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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung einer metallenen Platine in einer Umformvorrichtung, die ein 1. Werkzeug und ein 2. Werkzeug aufweist, wobei zumindest eines der Werkzeuge eine Formkontur besitzt, wobei die Platine zwischen den Werkzeugen angeordnet wird und die Werkzeuge relativ zueinander verstellt werden und wobei die Platine auf die Formkontur aufgespannt und dadurch umgeformt wird.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Umformvorrichtung zur Umformung einer metallenen Platine mit einem 1. Werkzeug und einem 2. Werkzeug, zwischen denen die Platine umformbar ist, wobei zumindest eines der Werkzeuge eine Formkontur besitzt.
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Zur Herstellung eines stählernen Formteils ist es bekannt, eine metallene Platine insbesondere aus Stahl in einer Umformvorrichtung in Form einer hydraulischen Presse zwischen zwei Werkzeugen, üblicherweise einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug, umzuformen. Die vorgewärmte Platine wird nach dem Umformen aus der Umformvorrichtung entnommen und in eine Kühlvorrichtung eingesetzt, in der die Platine zu ihrer Härtung abgekühlt wird. Nachteilig dabei ist, dass zwischen dem Umformvorgang und dem Kühlvorgang relativ viel Zeit vergeht.
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Beim sogenannten Presshärten ist es bekannt, die Werkzeuge der Umformvorrichtung zu kühlen, indem in den Werkzeugen Kühlkanäle ausgebildet sind, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt sind. Es ist jedoch schwierig und aufwändig, die Platine abzukühlen, da die Kühlleistung der gekühlten Werkzeuge relativ gering ist und die Platine deshalb lange in der Umformvorrichtung verbleiben muss, bis sie entsprechend abgekühlt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umformung einer metallenen Platine in einer Umformstation zu schaffen, bei dem die Umformung und die Abkühlung der Platine möglichst zeitnah oder zeitgleich erfolgen.
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Ferner soll eine Umformvorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden, mit dem sich das Verfahren in einfacher Weise ausführen lässt.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Platine vor der Umformung auf eine Temperatur oberhalb ihrer Austenitisierungstemperatur erwärmt wird und dass auf der der Formkontur abgewandten Seite der Platine eine Fluidkammer ausgebildet wird, in die ein Fluid unter Druck eingeleitet wird, wodurch die Platine auf die Formkontur gespannt und gleichzeitig so gekühlt wird, dass die Platine eine Martensit-Struktur erhält.
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Wenn die Platine aus Stahl besteht, wird sie auf eine Temperatur von beispielsweise ≥ 930°C erwärmt.
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Die auf eine Temperatur oberhalb ihrer Austenitisierungstemperatur erwärmte Platine wird in die Umformvorrichtung eingelegt, wobei vorzugsweise nur kleine Kontaktflächen mit der Umformvorrichtung gegeben sind, um ein Abfließen von Wärmeenergie, d. h. ein vorzeitiges Abkühlen der Platine zu verhindern. Die Platine liegt dabei noch nicht an der Formkontur an. Auf der der Formkontur abgewandten Seite der Platine wird eine Fluidkammer ausgebildet, in die ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit und besonders bevorzugt kaltes Wasser unter Druck eingeleitet wird. Das Fluid verformt die Platine und drückt diese gegen die Formkontur und kühlt die Platine gleichzeitig stark ab. Der Druck in der Fluidkammer wird noch nach dem Umformvorgang für einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten, um die Platine weiter abzukühlen, bis sie eine Martensit-Struktur besitzt. Anschließend wird das Fluid aus der Fluidkammer abgeführt oder zumindest die Fluidkammer drucklos gestellt, woraufhin die Umformvorrichtung geöffnet und die umgeformte Platine bzw. das daraus gebildete Formteil entnommen werden kann.
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Vorzugsweise wird die Platine entweder außerhalb der Umformvorrichtung und/oder auch in der Umformvorrichtung vor dem Einleiten des Fluids in die Fluidkammer stark erwärmt. Dabei erfolgt die Erwärmung vorzugsweise so, dass die Platine während des gesamten Umformvorgangs, der kurz nach Einleiten des Fluids in die Fluidkammer abgeschlossen ist, eine Temperatur oberhalb ihrer Austenitisierungstemperatur beibehält. Nach dem Umformvorgang wird die Platine durch das Fluid weiter abgekühlt, bis sie ihre Martensit-Struktur besitzt.
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Bei Formteilen, die eine relativ große Verformungstiefe und/oder geringe Verformungsradien besitzen, ist es sinnvoll, die Platine einer Vorverformung zu unterwerfen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Platine mittels einer Vorformvorrichtung vorgeformt wird, bevor das Fluid in die Fluidkammer eingeleitet wird.
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Die Vorverformung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass ein oder mehrere Vorverformungselemente mit der Platine in Anlage gebracht und relativ zu dieser verstellt werden, wodurch die Platine vorverformt wird. Um während der Vorverformung einen übermäßigen Wärmeverlust der Platine zu vermeiden, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Vorverformungselemente eine möglichst geringe Kontaktfläche mit der Platine besitzen. Dies ist beispielsweise dann gegeben, wenn die Vorverformung mittels mehrerer voneinander beabstandeter Stifte erfolgt. Die Stifte können unverschieblich ausgebildet sein, insbesondere wenn sie auf derjenigen Seite der Platine angeordnet sind, auf der auch die Fluidkammer angeordnet ist.
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Wenn die Stifte auf der der Fluidkammer abgewandten Seite der Platine angeordnet sind, ist vorzugsweise vorgesehen, dass sie in die Formkontur integriert und so verschieblich gelagert sind, dass sie in die Formkontur eingezogen werden können. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Stifte nach der Vorverformung und vor Einleiten des Fluids in die Fluidkammer in die Formkontur eingezogen werden.
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Um ein Aufwölben des Randes der Platine zu vermeiden, kann in einer möglichen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der umlaufende Rand der Platine zumindest abschnittsweise in einer an sich bekannten Blechhaltervorrichtung eingespannt ist. Alternativ dazu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Rand der Platine nicht eingespannt ist, sondern mit geringem Spiel in einem einstellbaren Spalt angeordnet ist, der während des Umformvorgangs ein Aufwölben des Randes der Platine nicht vollständig verhindert, jedoch sicherstellt, dass das Aufwölben maximal im Ausmaß des voreingestellten Spalts erfolgen kann. Das Einlegen des Randbereichs der Platine in den Spalt mit geringem Spiel hat den wesentlichen Vorteil, dass ein übermäßiger Abfluss von Wärmeenergie vermieden wird, so dass die Temperatur der Platine über eine lange Zeit oberhalb ihrer Austenitisierungstemperatur gehalten werden kann.
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Die Fluidkammer besitzt vorzugsweise zumindest eine Zulaufleitung und zumindest eine Ablaufleitung. Bei Beginn des Einbringens des Fluids in die Fluidkammer durch die Zulaufleitung ist die Ablaufleitung geöffnet, um eine Entlüftung der Fluidkammer zu gewährleisten. Sobald das Fluid auch durch die Ablaufleitung abfließt, was beispielsweise mittels eines Sensors überwacht werden kann, wird die Ablaufleitung mittels eines Ventils abgesperrt, so dass sich in der Fluidkammer der für die Umformung der Platine notwendige Druck aufbaut.
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Falls eine besonders starke Kühlung der Platine notwendig ist, die durch einmaliges Auffüllen der Fluidkammer nicht zu erzielen ist, kann vorgesehen sein, dass die Fluidkammer während und/oder unmittelbar nach der Umformung der Platine mit dem Fluid durchspült wird, d. h. die Ablaufleitung ist nicht vollständig abgesperrt, sondern in der Ablaufleitung befindet sich eine Drossel, die einerseits sicherstellt, dass sich in der Fluidkammer der für die Umformung der Platine notwendige Druck aufbaut, und andererseits eine geringe Menge an Fluid durchlässt, so dass ständig frisches, kaltes Fluid in die Fluidkammer durch die Zulaufleitung nachgefüllt werden kann, wodurch die Kühlwirkung erhöht ist.
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Hinsichtlich der Umformvorrichtung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Umformvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Dabei ist eine auf der der Formkontur abgewandten Seite der Platine angeordnete Fluidkammer vorgesehen, in die zur Umformung der Platine und zu deren gleichzeitiger Kühlung ein Fluid unter Druck einleitbar ist. Weitere Ausgestaltungen der Umformvorrichtung ergeben sich aus der vorstehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens, auf die zwecks Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
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1 Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Umformvorrichtung in der Ausgangsstellung des Umformverfahrens,
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2 die Umformvorrichtung gemäß 1 in einer 1. Phase des Umformverfahrens,
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3 die Umformvorrichtung gemäß 1 in einer 2. Phase des Umformverfahrens,
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4 die Umformvorrichtung gemäß 1 in einer 3. Phase des Umformverfahrens,
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5 eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung und
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6 eine weitere alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung ohne Vorformvorrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Umformvorrichtung 10 in Form einer hydraulischen Presse, die ein übliches Pressengestell 11 aufweist, in dessen oberen Bereich ein Stößel 14 angeordnet ist, der mittels einer Hydraulikvorrichtung 15 vertikal verstellbar ist, wie es durch den Doppelpfeil V angedeutet ist. Auf der Unterseite des Stößels 14 ist ein oberes 1. Werkzeug 12 angeordnet, das auf seiner Unterseite eine nach unten hervorstehende Formkontur 19 besitzt. In dem oberen Werkzeug 12 sind mehrere sich vertikal erstreckende Stifte 20 angeordnet, die jeweils mittels einer üblichen Hydraulikvorrichtung 21 vertikal verstellbar sind und die Formkontur 19 durchdringen, so dass sie auf deren Unterseite hervorstehen, wie es in 1 dargestellt ist. Durch Aktivierung der Hydraulikvorrichtung 21 können die Stifte 20 jedoch in die Formkontur 19 eingezogen werden, so dass sie auf dieser nicht mehr hervorstehen. Die Stifte 19 und die Hydraulikvorrichtung 21 bilden zusammen mit dem 1. Werkzeug 12 eine Vorformvorrichtung 29.
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Desweiteren sind am Stößel 14 seitliche, sich vertikal nach unten erstreckende Blechhalter 17 angeordnet, die mittels einer Hydraulikvorrichtung 16 in üblicher Weise verstellt werden können.
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Das Pressengestell 11 besitzt eine untere Quertraverse 22, auf deren Oberseite ein unteres 2. Werkzeug 13 angeordnet ist. Das 2. Werkzeug 13 besitzt eine nach oben, in Richtung des 1. Werkzeugs 12 öffnende Ausnehmung 26, die größer als die Formkontur 19 des oberen 1. Werkzeugs 12 ist. Im Boden der Ausnehmung 26 mündet eine Zulaufleitung 27, durch die ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit und insbesondere Wasser, von außen in die Ausnehmung 26 eingefüllt werden kann, wie es durch den Pfeil F angedeutet ist.
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Im oberen Bereich der Ausnehmung 26 mündet eine Ablaufleitung 28, durch die ein Fluid aus der Ausnehmung 26 abgeführt werden kann, wie es durch den Pfeil L angedeutet ist.
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Die Ausnehmung 26 ist auf ihrer Oberseite von einer umlaufenden Dichtleiste 24 umgeben, die mittels mehrerer Hydraulikvorrichtung 25 aus der in 1 dargestellten Stellung nach oben ausgefahren werden kann, so dass die Dichtleiste 24 nach oben aus dem unteren 2. Werkzeug 13 hervorsteht oder gegen eine auf dem 2. Werkzeug 13 angeordnete metallene Platine P in dichtende Anlage gebracht ist.
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Auf der Oberseite des unteren 2. Werkzeugs 13 sind randseitige Distanzstücke 18 angeordnet, die mit dem Blechhaltern 17 des oberen 1. Werkzeugs 12 zusammenwirken.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Umformung bzw. Presshärtung einer metallenen Platine 2 im Einzelnen erläutert. Die Platine P ist auf eine Temperatur oberhalb ihrer Austenitisierungstemperatur aufgeheizt und liegt lose auf dem unteren 2. Werkzeug 13 zwischen den Distanzstücken 18 auf der umlaufenden Dichtleiste 24 auf, wobei sich die Dichtleiste 24 in ihrer unteren, in das untere 2. Werkzeug 13 eingezogenen Stellung befindet.
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Die Blechhalter 17 sind am oberen 1. Werkzeug 12 vertikal nach unten ausgefahren und die Stifte 20 stehen auf der Unterseite der Formkontur 19 hervor. Aus diesem, in 1 dargestellten Zustand wird der Stößel 14 mit dem oberen 1. Werkzeug 12 vertikal nach unten verfahren, wie es durch den Pfeil S1 angedeutet ist.
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Bei der vertikal nach unten gerichteten Bewegung des Stößels 14 kommen die Blechhalter 17 mit den Distanzstücken 18 in Anlage und überragen diese seitlich, so dass zwischen der Oberseite des unteren 2. Werkzeugs 13 und der Unterseite der Blechhalter 17 ein Spalt 31 (siehe 2) gebildet ist, in dem der Randbereich der Platine P mit Spiel aufgenommen ist. In diesem Zustand befinden sich die Stifte 20 und die Formkontur 19 kurz oberhalb der Platine P, wie es in 2 dargestellt ist.
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Im Folgenden wird der Stößel 14 mit dem oberen 1. Werkzeug weiter vertikal nach unten verfahren, wie es in 2 durch den Pfeil S2 angedeutet ist. Dabei kommen die unteren Enden der Stifte 20 mit der Oberseite der Platine P in Anlage und drücken diese in die Ausnehmung 26 des unteren 2. Werkzeugs 13 hinein, wie es in 3 dargestellt ist. Vorzugsweise hat die Platine P in dieser Position weder Kontakt mit der Formkontur 19 noch mit der Wandung der Ausnehmung 26, so dass ein übermäßiger Wärmeabfluss und somit eine Abkühlung der Platine P vermieden ist.
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Anschließend werden die Hydraulikvorrichtungen 21 der Stifte 20 aktiviert und die Stifte 20 werden vertikal nach oben in die Formkontur 19 soweit eingezogen, dass sie aus dieser nicht mehr hervorstehen. Die Hydraulikvorrichtungen 25 der Dichtleiste 24 werden aktiviert und die Dichtleiste 24 wird vertikal nach oben gegen die Unterseite der Platine P gespannt, so dass die Platine in abgedichteter Weise in ihrem Randbereich umlaufend zwischen der Dichtleiste 24 und den oberen 1. Werkzeug 12 gehalten ist. Auf diese Weise ist zwischen der Platine P und der Wandung der Ausnehmung 26 des unteren 2. Werkzeugs 13 eine Fluidkammer 30 gebildet, in die durch die Zulaufleitung 27 ein Fluid, beispielsweise Wasser unter hohem Druck eingefüllt wird. Das in die Fluidkammer 30 eintretende Wasser verdrängt die dort befindliche Luft, die über die Ablaufleitung 28 austritt. Sobald festegestellt wird, dass das Wasser die Luft aus der Fluidkammer 30 verdrängt hat und dass das Wasser auch durch die Ablaufleitung 28 strömt, wird die Ablaufleitung 28 abgesperrt, so dass sich in der Fluidkammer 30 ein Druck aufbaut, der die Platine P von unten gegen die Formkontur 19 des oberen 1. Werkzeugs 13 spannt, wie es in 4 dargestellt ist. Das Wasser kühlt gleichzeitig die Platine P soweit ab, dass diese eine Martensit-Struktur erhält.
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Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne wird der Druck in der Fluidkammer 30 abgebaut und die beiden Werkzeuge 12 und 13 fahren auseinander, woraufhin das aus der Platine P geformte Formteil entnommen werden kann, wobei die Dichtleiste 24 dazu verwendet werden kann, das Formteil vertikal nach oben aus dem unteren 2. Werkzeug 13 herauszuheben, um die Entnahme des Formteils zu erleichtern. Dieses Ausheben des Formteils kann jedoch auch mittels einer separaten Aushebevorrichtung erfolgen.
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5 zeig ein alternatives Ausführungsbeispiel wobei am Stößel 14 wiederum das obere 1. Werkzeug 12 ausgebildet ist, das eine Formkontur 19 aufweist, die jedoch als auf der Unterseite des oberen 1. Werkzeugs 12 ausgebildete, nach oben gerichtete Ausnehmung ausgebildet ist. Auf seiner Unterseite trägt das obere 1. Werkzeug 12 die seitlichen Distanzstücke 18 und in dem oberen 1. Werkzeug 12 ist die die Formkontur 19 bzw. die entsprechende Ausnehmung umgebende Dichtleiste 24 mit den zugeordneten Hydraulikvorrichtungen 25 angeordnet.
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In der unteren Quertraverse 22 des Pressengestells 11 sind die vertikalen, nach oben ausfahrbaren Blechhalter 17 angeordnet und auf der Quertraverse 22 sitzt das untere 2. Werkzeug 13, das auf seiner Oberseite eine Erhebung 23 besitzt, die an die Formgebung der Formkontur 19 angepasst jedoch kleiner als dieses ist, so dass die Erhebung 23 vollständig in die die Formkontur 19 bildende Ausnehmung des oberen 1. Werkzeugs 12 unter Belassung eines Spalts eingeführt werden kann. Auf der oberen, dem oberen 1. Werkzeug 12 zugewandten Oberseite der Erhebung 23 sind die vertikal nach oben hervorstehenden, in gegenseitigem Abstand angeordneten Stifte 20 vorgesehen, die relativ zu der Erhebung 23 nicht verstellbar sind.
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Die Zulaufleitung 27 mündet am Fuß der Erhebung 23 und die Ablaufleitung 28 mündet im Bereich des höchsten Punktes der Erhebung 23.
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Zur Umformung einer nur gestrichelt angedeuteten metallenen Platine P wird diese auf die Oberseite der Blechhalter 17 aufgelegt und der Stößel 14 wird vertikal nach unten gefahren, bis die Distanzstücke 18 des oberen 1. Werkzeugs 12 mit den Blechhaltern 18 in Anlage kommen. Die Platine P ist in diesem Zustand mit ihrem Randbereich in dem zwischen dem oberen 1. Werkzeug 12 und den Blechhaltern 17 gebildeten Spalt mit Spiel aufgenommen.
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Wenn das obere 1. Werkzeug 12 weiter nach unten verfahren wird, wird die Platine P durch die Stifte 20 in die sich nach unten bewegende, die Formkontur 19 bildende Ausnehmung des oberen 1. Werkzeugs 12 hineingedrückt, ohne jedoch an deren Wandung anzuliegen. Anschließend werden die Hydraulikvorrichtungen 25 der Dichtleiste 24 aktiviert, die sich von oben gegen die vorverformte Platine P spannt und diese gegen den Randbereich des unteren 2. Werkzeugs 13 drückt, so dass zwischen der Platine P und der Erhebung 23 des 2. unteren Werkzeugs 13 eine Fluidkammer gebildet ist, in die durch die Zulaufleitung 27 ein Fluid und insbesondere Wasser unter hohem Druck eingefüllt werden kann, wodurch die Platine P vollständig in die die Formkontur 19 bildende Ausnehmung des oberen 1. Werkzeugs 12 hineingedrückt und gegen deren Wandung gespannt und dadurch umgeformt wird.
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Nach einer vorbestimmten Einwirkzeit des Fluids oder des Wassers wird das aus der Platine P gebildete Formteil in bereits geschilderter Weise entnommen.
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6 zeigt ein 3. Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem keine Vorverformung der Platine stattfindet. Entsprechend dem 1. Ausführungsbeispiel sind an dem Stößel 14 die seitlichen Blechhalter 17 mit entsprechenden Hydraulikvorrichtungen 16 angeordnet. Das obere 1. Werkzeug 12 besitzt eine Formkontur 19 in Form einer nach unten öffnenden Ausnehmung. In dem oberen 1. Werkzeug 12 ist vorzugsweise am höchsten Punkt der Formkontur 19 eine Ablaufleitung 28 ausgebildet.
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Das untere 2. Werkzeug 13 sitzt auf der unteren Quertraverse 22 des Pressengestells 11 und besitzt die oberseitigen seitlichen Distanzstücke sowie die mittels der Hydraulikvorrichtungen 25 verstellbare Dichtleiste 24, auf die eine umzuformende metallene Platine P aufgelegt ist. Auf der Oberseite des unteren 2. Werkzeugs 13 innerhalb der umlaufenden Dichtleiste 24 mündet die Zulaufleitung 27.
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Aus der in 6 dargestellten Ausgangsstellung wird der Stößel 14 mit dem oberen 1. Werkzeug 12 abgesenkt, bis die Blechhalter 17 mit den Distanzstücken 18 in Anlage kommen und den bereits erläuterten Spalt 31 ausbilden, in dem der Randbereich der Platine P mit Spiel aufgenommen ist. Das obere 1. Werkzeug 12 legt sich mit geringer Kraft auf die Dichtleiste 24 auf, woraufhin deren Hydraulikvorrichtungen 25 aktiviert werden, so dass die Dichtleiste 24 nach oben ausfährt und die Platine P in dichtender Weise gegen das obere 1. Werkzeug 12 spannt. Anschließend wird durch die Zulaufleitung 27 ein Fluid und insbesondere Wasser in die Fluidkammer eingeleitet, die unterhalb der Platine P und oberhalb des unteren 2. Werkzeugs innerhalb der umlaufenden Dichtleiste 24 gebildet ist. Aufgrund des Fluiddrucks in der Fluidkammer wird die Platine P nach oben in die die Formkontur 19 bildende Ausnehmung des oberen 1. Werkzeugs 12 gedrückt und gegen deren Wandung gespannt, wobei die in der Ausnehmung befindliche Luft durch die Ablaufleitung 28 entweichen kann.
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Anschließend wird der Druck in der Fluidkammer gemindert und die beiden Werkzeuge 12, 13 werden auseinandergefahren und geöffnet, so dass das aus der Platine P geformte Formteil entnommen werden kann.
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Die in 6 dargestellte Ausgestaltung ohne Vorverformung eignet sich insbesondere für Formteile, die einen nur geringen Verformungsweg bei der Verformung von der ebenen Platine P zum Formteil benötigen.
