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Die Erfindung betrifft eine Werkzeug-Anordnung zum Pressen/Tiefziehen eines Werkstücks. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Werkzeug-Anordnung.
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Die Fertigung von Karosseriebauteilen in Leichtbauweise stellt den modernen Fahrzeugbau vor enorme Herausforderungen. Ein zentrales Erfordernis an moderne Karosseriebauteile stellt einerseits ein möglichst geringes Eigengewicht dar, andererseits müssen solche Bauteile aber auch eine hohe Festigkeit aufweisen, so dass die strukturelle Integrität eines Fahrzeugs in Leichtbauweise den im Langzeitbetrieb auftretenden Belastungen problemlos standzuhalten vermag.
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Ein Verfahren zur Herstellung von Karosserieteilen in Leichtbauweise stellt das Pressen bzw. Tiefziehen dar. Diese Methode basiert auf einem Umformprozess, bei dem das zu bearbeitende Werkstück in eine als Matrize bekannte Form eingelegt wird und anschließend mit Hilfe eines zur Matrize komplementären Stempels durch Pressen bzw. Tiefziehen gewünschter Weise umgeformt wird.
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Als problematisch bei einem derartigen Press- bzw. Tiefziehprozess erweist sich indes, dass die beim Umformen entstehende Reibungswärme eine inhomogene Temperaturverteilung in der Matrize und somit auch in dem in die Matrize eingelegten Werkstück entstehen kann. Dies wiederum kann zu lokalen mechanischen Verspannungen im Werkstück führen, welche dessen Gesamtfestigkeit in nicht unerheblichem Maße herabsetzen können. Auch die tribologischen Eigenschaften und das Ziehverhalten des Werkstücks können sich auf unerwünschte Weise ändern.
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Vor diesem Hintergrund sei die
DE 10 2011 018 850 A1 erwähnt, welche eine Vorrichtung zum Umformen und partiellen Presshärten eines Werkstücks aus Stahlblech beschreibt. In einem Tragformkörper der Vorrichtung, der Teil einer zweiteiligen Matrize ist, sind nutartig ausgebildete Kanäle vorgesehen, die von einem Kühlmittel durchströmt werden können.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform einer Werkzeug-Anordnung zu schaffen, welche sich insbesondere durch eine homogene Temperaturverteilung ihrer Matrize auszeichnet. Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Betriebsverfahren für eine solche Werkzeug-Anordnung anzugeben.
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Die genannten Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die eine Ausnehmung zur Aufnahme des zu pressenden/tiefzuziehenden Werkstücks umfassende Matrize mit einem Fluidkanal zu versehen, welcher von einem Kühlmittel durchströmt werden kann. Auf diese Weise kann die Temperatur der Matrize entweder zu erhöht oder erniedrigt, in jedem Falle jedoch die Temperaturverteilung in der Matrize derart homogenisiert werden, dass Zonen mit lokal erhöhter oder verringerter Temperatur weitgehend oder gar vollständig vermieden werden können.
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Erfindungswesentlich ist dabei, dass der Fluidkanal im Bereich wenigstens eines die Ausnehmung ausbildenden, gekrümmten Oberflächenabschnitts der Matrize in dieser vorgesehen wird. Denn in diesem Bereich der Matrize wird das zu bearbeitende Werkstück tiefgezogen und dabei in besonderem Maße erwärmt. Folglich ist es zur Homogenisierung der Temperatur in Matrize und Werkstück besonders zweckmäßig, gerade in diesem Bereich der Matrize einen mit Kühlmittel durchströmten Kühlkanal vorzusehen. Das in der Ausnehmung der Matrize aufgenommene und mit dieser thermisch gekoppelte Werkstück wird durch thermische Wechselwirkung mit dem Kühlmittel gleichmäßig erwärmt bzw. gekühlt; die besagten, unerwünschten lokalen Temperaturschwankungen beim Pressen bzw. Tiefziehen des umzuformenden Werkstücks, insbesondere in Bereichen, in welchen das zu bearbeitende Werkstück mit kleinen Radien versehen wird, lassen sich auf diese Weise vermeiden.
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Ein solcher gekrümmter Oberflächenbereich der Matrize mag etwa am oberen Rand der Ausnehmung vorgesehen sein. Im Falle einer nutartigen Ausnehmung bietet es sich an, den Fluidkanal auch im gekrümmten Übergangsbereich zwischen Nutengrund und Nutenwand vorzusehen. Die Erfindung ist jedoch selbstverständlich nicht auf die beiden genannten Beispiele beschränkt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umgibt der erfindungsgemäß vorgeschlagene Fluidkanal die Ausnehmung der Matrize wenigstens abschnittsweise radial außen. Auf diese Weise lässt sich eine besonders gute thermische Ankopplung des Kühlmittels an das zu temperierende Werkstück erzielen. Dies mag in besonderer Weise für den bevorzugten Fall gelten, dass der Fluidkanal die Matrize vollständig umgrenzt, etwa in Umfangsrichtung, wenn die Matrize eine radialsymmetrische geometrische Formgebung besitzt.
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Zur Durchströmung des Fluidkanals mit Kühlmittel kann die hier vorgestellte Werkzeug-Anordnung mit einem Kühlmittel-Kreislauf ausgestattet werden, der eine Fluidpumpe zum Transportieren des Kühlmittels durch den Fluidkanal umfasst. Ein solcher Kreislauf mag wiederum optional mit einer Heizeinrichtung versehen sein, welche im Bedarfsfall eine Erhöhung der Kühlmitteltemperatur gestattet, so dass die Temperatur der Matrize im Anlaufbetrieb der Werkzeuganordnung auf vorteilhafte Weise erhöht werden kann, bevor der eigentliche Kühlvorgang erfolgt.
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Als besonders vorteilhafte Ausführungsform mag eine Werkzeug-Anordnung erachtet werden, die mit einem Temperatursensor, welcher eine Messung der Temperatur der Matrize und somit des in der Matrize aufgenommenen Werkstücks erlaubt. Zu diesem Zweck kann dieser Sensor etwa außen an der Matrize angebracht sein. Im Zusammenhang mit einem solchen Temperatursensor wird vorgeschlagen, die Werkezug-Anordnung auch um eine Regelungseinrichtung zu ergänzen, die mit dem Temperatursensor und mit der Fluidpumpe derart zusammenwirkt, dass die Temperatur der Matrize und/oder die Temperatur des in der Matrize aufgenommenen Werkstücks einen einstellbaren Sollwert annimmt. Eine solche Regelungseinrichtung kann etwa in der Art eines Mikrokontrollers ausgebildet sein und über eine herkömmliche, dem einschlägigen Fachmann vertraute Sensorleitung mit besagtem Temperatursensor verbunden sein, um die von diesem bereitgestellten Sensor-Werte empfangen zu können. Die Ansteuerung der Fluidpumpe – und, falls vorhanden, der Heizeinrichtung – durch die Regelungseinrichtung kann in analoger Weise durch eine entsprechende elektrische Steuerleitung erfolgen.
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Die vorangehend vorgestellte Werkzeug-Anordnung entfaltet seine vorteilhafte Wirkung in besonderem Maße, wenn das zu bearbeitende Werkstück ein Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Werkzeug-Anordnung mit einem oder mehreren der vorangehend genannten Merkmale, gemäß welchem der Fluidkanal der Matrize von einem Kühlmittel zum Temperieren des in der Matrize aufgenommenen und zu bearbeitenden Werkstücks durchströmt wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Werkzeug-Anordnung,
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2 eine schaltplanartige Darstellung einer Variante der Werkzeug-Anordnung der 1.
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1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Werkzeug-Anordnung 1 in einem Querschnitt. Diese umfasst eine Matrize 2, in welcher eine Ausnehmung 3 zur Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstücks 4 vorgesehen ist. Ein solches Werkstück 4 mag beispielsweise ein Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs sein. Die Werkzeug-Anordnung 1 kann optional eine Halterung 5, etwa in der Art eines Blechrahmens, besitzen, mittels welcher das Werkstück 4 vor dem Pressen bzw. Tiefziehen über die Ausnehmung 3 der Matrize 2 geklemmt wird. Schließlich umfasst die Werkzeug-Anordnung 1 einen Stempel, 6 mittels welchem das Werkstück 4 entlang der Richtung P in die Ausnehmung 3 gepresst werden kann.
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Innerhalb der Matrize 2 ist ein mit einem Kühlmittel durchströmbarer Fluidkanal 7 zum Temperieren der Matrize 2 vorgesehen. Dieser kann mittels spanender Fertigung oder unter Verwendung eines Gießverfahrens mit Hilfe geeigneter Gusskerne hergestellt werden. Der Fluidkanal 7 kann die Matrize 2 in der Art eines Durchgangslochs durchsetzten. Besagter Fluidkanal 7 ist dabei im Bereich eines die Ausnehmung 3 ausbildenden, gekrümmten Oberflächenabschnitts 14 der Matrize 2 in dieser vorgesehen. Im Beispiel der 1 ist ein solcher Fluidkanal 7 im gekrümmt ausgebildeten Randbereich der Ausnehmung 3 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann ein solcher Kanal 7' aber auch im gekrümmten Oberflächenabschnitt 14' zwischen Nutengrund und Nutenwänden der im Beispielszenario in der Art einer Nut ausgebildeten Ausnehmung 3 angeordnet sein. In den Abschnitten 14, 14' der Matrize 2 wird das zu bearbeitende Werkstück 4 beim Pressen/Tiefziehen gebogen und folglich besonders stark erwärmt. Mit Hilfe des Fluidkanals 7, 7' wird eine weitgehend konstante Temperatur in allen Bereichen des Werkstücks 4 sichergestellt. Insbesondere Zonen mit lokal erhöhter oder verringerter Temperatur können weitgehend vermieden werden.
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Im Falle von – in den Figuren nicht gezeigten – Ausnehmungen 3 mit komplizierterer geometrischer Formgebung, die folglich mehrere gekrümmte Oberflächenabschnitte aufweisen können, mag generell im Bereich eines, mehrerer oder gar aller solcher gekrümmter Oberflächenabschnitte der erfindungsgemäß vorgeschlagene Fluidkanal 7, 7' vorgesehen sein.
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Die Matrize 2 ist im Beispielszenario der 1 um eine axiale Achse A rotationssymmetrisch ausgebildet, und der Fluidkanal 7 umgibt die Ausnehmung 3 im Beispielszenario in Umfangsrichtung U radial außen. In einer Variante kann sich der Kühlkanal 7 lediglich abschnittsweise um die Ausnehmung 3 erstrecken, bevorzugt umgibt der Fluidkanal 7 die Ausnehmung 3 entlang der Umfangsrichtung U jedoch vollständig.
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Um den Fluidkanal 7, 7' mit dem gewünschten Kühlmittel zu durchströmen, kann die hier vorgestellte Werkzeug-Anordnung 1 mit einem Kühlmittel-Kreislauf 8 ausgestattet werden, der eine Fluidpumpe 9 zum Transportieren des Kühlmittels durch den Fluidkanal 7, 7' umfasst.
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Diese Situation verdeutlicht die 2, welche die Werkzeug-Anordnung 1 in einer schaltplanartigen Darstellung zeigt. Im Szenario der 2 ist die Werkzeug-Anordnung 1 um einen Kühlmittel-Kreislauf 8 ergänzt, der eine Fluidpumpe 9 zum Transportieren des Kühlmittels durch den Fluidkanal 7, 7' umfasst. Im Kreislauf 8 sind ein Speicher 10, der als Reservoir für das Kühlmittel dient, und eine Heizeinrichtung 11 zum optionalen Heizen des Kühlmittels vorgesehen. An der Matrize 2 ist außen ein Temperatursensor 12 angebracht, welcher eine Messung der Temperatur der Matrize 2 und somit des in der Matrize 2 aufgenommenen Werkstücks 4 gestattet.
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Schließlich besitzt die Werkzeug-Anordnung 1 eine Regelungseinrichtung 13 in Form eines Mikrokontrollers, die mit der Fluidpumpe 9, dem Temperatursensor 13 und der Heizeinrichtung 12 derart zusammenwirkt, dass die Temperatur der Matrize 2 und somit über den thermischen Kontakt mit dem Werkstück 4 auch dessen Temperatur einen voreingestellten Sollwert annehmen.
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Mit Hilfe der Heizeinrichtung 11 kann die Temperatur des Kühlmittels in einem Anlaufbetrieb – also etwa unmittelbar nach Inbetriebnahme der Werkzeug-Anordnung 1 – vorübergehend erhöht werden, um die Matrize 2 auf die gewünschte Solltemperatur aufzuheizen. Hierzu ist der Temperatursensor 12 über eine Sensorleitung 12a mit der Regelungseinheit 13 verbunden. Eine erste Steuerleitung 9a zwischen Regelungseinheit 13 und Fluidpumpe 9 dient zum Einstellen der Förderleistung der Pumpe 9, eine zweite Steuerleitung 11a zum Einstellen der Heizleistung der Heizeinrichtung 11.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011018850 A1 [0005]
