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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmumformen eines metallischen Halbzeugs nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Beim lokalen oder partiellen Presshärten von metallischen Werkstücken werden Halbzeuge aus härtbarem Metallblech zunächst in einem Durchlaufofen konduktiv oder induktiv erhitzt und dann einem Umform- bzw. Presswerkzeug schnell abgekühlt. hierfür weist das Werkzeug gezielt kühlbare und heizbare Abschnitte auf, die eine Erzeugung von Bereichen unterschiedlicher Festigkeit im bearbeiteten Werkstück ermöglichen. Ein derartiges Werkzeug ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 025 026 B3 bekannt.
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Während des Pressvorgangs gibt das erhitzte Halbzeug Wärme an das Presswerkzeug ab, so dass sich dieses beim sequentiellen Durchführen einer Mehrzahl von Pressvorgängen deutlich erwärmt. Aus diesem Grund ist eine aktive Kühlung des Werkzeuges notwendig. Aus dem Stand der Technik ist es dabei bekannt, die kühlbaren Werkzeugbereiche, also diejenigen Bereiche, in denen eine (lokale) Presshärtung des Halbzeugs erfolgen soll, mit Kühlkanälen zu versehen. Aufgrund des Wärmeeintrags durch das Halbzeug werden jedoch sowohl die gekühlten als auch die nicht gekühlten Werkzeugbereiche über das erwünschte Maß erhitzt, so dass es in der Regel notwendig ist, die Taktzeiten des Presshärtevorgangs entsprechend zu verlängern, um zwischen aufeinanderfolgenden Presshärtezyklen eine Abkühlung der warmen Werkzeugbereiche durch Wärmeabstrahlung und Konvektion zu ermöglichen. Dies limitiert auf nachteilige Weise die Produktivität eines derartigen Werkzeuges.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches eine besonders schnelle sequentielle Bearbeitung mehrerer Werkstücke ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei einem derartigen Verfahren zum Warmumformen eines metallischen Halbzeugs wird das Halbzeug in einem Werkzeug umgeformt, welches wenigstens einen beheizbaren und wenigstens einen kühlbaren Teilbereich aufweist, welche während des Umformens beheizt respektive gekühlt werden. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass bedarfsabhängig – vorteilhafterweise in periodischen Zeitabständen, beispielsweise nach jedem Umformvorgang – der wenigstens eine beheizbare Teilbereich mittels eines Kühlmediums auf eine vorgegebene Soll-Temperatur gekühlt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die vom Werkzeug aufgenommene Wärmemenge, also die Wärme, die vom vorgeheizten Werkstück auf das Werkzeug übertragen wird, nach der Durchführung eines Umformvorgangs schnell wieder abgegeben werden kann, so dass besonders kurze Taktzeiten und damit ein besonders hoher Werkstückdurchsatz ermöglicht wird.
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Unter dem Begriff „Warmumformen” sollen dabei ganz allgemein Umformverfahren verstanden werden, bei denen vor bzw. während der Umformung eine gezielte Erwärmung des Halbzeugs erfolgt. Der Begriff „Warmumformen” soll somit auch Halbwarmumformen und (lokales) Presshärten metallischer Halbzeuge umfassen.
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Um den beheizbaren Teilbereich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umformvorgängen möglichst effektiv zu kühlen, kann als Kühlmedium Druckluft verwendet werden, welche bei geöffnetem Umformwerkzeug auf eine Oberfläche des wenigstens einen beheizbaren Teilbereichs geleitet wird. Die Druckluft kann dabei aktiv vorgekühlt werden, um eine besonders schnelle Wärmeabfuhr durch konvektiven Transport zu ermöglichen. Eine derartige Kühlung ist konstruktiv besonders einfach zu realisieren, da in dem beheizbaren Teilbereich selbst keine zusätzlichen Kühlkanäle vorgesehen werden müssen. Die Druckluftkühlung kann auf die beheizbaren Teilbereiche des Werkzeugs beschränkt sein oder kann sich zusätzlich auch auf kühlbare Teilbereiche erstrecken.
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Um eine besonders effektive Kühlung zu realisieren, kann als Kühlmedium jedoch auch ein Fluid verwendet werden, welches zwischen zwei Umformvorgängen durch wenigstens einen Temperierkanal des wenigstens einen beheizten Teilbereichs geleitet wird. Durch den direkten Kontakt des Fluids mit dem beheizten Teilbereich und die Möglichkeit, Fluide, beispielsweise Flüssigkeiten, mit hoher Wärmekapazität einzusetzen, ist so eine besonders schnelle und effiziente Kühlung durch gepulstes Zuführen von Kühlmedium möglich.
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Zweckmäßigerweise wird eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder ein Volumenstrom des Kühlmediums in Abhängigkeit von einer Temperatur des wenigstens einen beheizten Teilbereichs gewählt. Dies ermöglicht die Anpassung der Kühlleistung an die tatsächliche Temperatur des zu kühlenden Bereichs des Werkzeuges, so dass die vorgegebene Soll-Temperatur besonders schnell erreicht werden kann. Insbesondere ist es dabei zweckmäßig, Menge oder Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums um so höher zu wählen, je mehr Wärme abgeführt werden muss.
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Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Diagramm des zeitlichen Temperaturverlaufs in einem Warmumformwerkzeug nach dem Stand der Technik; und
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2 ein Diagramm des zeitlichen Temperaturverlaufs während mehrerer Umformvorgänge in einem Warmumformwerkzeug beim Ausführen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beim partiellen Warmumformen mit temperierten Werkzeugen werden Teilbereiche des Werkzeugs gezielt lokal gekühlt bzw. beheizt, um in einem Halbzeug, das in dem Werkzeug zu einem Werkstück umgeformt wird, Bereiche unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften zu schaffen. So wird beispielsweise beim Presshärten mit temperierten Werkzeugen werden Teilbereiche des Werkzeugs gezielt lokal gekühlt bzw. beheizt, um in dem umzuformenden Halbzeug Bereiche unterschiedlicher Härte zu schaffen. Als Werkstoff für Halbzeuge zur Herstellung pressgehärteter Bauteile kommt heute überwiegend 22MnB5 zum Einsatz, welcher vor der Umformung auf mindestens 850°C erwärmt wird. In den gekühlten Bereichen des Werkzeugs härtet der Werkstoff aufgrund der raschen Abkühlung martensitisch aus. Im beheizten Werkzeugbereich wird diese Aushärtung unterbunden, wodurch ein duktiles bainitisches Werkstoffgefüge mit geringerer Festigkeit resultiert. Bauteileigenschaften lassen sich somit über die Werkzeugtemperatur gezielt einstellen. Zweckmäßige Werkzeugtemperaturen in den beheizten Werkzeugbereichen liegen dabei im Bereich von 500°C und können sinnvollerweise nur elektrisch mit Widerstandsheizungen oder ähnlichen Elementen eingestellt werden.
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Durch das erhitzte Halbzeug wird Wärme in das Umformwerkzeug eingebracht, die während des Pressvorgang auf das Werkzeug übertragen wird. Um bei kontinuierlicher Herstellung warmumgeformten Werkstücke eine Erwärmung des kalten Werkzeugbereichs zu vermeiden, muss dieser im Serienbetrieb eines derartigen Werkzeugs aktiv gekühlt werden, wofür in der Regel kontinuierlich ein Kühlmedium durch diese Werkzeugbereiche zirkuliert wird.
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Auch im beheizten Werkzeugbereich muss die Platinenwärme über das Werkzeug abgeführt werden. Im Serienbetrieb ergibt sich dabei das Problem, dass sich dieser Werkzeugbereich bei schnell aufeinander folgenden Umformvorgängen zunehmend erhitzt. Dies ist in 1 schematisch dargestellt. Die Figur zeigt den Temperaturverlauf eines beheizten Werkzeugbereichs über die Zeit aufgetragen für eine Folge von einzelnen Umformvorgängen 10. Während jedes einzelnen Umformvorgangs erhitzt sich das Werkzeug zunächst auf eine Maximaltemperatur 12 und kühlt dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an der Luft wieder langsam ab. Das beim Abkühlen im vorgegebenen Zeitraum von 15 s erzielte Temperaturminimum 14 steigt dabei für aufeinander folgende Umformvorgänge ebenso wie das Maximum 12 an. Zu Beginn des Serienbetriebs wird der beheizte Werkzeugbereich auf die Zieltemperatur von 500°C aufgeheizt. Während beim ersten Umformvorgang des beheizten Werkzeugbereichs ein Maximum 12 von 540°C sowie ein Minimum 14 von in etwa 505°C erreicht wird, steigert sich das Temperaturmaximum 12 beim vierten Umformvorgang 10 auf eine Temperatur von 560°C und das Minimum 14 auf eine Temperatur von 525°C. Aufgrund der mangelnden thermischen Konstanz über aufeinander folgende Umformvorgänge 10 wird die Prozesssicherheit des Umformens bzw. Presshärtens negativ beeinflusst. Die steigenden Temperaturen im Werkzeug machen es zudem notwendig, dass nach in etwa vier Umformvorgängen 10 ein weiterer Umformvorgang 16 mit verlängerter Abkühlphase durchgeführt werden muss, um die Temperatur des Werkzeugs wieder zurückzuführen. Alternativ kann das Werkzeug in einer solchen Weise betrieben werden, dass nach jedem Umformvorgang eine gewisse Zeitspanne abgewartet wird, bis die Zieltemperatur des Werkzeugs wieder auf den gewünschten Wert abgesunken ist. Beide Varianten verlängern insgesamt die Taktzeiten und verringern den Werkstückdurchsatz des Werkzeuges.
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Um dies zu verbessern, kann eine aktive Kühlung auch der beheizten Bereiche des Werkzeuges vorgesehen werden. 2 zeigt den Temperaturverlauf eines derart gekühlten Werkzeuges über eine Mehrzahl von Umformvorgängen 10. Jeder Umformvorgang besteht hier aus einer eigentlichen Umformphase 18 sowie aus einer darauf folgenden Kühlphase 20, in welcher das gesamte Werkzeug oder auch nur die ursprünglich während der Umformphase 18 beheizten Bereiche aktiv durch Zuführen eines Kühlmediums gekühlt werden. Es ist zu erkennen, dass sowohl die Temperaturmaxima 12 während jedes Umformvorgangs 10 als auch die Temperaturminima 14 am Ende der Kühlphase 20 über alle Umformprozesse 10 konstant bleiben. Verlängerte Abkühlperioden sind daher nicht notwendig, so dass ein besonders hoher Durchsatz an Werkstücken erzielt werden kann.
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Zur Kühlung des Werkzeuges existieren dabei zwei Möglichkeiten. Zum einen können oberflächennahe Kühlbohrungen in die beheizten Bereiche des Werkzeuges integriert werden, die gepulst mit hochtemperaturbeständigem gekühltem Öl durchströmt werden. Die Pulse entsprechen dabei den Abkühlphasen 20. Die zugeführte Ölmenge bzw. dessen Strömungsgeschwindigkeit kann dabei auch werkzeugtemperaturabhängig geregelt werden, um besonders effizient Wärme abzuführen. Das Kühlsystem ist dabei so auszulegen, dass das Öl bei der Durchströmung nicht über dessen maximale Betriebstemperatur, üblicherweise im Bereich von 300 bis 400°C, erhitzt wird. Durch die hohe Wärmekapazität des Öls kann ein besonders großer Wärmeübergang zwischen Öl und Kühlbohrung erzielt werden, was zu einer schnellen und dynamischen Kühlwirkung führt. Zudem kann der Aufheizprozess des Werkzeugs von einer Raum- auf eine Betriebstemperatur durch Zuführen von heißem Öl verkürzt werden.
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Alternativ oder zusätzlich hierzu kann zwischen zwei Umformphasen die konvektive Wärmeabfuhr aus dem Werkzeug durch Zuführung von kalter Druckluft auf die Oberflächen des Werkzeuges erhöht werden. Während der Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Werkzeug und ruhender Luft 3–20 W/m2K beträgt, kann an Oberflächen, welche einer turbulenten Luftströmung ausgesetzt sind, ein Wärmeübergangskoeffizient von bis zu 600 W/m2K erzielt werden. Durch eine gezielte Anordnung von Druckluftdüsen und einer ebenfalls werkzeugtemperaturabhängigen Regelung der Druckluftzufuhr kann auch mit diesem Ansatz eine Überhitzung des Werkzeugs ohne Taktzeitverlängerung vermieden werden.
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Insgesamt wird so die Fertigungszeit durch Vermeidung von Abkühlphasen 16 reduziert und gleichzeitig die Prozesssicherheit, Bauteilqualität und Toleranzeinhaltung verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005025026 B3 [0002]
