-
Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten eines Blechmaterials gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches wenigstens eine gekühlte bzw. kühlbare Formflächenschale aufweist.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines kühlbaren Formwerkzeugsegments für ein solches Formwerkzeug.
-
Als Warmumformen wird das Umformen eines metallischen Blechmaterials oberhalb der Rekristallisationstemperatur bezeichnet. Als Presshärten wird ein im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Warmumformen (oder gegebenenfalls auch nur Formhalten) stattfindendes Abkühlen des metallischen Blechmaterials bezeichnet, wobei erhebliche Festigkeitssteigerungen erzielbar sind. Das Presshärten kann als Sonderfall des Warmumformens angesehen werden. Durch Warmumformen oder Presshärten hergestellte Blechformteile finden insbesondere Verwendung im Automobilbau.
-
Das Warmumformen oder Presshärten erfolgt typischerweise mit einem pressengebundenen Formwerkzeug. Ein solches Formwerkzeug weist in der Regel mehrere zueinander relativbewegliche Werkzeugteile (bspw. Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil) auf, zwischen denen das metallische Blechmaterial bzw. das Werkstück umgeformt wird. Die Werkzeugteile sind mit korrespondierenden Werkzeugwirkflächen ausgebildet. Zur aktiven Kühlung dieser Werkzeugwirkflächen sind in den Werkzeugteilen angeordnete und mit Kühlfluid durchströmbare Kühlkanäle (oder dergleichen) vorgesehen.
-
Aus der
DE 10 2005 042 765 B4 ist ein Formwerkzeug mit kühlbaren Formflächenschalen bekannt. Die Formflächenschalen weisen eine dem Blechmaterial zugewandte Wirkfläche und eine von der Wirkfläche abgewandte Rückseite mit nutartigen Kühlkanälen auf. Die Formflächenschalen sind formschlüssig auf Kernsegmenten (Tragformhälften) aufgesetzt und werden durch diese abgestützt. Um eine optimale Kühlung und Abstützung der Formflächenschalen zu gewährleisten, müssen die Aufnahmeflächen der Kernsegmente durch manuelles Bearbeiten aufwändig an die rückseitigen Konturen der Formflächenschalen angepasst werden.
-
Aus der
DE 10 2009 043 926 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eine Metallbauteil, insbesondere eines Kraftfahrzeugbauteils, bekannt. Hierbei wird ein Stahlteil warmumgeformt und zumindest Abschnittsweise durch Kontakt mit einer Werkzeugoberfläche gehärtet. Das Stahlteil kühlt in mindestens zwei Teilbereichen mit verschiedenen Kühlraten ab. Die verschiedenen Kühlraten der Teilbereiche werden durch korrespondierende Sektionen der Werkzeugoberfläche bewirkt, welche sich in ihrer Wärmeleitfähigkeit voneinander unterscheiden.
-
Aus der
DE 10 2007 041 013 A1 ist ein Warmumformwerkzeug, umfassend ein Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil, bekannt, die relativ zueinander bewegbar sind. Das Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil umfassen jeweils eine kühlbare Umformeinheit, zwischen denen ein vorerwärmtes, in das Warmumformwerkzeug eingebrachte Halbzeug zu einem Bauteil umformbar ist. Mindestens eine der Umformeinheiten umfasst eine Mehrzahl von Umformflächen, die zumindest abschnittsweise voneinander beabstandet sind und bei geschlossenem Werkzeug zwischen zumindest einigen Umformflächen ein Zwischenraum ausgebildet ist, durch den während des Betriebs ein Kühlmittel leitbar ist.
-
Aus der
US 5 793 015 A ist eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Schneiden einzelner Laminierungselemente bekannt. Nach dem Schneiden werden die Elemente zusammengeklemmt, um einen Würfel zu bilden. Die Vorrichtung besteht aus einer Schneidevorrichtung zum Schneiden der Laminierungselemente, einer Vorrichtung zur Vereinzelung der Laminierungsrohlinge vor der Schneidevorrichtung sowie einer Positionierungsvorrichtung zur Positionierung der Laminierungsrohlinge und einem Behältnis zur Aufnahme der geschnittenen Laminierungselemente und Lagerung derart, dass die Laminierungselemente einen Würfel formen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Formwerkzeug mit wenigstens einer gekühlten Formflächenschale anzugeben, das wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines kühlbaren Formwerkzeugsegments für ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
-
Die Erfindung hat viele Vorteile, von denen einige nachfolgend, insbesondere auch im Zusammenhang mit bevorzugten Weiterbildungen, Ausgestaltungen und Ausführungsmöglichkeiten, näher erläutert werden.
-
Das erfindungsgemäße Formwerkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten eines Blechmaterials weist wenigstens ein gekühltes bzw. kühlbares Formwerkzeugsegment auf, das aus einer Formflächenschale mit einer dem Blechmaterial zugewandten Wirkfläche und einem die Formflächenschale tragenden Kernsegment gebildet ist, wobei vorgesehen ist, dass das die Formflächenschale tragende Kernsegment aus einer Vielzahl plattenartiger Scheibenelemente gebildet ist, wobei diese Scheibenelemente aus einem Blechmaterial gleicher Dicke gebildet und sich flächig berührend nebeneinander stehend angeordnet sind.
-
Ein plattenartiges Scheibenelement weist zwei gegenüberliegende und zueinander parallele Seitenflächen auf, die durch umlaufende Wandungsflächen beabstandet sind. Wenigstens eine Wandungsfläche ist als Stirnfläche und wenigstens eine Wandungsfläche ist als Fußfläche ausgebildet. (Einzelne Scheibenelemente, bspw. für Eckbereiche, können in ihrer Gestaltung hiervon abweichen.) In einem erfindungsgemäßen Kernsegment sind diese plattenartigen Scheibenelemente nebeneinander stehend angeordnet, insbesondere im Sinne von nicht übereinander liegend, derart, dass sich zwei benachbarte Scheibenelemente an ihren einander zugewandten Seitenflächen flächig berühren und die Stirnflächen aller Scheibenelemente in ihrer Gesamtheit eine Aufnahmefläche für die formschlüssige Aufnahme der Formflächenschale bilden, insbesondere derart, dass jedes Scheibenelement Berührungskontakt mit der Rückseite (bzw. Innenseite) der Formflächenschale hat. Die Fußflächen der Scheibenelemente sind bevorzugt auf Stoß in einer Ebene liegend ausgerichtet und sind vorzugsweise auf einer Bodenplatte (oder dergleichen) abgestützt, insbesondere derart, dass die Seitenflächen rechtwinklig zur Bodenplatte (was zumeist auch der Druckrichtung entspricht) ausgerichtet sind.
-
Im Vergleich zu einem massiven blockartigen Kernsegment kann ein erfindungsgemäß aus plattenartigen Scheibenelementen aufgebautes Kernsegment mit geringeren Materialkosten, weniger Bearbeitungsaufwand, kürzerer Fertigungszeit und höherer geometrischer Präzision hergestellt werden. Ein bedeutender Vorteil ist vor allem darin zu sehen, dass die Scheibenelemente aufgrund ihres verhältnismäßig geringen Gewichts, das insbesondere auch limitierbar ist (bspw. auf 8 kg), sehr gut handhabbar sind. Da die verhältnismäßig leichten Scheibenelemente gut handhabbar sind können hiermit auch große Kernsegmente zur Aufnahme großflächiger Formflächenschalen hergestellt werden. (Das Gewicht massiver Kernsegmente und die damit einhergehende Handhabungs- und Bearbeitungsproblematik führt bislang zu Einschränkungen hinsichtlich der Formflächenschalengröße.)
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Scheibenelemente aus einem metallischen Blechmaterial gebildet sind. Die ein Kernsegment bildenden Scheibenelemente können aus unterschiedlichem Blechmaterial und/oder aus Blechmaterial unterschiedlicher Dicke gebildet sein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die ein Kernsegment bildenden Scheibenelemente aus einem Blechmaterial gleicher Dicke gebildet sind, so dass bei der Herstellung dieser Scheibenelemente dasselbe Blechmaterial verwendet werden kann. Die Dicke der Scheibenelemente kann bspw. im Bereich von 15 mm bis 25 mm liegen.
-
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die ein Kernsegment bildenden Scheibenelemente miteinander verbunden sind. Die Verbindung der Scheibenelemente kann bspw. durch Verstiftung oder Verschraubung erfolgen.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass zur aktiven Kühlung der Wirkfläche an der Schaleninnenseite der Formflächenschale nutartige Kühlkanäle ausgebildet sind und/oder dass an der Aufnahmefläche des aus Scheibenelementen gebildeten Kernsegments nutartige Kühlkanäle ausgebildet sind.
-
Bei der Formflächenschale handelt es sich insbesondere um ein einteiliges Gussteil. Die Erfindung ermöglicht die einfache Integration von Kühlkanälen in einteilig gegossene Formflächenschalen (Schalenkörper). Die Formflächenschale eines zum erfindungsgemäßen Formwerkzeug gehörenden Formwerkzeugsegments kann mehrere, insbesondere taschenartig ausgebildete, Kammern aufweisen, in denen jeweils ein aus Scheibenelementen gebildetes Kernsegment angeordnet ist. Benachbarte Kammern sind bevorzugt durch einstückig mit der Formflächenschale ausgebildete Trennstege zueinander abgegrenzt, wobei diese Trennwände gleichfalls auch der Abstützung und Versteifung dienen, so dass die Formflächenschale sowohl punktuell als auch flächig sehr belastbar (druckfest) ist. Die Erfindung ermöglicht somit den wirtschaftlichen Aufbau eines insgesamt großen und schweren kühlbaren Formwerkzeugsegments mit einer großflächigen Wirkfläche. Bei Bedarf wurden bislang mehrere nebeneinander angeordnete kühlbare Formwerkzeugsegmente eingesetzt (mit entsprechend hohen Herstellungs- und Materialkosten, sowie langen Fertigungszeiten), wobei das Blechmaterial an den Berührungsstellen (Stoßstellen) benachbarter Formwerkzeugsegmente nicht ausreichend gekühlt werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines kühlbaren Formwerkzeugsegments für ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug umfasst zumindest die Schritte:
- - Ausschneiden der Scheibenelemente aus einem Blechmaterial gleicher Dicke, wobei mehrere Scheibenelemente aus demselben Blechmaterial ausgeschnitten werden und die individuellen Umrisse der einzelnen Scheibenelemente derart auf dem zur Verfügung stehenden Blechmaterial angeordnet werden, dass möglichst wenig Verschnitt entsteht; und
- - einzelnes Anpassen der ausgeschnittenen Scheibenelemente an die Formflächenschale durch spanabhebende Bearbeitung der Stirnflächen dieser Scheibenelemente.
-
Insbesondere kann das einzelne Anpassen der ausgeschnittenen Scheibenelemente an die rückseitige bzw. innenseitige Kontur der abzustützenden Formflächenschale erfolgen.
-
Dies erfolgt insbesondere mit dem Ziel, ein gleichmäßiges und präzises Kontaktbild (Druckkontaktbild) zwischen der Formflächenschale bzw. deren Innenseite und den Scheibenelementen herzustellen, wodurch sowohl eine optimale Abstützung als auch eine gute bis sehr gute Kühlleistung erreicht wird.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass mehrere Scheibenelemente aus demselben Blechmaterial ausgeschnitten werden, wobei die zuvor bestimmten individuellen Umrisse der einzelnen Scheibenelemente derart auf dem bereitgestellten bzw. zur Verfügung stehenden Blechmaterial angeordnet werden, dass möglichst wenig Verschnitt entsteht.
-
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die ein Kernsegment bildenden Scheibenelemente nach dem Ausschneiden und vor dem Anpassen auf eine Bearbeitungsplatte aufgespannt und zur Herstellung einer (möglichst exakten) Umrissgeometrie des Kernsegments gemeinsam fräsbearbeitet werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weitere Schritte und/oder Zwischenschritte umfassen, von denen einige nachfolgend noch näher erläutert werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
- 1 zeigt in einer perspektivischen Schnittansicht ein kühlbares Formwerkzeugsegment für ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug.
- 2 zeigt in mehreren Einzeldarstellungen ein anderes kühlbares Formwerkzeugsegment und veranschaulicht Schritte zu dessen Herstellung.
-
1 zeigt ein kühlbares Formwerkzeugsegment
100 für ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug
200 zum Warmumformen und/oder Presshärten. Das gezeigte Formwerkzeugsegment
100 ist in einem Werkzeugunterteil
210 angeordnet. Das Formwerkzeugsegment
100 weist eine Formflächenschale
110 mit einer dem zu bearbeitenden Blechmaterial zugewandten Wirkfläche
115 auf, die beim Warmumformen und/oder Presshärten mit einer korrespondierenden Wirkfläche
225 am Werkzeugoberteil
220 zusammenwirkt (wie bspw. in der bereits eingangs benannten
DE 10 2005 042 765 B4 gezeigt). Ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug
200 kann mehrere solcher Formwerkzeugsegmente
100 umfassen.
-
Auf der von der Wirkfläche 115 abgewandte Rückseite ist die Formflächenschale 110 mit mehreren Kammern 116a bis 116f ausgebildet, in die zur Abstützung der Formflächenschale 110 jeweils ein formangepasstes Kernsegment 120 eingesetzt ist, wobei nur zwei Kernsegmente 120b und 120e dargestellt sind. Die Teilung der Kammern 116a-f erfolgt durch verhältnismäßig dünnwandige Trennwände bzw. Trennstege 117, die gleichfalls auch der Abstützung und Versteifung der Formflächenschale 110 dienen.
-
Das Formwerkzeugsegment 100 ist aktiv kühlbar, wozu im Berührungsbereich zwischen der von der Wirkfläche 115 abgewandten Rückseite der Formflächenschale 110 und den Aufnahmeflächen der Kernsegmente 120 und somit wirkflächennah mit Kühlfluid durchströmbare Kühlkanäle vorhanden sind, wodurch eine sehr effektive Kühlung der Wirkfläche 115 ermöglicht wird. In der Kammer 116b sind die Kühlkanäle beispielhaft in Form von nutartigen Vertiefungen 128 im Kernsegment 120b ausgebildet. In der Kammer 116e sind die Kühlkanäle beispielhaft in Form nutartiger Vertiefungen 118 an der von der Wirkfläche 115 abgewandte Rückseite (bzw. Innenseite) der Formflächenschale 110 bzw. an der Schaleninnenseite ausgebildet.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die in die Kammern 116a-f eingesetzten Kernsegmente 120 jeweils aus einer Vielzahl plattenartiger Scheibenelemente 121 gebildet sind, die sich flächig berührend nebeneinander angeordnet sind. Die Scheibenelemente 121 stehen, zusammen mit den Trennstegen 117, auf einer zum Werkzeugunterteil 210 gehörenden Grundplatte oder dergleichen auf, wodurch eine druckfeste Abstützung der Formflächenschale 110 über der gesamten Wirkfläche 115 gegeben ist. Die nebeneinander angeordneten Scheibenelemente 121 können zusätzlich miteinander verstiftet und/oder verschraubt sein, wozu diese bspw. mit Schraub- und Gewindelöchern 122/123 ausgebildet sind. Hierdurch kann z. B. die Handhabbarkeit beim Einsetzen und Ausheben der Kernsegmente 120 verbessert werden. Der erfindungsgemäße Aufbau der Kernsegmente 120 aus einzelnen plattenartigen Scheibenelementen 121 hat viele Vorteile, wie obenstehend erläutert.
-
Nachfolgend wird anhand der 2 eine bevorzugte Verfahrensweise zum Herstellen eines anderen kühlbaren Formwerkzeugsegments für ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug erläutert, wobei sich die Erläuterungen analog auch auf das in 1 gezeigte Formwerkzeugsegment 100 beziehen. Die erläuterte Verfahrensweise kann weitere, im Folgenden nicht näher erläuterte, Schritte und/oder Zwischenschritte umfassen.
-
Im Schritt 1 wird die Formflächenschale (Schalenelement) 110 gefertigt. Der einteilige Schalenkörper ist bevorzugt durch Gießen (insbesondere Stahlguss) urgeformt. Durch spanende Bearbeitung werden nachfolgend die Bohrungen eingebracht und die Wirkoberfläche 115, die Kammern 116, die Sohlenfläche 119 und die nutartigen Kühlkanäle 118 an der Schaleninnenseite überarbeitet. Ferner kann eine Wärmebehandlung, wie bspw. ein Anlassen oder ein Härten, insbesondere im Bereich der Wirkfläche 115, erfolgen.
-
Im Schritt 2 werden die Scheibenelemente 121 aus einem Blechmaterial gefertigt. Hierbei werden die zuvor ermittelten individuellen Umrisse der einzelnen Scheibenelemente 121 so auf dem bereitgestellten Blechmaterial B angeordnet, dass möglichst wenig Verschnitt entsteht und eine optimale Materialausnutzung gegeben ist. Hieraus ergibt sich in dem gezeigten Beispiel eine verschachtelte Anordnung der Schneidkonturen. Die einzelnen Scheibenelemente 121 können bspw. durch Brennschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Laserstrahlschneiden mit geringer Anfertigungszeit ausgeschnitten werden.
-
Im Schritt 3 werden die einzelnen Scheibenelemente 121 überarbeitet und bspw. durch Flachschleifen auf eine Solldicke mit parallelen Seitenflächen eingestellt. Ferner können die Schraub- und Gewindebohrungen 122 und 123 eingebracht werden, wobei dies bereits auch im Schritt 2, vor dem Ausschneiden, erfolgen kann. Mit 125 ist eine, ebenfalls im Schritt 3 eingebrachte, fußflächenseitige Gewindebohrung bezeichnet.
-
Im Schritt 4 werden die einzelnen Scheibenelemente 121 zu einem Kernsegment 120 verschraubt (und gegebenenfalls auch verstiftet), wozu die Schraub- und Gewindebohrungen 122/123 benachbarter Scheibenelemente 121 jeweils um 90° versetzt ausgebildet sind.
-
Im Schritt 5 wird das aus den verschraubten Scheibenelementen 121 gebildete Kernsegment 120 auf einer Bearbeitungsplatte A aufgespannt und zur Herstellung der Umrissgeometrie (einschließlich der Aufnahmefläche; s. o.) und unter Einhaltung eines Tuschieraufmaßes spanabhebend bearbeitet und insbesondere fräsbearbeitet. Die Befestigung an der Bearbeitungsplatte A erfolgt über die fußflächenseitigen Gewindebohrungen 125 an den Fußflächen 124 der Scheibenelemente 121, wobei die Gewindebohrungen 125 auch als Traggewinde bzw. Ausziehgewinde für den Ein- und Ausbau dienen können.
-
Im Schritt 6 werden die Scheibenelemente 121 einzeln durch Tuschieren und spanabhebende Überarbeitung der Stirnflächen 126 in die Kammern 116 eingepasst. Der Vorteil hierbei ist, dass sich die Scheibenelemente 121 einfacher Handhaben lassen, als massive Kernsegmente, die bspw. mit einem Kran bewegt werden müssen . Das Einpassen einzelner Scheibenelemente 121 kann zudem schneller erfolgen, als das Einpassen eines großen Kernsegments. Ferner kann ein sehr gleichmäßiges und präzises Kontaktbild zwischen der Formflächenschale 110 bzw. deren Innenseite und den Scheibenelementen 121 hergestellt werden. Mit 127 ist eine Nut an einem der Scheibenelemente 121 zur Strömungsführung eines Kühlfluids bezeichnet, die bspw. im Schritt 3 durch Nutfräsen erzeugt wurde.
-
Im Schritt 7 wird die Bodenfläche des Formwerkzeugsegments 100 abschließend spanabhebend bearbeitet, nachdem alle Scheibenelemente 121 setzkastenartig in die taschenartigen Kammern 116 eingesetzt sind. Hierbei werden die Fußflächen 124 der Scheibenelemente 121 und die Sohlenfläche 119 der Formflächenschale 110 auf plan geschliffen. Die Scheibenelemente 121 der benachbarten Kammern 116 weisen unterschiedliche Orientierung auf.
-
Anschließend wird im Schritt 8 eine abgedichtete Bodenplatte 130 aufgesetzt. Mit 131 und 132 sind Öffnungen (Ein- und Auslauf) für den Kühlkreislauf bezeichnet. Die Strömungsführung im Inneren des Formwerkzeugsegments 100 erfolgt durch Strömungskanäle, die in einzelnen Scheibenelementen 121 ausgebildet sein können (siehe bspw. Nut 127, wie obenstehend erläutert).
-
Falls an den Stirnflächen 126 der Scheibenelemente 121 nutartige Kühlkanäle vorzusehen sind (siehe 1), können diese bspw. im Schritt 2 (durch Vorgabe der Schneidgeometrie), im Schritt 3 (durch Fräsbearbeitung oder dergleichen) und/oder im Schritt 5 (ebenfalls durch Fräsbearbeitung oder dergleichen) eingebracht werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Formwerkzeugsegment
- 110
- Formflächenschale
- 115
- Wirkfläche
- 116
- Kammer
- 117
- Trennwand / Trennsteg
- 118
- Kühlkanäle (schalenseitig)
- 119
- Sohlenfläche
- 120
- Kernsegment
- 121
- Scheibenelement
- 122
- Schraubbohrung
- 123
- Gewindebohrung
- 124
- Fußfläche
- 125
- Gewindebohrung
- 126
- Stirnfläche
- 127
- Nut / Strömungskanal
- 128
- Kühlkanäle (kernseitig)
- 130
- Bodenplatte
- 131
- Einlauf
- 132
- Auslauf
- 200
- Formwerkzeug
- 210
- Werkzeugunterteil
- 220
- Werkzeugoberteil
- 225
- Wirkfläche (am Werkzeugoberteil)
- A
- Bearbeitungsplatte
- B
- Blechmaterial
