DE102012003667A1

DE102012003667A1 - Aufnahmevorrichtung zur Erwärmung eines umzuformenden Bauteils

Info

Publication number: DE102012003667A1
Application number: DE201210003667
Authority: DE
Inventors: Yunus Baltaci; Ngoc Bao Lam Phan; Kathleen Siefert; Andreas Sulzberger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: BALTACI, YUNUS, DE; Klaus Kathleen De; Phan Ngoc Bao Lam Dipl-Ing De; Sulzberger Andreas Dr Dipl-Ing De
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung (10) zum induktiven Erwärmen eines umzuformenden Bauteils, mit wenigstens einer Spulenanordnung (14) zum induktiven Erwärmen eines umzuformenden Bauteils (12), wobei die Spulenanordnung (14) in einem Formkörper (16) aus einem Feststoff eingebettet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung zur Erwärmung eines umzuformenden Bauteils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Es ist bekannt, Bauteile aus Metallen mittels elektrischen Stromes induktiv zu erwärmen. Hierzu werden Spulen aus Kupferdraht im Nahbereich des zu erwärmenden Bauteils angeordnet und entsprechend bestromt. Somit entsteht ein magnetisches Wechselfeld, welches im zu erwärmenden Bauteil Wirbelströme induziert und in ferromagnetischen Stoffen eine zusätzliche Erwärmung bewirkt.
Hierdurch ist es möglich, Bauteile besonders schnell und schonend auf eine vorgegebene Temperatur zu bringen. Dies ist besonders relevant für das wärmeunterstützte Umformen von Bauteilen, welches beispielsweise beim Tiefziehen besonders hohe Ziehtiefen ermöglicht.
Um eine möglichst wirkungsvolle Erwärmung eines Bauteils bei einem derartigen Umformschritt zu erzielen, ist eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Bauteils notwendig. Hierzu ist es bekannt, komplex geformte Spulenanordnungen einzusetzen, um die notwendige Feldhomogenität über den gesamten zu erwärmenden Bereich des Bauteils sicherzustellen. Sollen derartige Spulenanordnungen in ein Werkzeug integriert werden, so besteht das Problem, dass es zu Verformungen oder zu Verschiebungen der Spulenanordnung kommen kann, welche dazu führen, dass der technisch sinnvolle Kopplungsabstand zwischen Spulenanordnung und umzuformenden Bauteil während der Erwärmung langfristig nicht gegeben ist. Verschiebungen der Spulenanordnung relativ zum umzuformenden Bauteil führen jedoch wiederum zum Auftreten von Feldinhomogenitäten und zu einer ungleichmäßigen Erwärmung des Bauteils, was die Umformergebnisse verschlechtern kann. Ist der gewünschte Kopplungsabstand unterschritten, so kommt es zu einem magnetischen Anziehen des Bauteils durch die Spulenvorrichtungen; ist er dagegen überschritten, kann dies zu einer unzureichenden und inhomogenen Erwärmung des Bauteils führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welche eine langfristig stabile Positionierung einer Spulenanordnung zum induktiven Erwärmen relativ zu einem umzuformenden Bauteil gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine solche Aufnahmevorrichtung weist wenigstens eine Spulenanordnung zum induktiven Erwärmen eines umzuformenden Bauteils auf. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Spulenanordnung in einem Formkörper aus einem Feststoff eingebettet ist. Durch die stabile Einbettung der Spulenanordnung kann sichergestellt werden, dass sich diese auch im Dauerbetrieb der Vorrichtung nicht verschieben kann, so dass immer der vorgegebene Sollabstand zwischen Spulenanordnung und umzuformenden Bauteil eingehalten wird. Das Einbetten der Spulenanordnung im Formkörper kann dabei durch Eingießen oder dergleichen geschehen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird ein besonders prozesssicherer und reproduzierbarer Erwärmungsprozess ermöglicht, bei dem immer eine gleichmäßige Erwärmung des umzuformenden Bauteils auf die vorgegebene Solltemperatur sichergestellt werden kann.
Vorzugsweise ist der Feststoff des Formkörpers als Harz, Kunststoff, Keramik oder dergleichen ausgebildet. Die Materialeigenschaften des verwendeten Feststoffs sind dabei von besonderer Bedeutung. Zunächst muss der Feststoff ein elektrischer Isolator sein, um die Windungen der Spulenanordnung nicht zu überbrücken. Ferner ist die thermische Leitfähigkeit des Feststoffs von Bedeutung. Einerseits muss die Wärme vom umzuformenden Bauteil wieder abgeleitet werden, andererseits ist die Spulenanordnung in der Regel selbst gekühlt, wobei ihre Kälte nicht zum umzuformenden Bauteil vordringen darf. Von besonderer Bedeutung ist auch die Maßhaltigkeit des verwendeten Werkstoffs. Es muss dabei vermieden werden, dass das Material des Formkörpers kriecht oder sich auf ähnliche Weise verformt, was wiederum den Abstand zwischen der Spulenanordnung und dem umzuformenden Bauteil beeinträchtigen könnte.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet der Formkörper eine Anlagefläche für des umzuformende Bauteil aus. Durch den direkten Kontakt zwischen dem Formkörper und dem umzuformenden Bauteil werden zusätzliche Einflüsse auf den Abstand zwischen der Spulenanordnung und dem Bauteil während des Erwärmens vermieden, wie sie beispielsweise an Kontaktstellen unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auftreten könnten. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn sich die Spulenanordnung selbst bis zu der Anlagefläche erstreckt, um das umzuformende Bauteil somit direkt an der Spulenanordnung anliegt. Auf diese Weise kann der konstante und reproduzierbare Abstand besonders einfach sichergestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Formkörper und dem umzuformenden Bauteil ein Luftspalt vorgesehen. Dieser verhindert einen direkten Kontakt zwischen der Spulenanordnung und dem Bauteil. Auf diese Weise wird die Spulenanordnung einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt und so ist die Auswahl der für den Formkörper geeigneten Materialien weniger stark eingeschränkt. Beispielsweise kann ein weniger temperaturbeständiges und damit kostengünstigeres Material für den Formkörper ausgewählt werden.
Alternativ hierzu können auch Distanzstifte verwendet werden, die in den Formkörper eingebettet sind. Solche Distanzstifte erstrecken sich vorzugsweise von der Spulenanordnung zumindest bis zu einer Oberfläche des Formkörpers, wobei eine von der Spulenanordnung abgewandte Stirnfläche während des Erwärmens in Anlage an das umzuformende Bauteil kommt. Ein derartiger Distanzstift, der vorzugsweise einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt und ebenfalls nicht zum Kriechen oder zu anderen Verformungen neigt, kann besonders einfach einen konstanten Abstand zwischen Spule und Bauteil sicher stellen.
Distanzstifte, Buchsen oder dergleichen können auch zum Vorfixieren der Spulenanordnung während des Einbettens in den Feststoff dienen, sodass die Spulenanordnung zuverlässig die gewünschte Position einnimmt. Sollen Distanzstifte zu diesem Zweck verwendet werden, so können sie nach dem Aushärten des Feststoffs des Formkörpers wieder entfernt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung;
2 eine Schnittdarstellung durch ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung mit Distanzstiften;
3 eine Schnittdarstellung durch ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung mit Distanzstiften; und
4 eine Draufsicht auf eine Werkzeughälfte eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung mit Anordnung der Induktionsspulen im Bereich der Werkstückaufnahme.
Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Aufnahmevorrichtung Zur Erwärmung eines umzuformenden Werkstücks 12 aus Blech umfasst eine Spulenanordnung 14, mittels welcher das Werkstück 12 in einen umzuformenden Bereich induktiv erhitzt werden kann, um so höhere Umformgrade, Ziehtiefen oder dergleichen zu ermöglichen. Um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Werkstückes 12 sicher zu stellen, ist es dabei von besonderer Bedeutung, dass die Spulenanordnung 14 einen konstanten und definierten Abstand zum Werkstück 12 während des Erwärmungsprozesses einnimmt, der sich auch bei häufiger Benutzung der Vorrichtung 10 nicht ändern darf. Um einen derart konstanten Abstand sicher zu stellen, ist die Spulenanordnung 14 in einen Formkörper 16 aus einem Harz eingegossen, der eine Anlagefläche 18 für das Werkstück ausbildet. Ein Abstand d zwischen der Spulenanordnung 14 und der Anlagefläche 18 beträgt dabei zwischen 1 und 10 mm, vorzugsweise in etwa 2 mm, um eine effiziente induktive Aufheizung zu ermöglichen.
Durch das Eingießen der Spulenanordnung 14 in den Formkörper 16 wird sichergestellt, dass sich die Spulenanordnung 14 nicht relativ zur Anlagefläche 18 und damit während des Erwärmens nicht relativ zum Werkstück 12 verschieben kann. Verglichen mit anderen, reversibel lösbaren Befestigungen der Spulenanordnung 14 wird durch das Eingießen ferner sichergestellt, dass sich auch bei häufiger Benutzung die Relativlage von Spulenanordnung 14 und Werkstück 12 während des Erwärmens nicht ändern.
Alternativ zur unmittelbaren Anlage des Werkstücks 12 an der Anlagefläche 18 des Formkörpers 16 können auch, wie in 2 und 3 gezeigt, Distanzstifte 20 Anwendung finden. In diesen Ausführungsbeispielen liegt das Werkstück 12 nicht unmittelbar am Formkörper 16 an, sondern unter Ausbildung eines Luftspalts, welcher für eine geringere thermische Belastung der Spulenanordnung 14 sorgt. Die Spulenanordnung 14 erstreckt sich dagegen bis zu einer Oberfläche 22 des Formkörpers 16, wobei wieder ein Abstand d von in etwa 2 mm durch die Distanzstifte 20 sichergestellt wird, die ebenfalls im Formkörper 16 eingegossen sind. Das Werkstück 12 liegt hier auf den Stirnflächen 24 des von der Spulenanordnung 14 abgewandten Endbereiches 26 der Distanzstifte an.
Alternativ kann auch, wie in 3 dargestellt, der Distanzstift 20 in eine entsprechende Aufnahme 28 des Werkstückes 12 eingreifen und so dieses in einem definierten Abstand zur Spulelanordnung 14 halten.
4 zeigt schließlich eine perspektivische Draufsicht auf die Aufnahmevorrichtung 10 bzw. auf eine Werkzeughälfte einer solchen Vorrichtung 10. Im Bereich der Aufnahme 30 für das umzuformende Werkstück sind die Spulenanordnungen 14 in die Vorrichtung 10 integriert. Zusätzlichen müssen noch Kabelverbindungen 32 in der Vorrichtung 10 untergebracht werden. Um ein Justieren der Spulenanordnung 14 und der Kabelanordnungen 32 vor dem Eingießen in das Harz oder den Kunststoff zu ermöglichen, müssen dabei die Eckbereiche 34 der Vorrichtung 10 frei geschnitten bzw. frei gegossen sein, um eine entsprechende Zugänglichkeit für die Spulenanordnungen 14 sicher zu stellen. Die Spulenanordnungen 14 können dabei während bzw. vor dem Eingießen ebenfalls durch Distanzstifte, Gewindebuchsen oder dergleichen gesichert werden, sodass sie zuverlässig ihre Sollposition einnehmen. Entsprechende Halteelemente können nach dem Eingießen dann wieder entfernt, beispielsweise ausgebohrt werden.
Bei der Wahl des Werkstoffes für den Formkörper 16 ist zu beachten, dass dieser elektrisch isolierend sein muss, um die Spulen der Spulenanordnung 14 nicht zu überbrücken. Auch die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes ist von Bedeutung, da einerseits eine hinreichende Wärmeabfuhr aus dem Werkstück 12 nach dem Erwärmungsprozess sichergestellt werden muss, andererseits aber auch gewährleistet sein muss, dass die für die Spulenanordnung 14 üblicherweise vorgesehene Flüssigkeitskühlung keine Wärme aus dem Bauteil 12 abführt. Auch entsprechende Verformungseigenschaften des Werkstoffes für den Formkörper 16 sind zu beachten. Insbesondere ist eine geringe thermische Ausdehnung sowie eine geringe Kriechneigung oder Neigung zu ähnlichen Verformungen von besonderer Bedeutung, so dass der Sollabstand zwischen der Spulenanordnung 14 und dem Werkstück 12 dauerhaft erhalten bleibt.

Claims

Aufnahmevorrichtung (10), mit wenigstens einer Spulenanordnung (14) zum induktiven Erwärmen eines umzuformenden Bauteils (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (14) in einem Formkörper (16) aus einem Feststoff eingebettet ist.
Aufnahmevorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff als Harz, Kunststoff, Keramik oder dgl. ausgebildet ist.
Aufnahmevorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff ein elektrischer Isolator ist.
Aufnahmevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16) eine Anlagefläche (18) für das umzuformende Bauteil (12) ausbildet.
Aufnahmevorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spulenanordnung (14) bis zu der Anlagefläche (18) erstreckt.
Aufnahmevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Formkörper (16) und Bauteil (12) zumindest bereichsweise ein Luftspalt vorgesehen ist.
Aufnahmevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Distanzstift (20) in den Formkörper (16) eingebettet ist, welcher sich von der Spulenanordnung (14) zumindest bis zu einer Oberfläche (22) des Formkörpers (16) erstreckt, wobei eine von der Spulenanordnung (14) abgewandte Stirnfläche (24) während des Erwärmens in Anlage an das umzuformende Bauteil (12) kommt.