die Arbeitstemperatur kann je nach den Gegebenheiten lediglich beispielhaft zwischen 400°C und 600°C, vorzugsweise zwischen ca. 500°C und 550°C liegen.
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Die Erfindung ist unabhängig vom zu formenden Werkstoff und vom Formgebungsprozess anwendbar, in dem das formgebende Werkzeug nach Fertigstellung angewendet wird. Beispielhaft kann der Umformprozess ein Warmumformprozess sein, bei dem der zu formende Werkstoff eine auf eine vorbestimmte Platinen-Temperatur erwärmte Platine ist. Das formgebende Werkzeug kann im Betriebszustand aktiv auf eine vorbestimmte Werkzeug-Temperatur temperiert sein, insbesondere auf eine Werkzeug-Temperatur von 300°C bis 500°C.
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Anstelle einer solchen aktiven Temperierung des formgebenden Werkzeugs kann der Wärmeeintrag auch durch den Werkstoff selbst erfolgt, etwa durch Einlegen einer glühend heißen Platine in das formgebende Werkzeug. Alternativ kann der Wärmeeintrag bei einem Urformprozess auch durch einen zu formenden Gußwerkstoff bzw. durch einen Kunststoff erfolgen, der als flüssige Schmelze, Harz, Granulat oder als temperiertes Gewebe in das formgebende Werkzeug einbringbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Umformprozess ein Presshärten sein. Beim Presshärten kann ausschließlich ein Abkühlen und Härten eines Blechbauteils erfolgen, das zuvor mittels konventioneller Kaltumformung hergestellt wurde. Dazu kann das formgebende Werkzeug aktiv auf die vorbestimmte Arbeitstemperatur gekühlt werden.
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Wie oben erwähnt, ist die Erfindung generell anwendbar auf jegliche Art von temperierten Ur- oder Umformwerkzeugen, deren Betriebstemperatur größer oder kleiner als die Raumtemperatur ist. Beispielhaft können mit Hilfe der Erfindung Formwerkzeuge zum Druckgießen, zur Kunststoffformgebung oder im Bereich der CFK-Technik hergestellt werden. Entsprechend würden bei Druckgießwerkzeugen und/oder bei CFK-Werkzeugen die Arbeitstemperaturen nicht im oben erwähnten Bereich von 500°C liegen, sondern eher in einem Bereich von zum Beispiel 100°C bis 300°C.
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Nachfolgend sind die vorteilhaften Weiterentwicklungen der Erfindung der Einfachheit halber nur anhand eines Umformwerkzeugs beschrieben, jedoch nicht alleine darauf beschränkt.
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So bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit unmittelbar und ohne die Unschärfen einer Simulation einer Wärmeausdehnung ein maßlich sehr genaues Umformwerkzeug für die erforderliche Betriebstemperatur zu erzeugen. Die Anforderungen an den dazu erforderlichen Fräsvorgang sind hoch jedoch beherrschbar.
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Vorteilhaft können bei einem automatisierten Fräsvorgang die Daten der CAD-Geometrie des Bauteils für die Formgebung des Umformwerkzeugs zugrunde gelegt werden.
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Bei einem Warmumformprozess unter Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten Umformwerkzeugs können in an sich bekannter Weise die kompletten Platinen auf eine Platinentemperatur von etwa 800°C bis 1000°C, insbesondere von 920°C bis 950°C in einem Durchlaufofen erwärmt werden. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf die Verwendung eines Durchlaufofens beschränkt. Anstelle eines solchen Durchlaufofens kann vielmehr jegliche andere Erwärmungseinheit geeigneter Bauart verwendet werden. Beispielhaft seien ein Mehrlagen-Kammerofen oder eine induktive Erwärmungseinheit erwähnt.
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In einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung ist das Umformwerkzeug in wenigstens einem vorbestimmten Teilbereich kühlbar. Dadurch ist es möglich, das produzierte Bauteil partiell dort zu härten und zu vergüten. Der wenigstens eine gekühlte Teilbereich des Umformwerkzeugs sorgt für eine schroffe Abkühlung der erwärmten Platine und somit für eine dortige partielle Härtung des Bauteils. Im übrigen beheizten Bereich des Umformwerkzeugs wird dagegen die Abkühlgeschwindigkeit der Platine deutlich reduziert und somit das Gefüge nicht gehärtet. Es entsteht somit dort ein relativ weicher duktiler Bereich. Damit lassen sich vorteilhaft crashrelevante Bauteile für den Fahrzeugbau erzeugen, wobei in einem einzigen gewichtsgünstigen Bauteil mehr oder weniger nachgiebige Bereiche integrierbar sind. Da weiter mit einem ansteigenden Einsatz solcher partiell und bedarfsgerecht gehärteter und in einem Warmumformprozess hergestellter Bauteile im Fahrzeugbau zu rechnen ist, besteht auch ein Bedarf die Herstellung dafür geeigneter Umformwerkzeuge hinsichtlich der Temperaturkompensation entsprechend der Erfindung zu optimieren.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Umformwerkzeugs dadurch gelöst, dass dieses eine Formgeometrie aufweist, die bei der Werkzeug-Arbeitstemperatur aus einem Werkzeugrohling warmgefräst ist.
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Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen ohne Kompensation einer Wärmeausdehnung hergestellten Stempel eines Umformwerkzeugs,
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2 einen mit einer simulativen Kompensation einer Wärmeausdehnung hergestellten entsprechenden Stempel eines Umformwerkzeugs, und
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3 einen erfindungsgemäß bei seiner Betriebstemperatur hergestellten entsprechenden Stempel eines Umformwerkzeugs.
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In 1 ist schematisch ein Stempel 1 eines Umformwerkzeugs für einen Warmumformprozess mit seiner Formgeometrie 21 dargestellt. (Eine zugeordnete Matrize wurde zur besseren Verdeutlichung der Formgeometrien weggelassen.) Zum Vergleich ist in den 1 bis 3 jeweils eine gleiche Höhe A eingezeichnet. Zudem ist in allen 1 bis 3 mit dicker Linie ein jeweils gleiches gewünschtes Bauteil 3 eingezeichnet. In den 1 bis 3 sind die Stempel 1, 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit als materialeinheitliche, einstückige sowie kompakte Baueinheiten dargestellt.
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In 1 (linke Seite) wurde die (einfach gewählte) Formgeometrie 21 entsprechend der gewünschten Bauteilform bei einer Umgebungstemperatur von T = 20°C durch einen Fräsvorgang aus einem Stempelrohling hergestellt. Ersichtlich würden mit einem so hergestellten Stempel 1 bei dessen Verwendung bei einer entsprechenden Umgebungstemperatur von T = 20°C Bauteile 4 als Gutteile produziert werden können.
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Bei der Verwendung des Stempels 1 in einem Warmumformprozess bei einer Arbeitstemperatur von T = 500°C „wächst” jedoch der Stempel 1 durch seine Wärmeausdehnung, so dass mit der sich dann einstellenden Formgeometrie 21' ersichtlich keine Bauteile 4 als Gutteile herstellbar sind (Pfeil 5; rechter Teil von 1).
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Auch mit dem Stempel 2 nach 2 soll ein Bauteil 4 mit gleicher Formgeometrie hergestellt werden. Dazu wurde auch der Stempel 2 bei einer Umgebungstemperatur T = 20°C hergestellt und gefräst, wobei jedoch die Wärmeausdehnung für die spätere Betriebstemperatur per Software simuliert und bei der Herstellung des Stempels 2 vorgehalten wurde. Im Vergleich mit 1 ergibt sich dadurch eine kleinere Form des Stempels 2 mit reduzierter Formgeometrie 22. Beim betriebsmäßigen Einsatz des Stempels 2 (Pfeil 6) und einer Aufheizung auf die Betriebstemperatur von T = 500°C ergibt sich durch die Wärmeausdehnung eine Formgeometrie 22', welche ersichtlich bereits weitgehend der gewünschten Form des Bauteils 4 entspricht (rechter Teil von 2). Insbesondere bei komplexen dreidimensionalen Geometrien ergeben sich mit der Simulation der Wärmeausdehnung noch Toleranzen zu einem Gutteil, die eine aufwändige Nacharbeit der Formgeometrie 22' des Stempels 2 erfordert.
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In 3 (rechte Seite) ist ein Stempel 3 dargestellt, der bei der angegebenen Betriebstemperatur von T = 500°C hergestellt und gefräst wurde. Ersichtlich entspricht dabei die Formgeometrie 23' exakt der Formgeometrie des gewünschten Bauteils 4 beim Warmumformprozess mit der Umformwerkzeug-Temperatur des temperierten Umformwerkzeugs. Mit der erfindungsgemäßen Warmfräsung wird somit eine exakte Kompensation der Werkzeugausdehnung erreicht. Wenn der Stempel 3 auf die Umgebungstemperatur von T = 20°C abkühlt (Pfeil 7) ergibt sich seine reduzierte Größe, wie in 3 linker Teil dargestellt. Die sich dabei ergebende Formgeometrie 23 ist dabei weder für die Stempelherstellung noch für die Produktion der Bauteile 4 relevant.
