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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug, zur formgebenden Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines flächigen Blechs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Anordnen einer Temperiereinrichtung an einem Umformwerkzeug, gemäß dem unabhängigen Anspruch 9.
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Aus dem Stand der Technik sind Umformvorrichtungen bzw. Umformwerkzeuge bekannt, die beispielsweise in Pressen der formgebenden Bearbeitung von Blechen dienen. Im Allgemeinen weisen diese Umformeinrichtungen eine Matrize mit einer formgebenden Oberfläche und eine Patrize, beispielsweise ein Stempel, mit einer der formgebenden Oberfläche der Matrize korrespondierenden eigenen formgebenden Oberfläche, auf. Das Blech wird zwischen die Matrize und den Stempel eingebracht und durch eine Relativbewegung des Stempels in Richtung der Matrize oder durch eine Bewegung der Matrize in Richtung des Stempels umgeformt, wobei das Blech zwischen Matrize und Stempel geklemmt wird.
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Um das Umformergebnis zu verbessern, und um zu vermeiden, dass sich in den Randbereichen der Matrize das umzuformende Werkstück, d. h. das Blech aufstellt, werden Niederhalter verwendet. Diese Niederhalter, auch Blechhalter genannt, halten das Blech an der Matrize, so dass es sich nicht aufstellen kann. Andererseits gewährleisten die Niederhalter ein Nachfließen des Blechmaterials, so dass Spannungsrisse vermieden werden.
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Das Umformwerkzeug weist Bereiche mit niedrigeren und Bereiche mit höheren Umformgraden auf. In Bereichen mit hohem Umformgrad tritt eine starke Verformung des Werkstücks, d. h. des Blechs auf. Versuche haben gezeigt, dass in diesen Bereichen ein Reißen des Blechs auftreten kann. Diese Rissbildung ist darauf zurückzuführen, dass bei einer hohen Werkstückfrequenz bzw. Hubzahl, sich in Abschnitten mit hohen Umformgraden das Werkzeug erwärmt. Dabei erreicht es in diesen Abschnitten hohe Temperaturen, die über der Raumtemperatur liegen bzw. über der Temperatur, die das Blech vor der Umformung aufweist, hinausgehen. Bei der Umformung eines Bleches entsteht insbesondere in Bereichen mit hohen Umformgraden Reibung zwischen dem Blech und dem Umformwerkzeug, wodurch sich das Werkzeug erwärmt. In Folge dessen kommt es zu Ausdehnung des Werkzeugs und damit zu einer Formänderung. In Abhängigkeit von Reibung und Umformgrad kommt es zu lokal unterschiedlichen Ausdehnungen des Werkzeugs. Dadurch wird der Spielraum für ein nachfolgendes umzuformendes Blech an diesen Stellen reduziert, so dass Risse entstehen können.
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Derartige Probleme bedingen eine Überarbeitung des Werkzeugs. Dabei ist es aus dem Stand der Technik bekannt, ein oder mehrere Segmente einer Umformwerkzeughälfte, d. h. der Matrize oder der Patrize auszuschneiden. In diese Ausschnitte werden dann Einsätze eingebracht, die mit mehreren Bohrungen versehen werden. Diese Bohrungen werden derart miteinander kombiniert, dass in einem Einsatz ein Kühlkreislauf erzeugt werden kann. Dabei wird von einer Außenseite des Werkzeugeinsatzes eine erste Bohrung erzeugt. Anschließend wird eine zweite Bohrung so positioniert, dass sie im Inneren des Werkzeugeinsatzes die erste Bohrung schneidet. Gemäß dieses Verfahrens werden mehrere Bohrungen eingebracht. Danach werden nicht benötigte Öffnungen an der Oberfläche des Werkzeugeinsatzes durch Stopfen verschlossen, mit Ausnahme eines Einlasses und eines Auslasses. Daraus ergibt sich ein Kühlkreislauf, durch den ein Medium fließen kann. Anschließend wird der Einsatz in die Matrize oder die Patrize eingesetzt. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass die Gussstruktur der Matrize, der Patrize oder des Blechniederhalters nicht mehr geschlossen ist, sondern aus unterschiedlichen Einzelteilen (Gussstruktur und Einsatz) besteht. Insbesondere wenn die Matrize aus einem Gussmaterial ausgebildet ist, besteht die Gefahr, dass beim bestimmungsgemäßen Gebrauch die Matrize zerstört wird. Dass Heraustrennen eines Segments aus dem Umformwerkzeug aus Gussmaterial stellt somit eine Schwächung der Gussstruktur dar. Wenn beispielsweise der Stempel nun das Werkstück umformt und mit der dem Blech in die Patrize eindringt, erzeugt er eine Druckbelastung auf die Matrize, die in der Kavität in radialer Richtung wie auch in axialer Richtung wirken kann. Diese Druckbelastung kann dazu führen, dass die Werkzeughälfte, deren Gussstruktur geschwächt ist zerstört wird.
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Alternativ zum Einbringen von Kühlkanälen besteht die Möglichkeit, das Werkzeug vollständig zu erneuern. Dabei können auch neue Werkzeuge von vornherein mit Einsätzen versehen werden wobei die Gussstruktur an diese Einsätze optimiert ist. Dies stellt jedoch eine wirtschaftlich äußerst unbefriedigende Lösung dar.
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Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine alternative Lösung anzugeben, mit der Bereiche mit hohem Umformgrad eines Umformwerkzeuges temperierbar sind. Es ist eine besondere Aufgabe der Erfindung, ein Umformwerkzeug und ein Verfahren anzugeben, mit dem eine nachträgliche Temperierung bzw. Kühlung kritischer Bereiche des Umformwerkzeuges realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Umformwerkzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Umformwerkzeug, zur formgebenden Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines flächigen Blechs vor, mit einer Matrize, einem Niederhalter und einer Patrize, die jeweils zueinander beweglich angeordnet sind, wobei mindestens die Matrize, der Niederhalter und/oder die Patrize abschnittsweise temperierbar sind. Mit anderen Worten: mindestens eines der drei Elemente kann in einem Abschnitt mit einer oder mehreren Temperiereinrichtungen versehen sein. Vorteilhafterweise ist die Temperiereinrichtung in der Nähe von Bereichen des Umformwerkzeuges angebracht, in denen hohe Umformgrade erzielt werden, sogenannte kritische Bereiche.
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Weiterhin können die Matrize, der Niederhalter und/oder die Patrize abschnittsweise mindestens einen formgebenden Einsatz aufweisen, der temperierbar ist. Die Temperiereinheit kann dadurch auch in einzelnen Segmenten bzw. in Einzelelementen des Umformwerkzeuges bzw. Umformwerkzeughälften vorgesehen sein.
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Darüber hinaus kann zur Temperierung mindestens eine Vertiefung, insbesondere eine Sacklochbohrung vorgesehen sein, die mit einem Medium durchspülbar ist. Solche Vertiefungen, wie bspw. Sacklochbohrungen, sind auf besonders einfache Weise in das Umformwerkzeug einzubringen. Dies kann sowohl bei der Neuherstellung des Werkzeuges als auch nachträglich bei einer Überarbeitung oder Optimierung eines bestehenden Umformwerkzeuges erfolgen. Die Durchspülung der Vertiefung mit einem Medium bietet den Vorteil, dass durch eine Regelung oder Steuerung der Vorlauftemperatur des Mediums die Temperatur des Werkzeuges im kritischen Bereich des Werkzeugs kontinuierlich einstellbar ist.
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Zusätzlich kann in die Vertiefung ein Umlenkblech eingebracht werden, zum Führen des Mediums. Dadurch kann auf einfache Weise ein Strömungskanal realisiert werden, in dem das Medium von einem Einlass entlang des Umlenkblechs bis zum werkzeugseitigen inneren Ende der Sacklochbohrung fließen kann. An diesem inneren Ende der Sacklockbohrung wird das Medium umgelenkt und wiederum entlang des Umlenkblechs zu einem Auslass geführt.
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Das Umlenkblech kann derart in einem Einsatz, beispielsweise einer Hülse angeordnet sein, dass das Medium zwischen dem Umlenkblech und der inneren Wandung der Hülse geführt wird. Die Verwendung einer Hülse bietet insbesondere dann Vorteile, wenn das Umformwerkzeug aus einem Material ausgebildet ist, das nicht dicht ist. Beispielsweise wenn das Umformwerkzeug aus Gussmaterial wie Grauguss besteht, erzeugt die Hülse ein bezüglich des Mediums dichtes Gefäß, in welchem das Medium geführt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform sollte die äußere Wandung der Hülse mit der inneren Wandung der Vertiefung in berührendem Kontakt stehen. Je größer die Kontaktfläche ist, beispielsweise durch Generierung einer Passgenauigkeit zwischen der äußeren Wandung der Hülse und der inneren Wandung der Vertiefung in dem Werkzeug, desto besser ist der Wärmeübergang aus dem Medium über die Hülse in das Werkzeug und umgekehrt. Mit anderen Worten: je besser die Passgenauigkeit zwischen Hülse und Werkzeug, desto besser ist der Wärmetransfer bzw. die Wärmeableitung aus dem Werkzeug in das Medium. Eine saugende Passung hat sich hier als zweckdienlich erwiesen. Saugende Passungen im Sinne der Erfindung sind Spielpassungen mit geringem Spiel, wobei eine Montage oder Demontage ohne Werkzeug, d. h. von Hand möglich ist.
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Zur weiteren Verbesserung des Wärmeübergangs, kann die Hülse aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. Als solches Material eignen sich insbesondere Kupfer oder ähnliche Materialien.
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Alternativ dazu oder zusätzlich kann die äußere Wandung der Hülse mit einem Wärmeleitmittel, insbesondere einer wärmeleitenden Beschichtung oder einer Wärmeleitpaste versehen sein. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Anordnen einer Temperiereinrichtung an einem Umformwerkzeug, zur formgebenden Bearbeitung eines Werkstückes, insbesondere eines flächigen Blechs mit einer Matrize, einem Niederhalter und einer Patrize, mit den Schritten:
- – Ermittlung eines kritischen Bereichs des Werkzeugs mit einem hohen Umformgrad,
- – Bestimmung der Position für die Anordnung der Temperiereinrichtung in der Matrize, der Patrize und/oder dem Niederhalter,
- – Erzeugen mindestens einer Vertiefung an der vorbestimmten Position in der Matrize, der Patrize und/oder dem Niederhalter,
- – Einbringen eines Umlenkblechs in die Vertiefung, wobei ein Einlass zum Einbringen eines Mediums in die Vertiefung und ein Auslass zum Abführen des Mediums aus der Vertiefung vorgesehen sind und
- – Anschließen des Ein- und Auslasses an ein Kühlaggregat.
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Mit diesem Verfahren kann auf einfache und kostengünstige Weise eine Temperiereinheit in oder an einem Umformwerkzeug vorgesehen werden. Dieses Verfahren eignet sich besonders zum nachträglichen Einbau einer Temperiereinheit in ein Umformwerkzeug.
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Darüber hinaus kann in die Vertiefung ein Einsatz, beispielsweise eine Hülse eingebracht werden. Wie eingangs bereits erwähnt, bietet die Hülse den Vorteil, dass auch bei Umformwerkzeugen, die aus einem Material gebildet sind, durch die das Medium hindurchfließen kann, eine Kühlung realisiert werden kann.
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Als Medium zum Temperieren bzw. Kühlen des Umformwerkzeuges eignen sich gasförmige oder flüssige Medien wie bspw. Wasser, Öle oder Emulsionen. Für die Verwendung als Medium, bzw. als Kühlmittel eignet sich beispielsweise Wasser, das gegebenenfalls mit einem Frostschutzmittel versehen ist. Dadurch kann das Medium auch auf Temperaturen unter 0°C temperiert werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine Schnittdarstellung durch ein Umformwerkzeug und
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2 eine Schnittdarstellung durch einen Niederhalter gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein Umformwerkzeug 10, das eine Matrize 11, einen Niederhalter 12 und eine Patrize in Form eines Stempels 13 umfasst. Mit dem Umformwerkzeug 10 kann ein Werkstück 20 formgebend umgeformt werden. 1 zeigt das Ende des Umformprozesses. Die Matrize 11, der Niederhalter 12 und der Stempel 13 sind zueinander beweglich gelagert, in 1 entspräche eine solche Bewegungsrichtung der Hochrichtung. Ein ursprünglich sich flächig erstreckendes Blech 20 wird zwischen der Matrize 11 und dem Niederhalter 12 eingebracht und mit Hilfe des Niederhalters 12 gegen die Matrize 11 gedrückt. Danach wird der Stempel 13 relativ zu der Patrize 11 bewegt, wobei er einen Abschnitt des Werkstücks 20 umformt. In 1 findet beispielhaft und nicht einschränkend eine Umformung des Blechs zu einem topf- oder napfförmigen Bauteil statt. Bei der Umformung erwärmt sich in kritischen Bereichen nicht nur das Werkstück 20, sondern auch das Werkzeug 10. Dies geschieht insbesondere bei einer hohen Umformkadenz bzw. Hubzahl, in der sechs bis acht oder mehr Bauteile pro Minute umgeformt werden. Solche kritischen Bereiche sind beispielsweise in 1 Bereiche zwischen dem Stempel 13 und der Matrize 11, die im Wesentlichen fast parallel zur Bewegungsrichtung, d. h. zur Hochrichtung des Stempels 10 verlaufen und die Übergangsbereiche zwischen den im Wesentlichen parallelen Bereichen und dem im Wesentlichen senkrechten zur Bewegungsrichtung des Stempels liegenden Bereiche.
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Um in diesen Bereichen die Erwärmung zu verhindern oder zu reduzieren, ist eine Temperiereinheit in dem Niederhalter 12 vorgesehen. Die Temperiereinheit ist als eine Sacklochbohrung ausgebildet, die sich in 1 von links nach rechts erstreckt. In die Sacklochbohrung ist von links ein Umlenkblech 14 eingeführt, das wie eine horizontale Trennwand fungiert. Diese Sacklochbohrung kann mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium durchspült werden, wobei sich eine Strömung einstellt, die in der 1 durch die mit F markierten Pfeile dargestellt ist. Das Medium wird durch eine Einlassöffnung in den Bereich zwischen das Umlenkblech 14 und die Wandung des Sackloches eingebracht. Es fließt in 1 von links nach rechts bis zu dem werkzeuginneren Ende der Sacklochbohrung, wird dort umgeleitet und fließt dann durch den unteren Kanal in 1 von rechts nach links bis zu der Auslassöffnung. Der Kühleffekt breitet sich folglich aus dem linken Bereich des Niederhalters 12 über das Werkstück 20 bis in die Matrize 11 aus.
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Obwohl in 1 die Temperierung im Niederhalter 12 dargestellt ist, ist dies nur eine beispielhafte Ausführungsform. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Temperierung auch in der Matrize 11 oder – entsprechende Zugänglichkeit vorausgesetzt – in dem Stempel 13 angebracht sein.
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Beispielhaft und nicht einschränkend ist 1 auch dahingehend, dass die Temperierung direkt in einem Element des Umformwerkzeugs 10 eingebracht ist. Alternativ dazu können die Matrize 11, der Stempel 13 oder der Niederhalter 12 auch aus einzelnen formgebenden Abschnitten bestehen, wobei die Temperiereinheit in einem formgebenden Abschnitt angeordnet sein kann. Vorteilhafterweise sind die in 1 dargestellten Einzelteile der Umformvorrichtung 10 aus gehärtetem Stahl. Dieser ist bezüglich des Mediums dicht.
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Mit Bezug zur 2 soll eine Ausführungsform erläutert werden, die besonders vorteilhaft in Umformvorrichtungen Anwendung finden kann, in denen Einzelelemente oder Einzelsegmente d. h. formgebende Abschnitte aus mediumdurchlässigem Material ausgebildet sind. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung den Niederhalter 12 aus 1. In die Sacklochbohrung ist das Umlenkblech 12 weiterhin eingebracht, wobei es jedoch nicht direkt in dem Sackloch angeordnet ist, sondern zusätzlich von einer Hülse 15 umgeben ist. Die Hülse 15 ist aus einem mediumundurchlässigen Material ausgebildet. Darüber hinaus steht die Außenfläche der Hülse 15 in berührendem Kontakt mit der Innenfläche der Vertiefung. Dadurch kann ein besonders guter Wärmeübergang von dem Medium, das in der Hülse 15 fließt, über die Hülse 15 zu dem Niederhalter 12 gewährleistet werden. Wie bereits auch mit Bezug zu 1 erläutert, ergibt sich die Flussrichtung des Mediums aus den Pfeilen in 2, die mit F bezeichnet werden. Wobei in 2 oben ein Einlass dargestellt ist, durch den das Medium in einen Kanal eindringt, der durch das Umlenkblech 14 und durch die innere Oberfläche des Gehäuses 15 definiert wird. In diesen Kammern fließt das Medium in 2 von links nach rechts bis zum Umlenkbereich und dann von rechts nach links bis hin zu dem Auslass, aus dem es aus der Temperiereinrichtung heraus strömt. Auch in dieser Ausführungsform kann die Temperiereinrichtung anstatt in den Niederhalter 12 in den Stempel 13 oder die Matrize 11 eingebracht sein.
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In beiden Ausführungsformen sind der Einlass und der Auslass über einen Schlauchanschluss über eine einfache Ringverschlauchung mit einem passenden Druckschlauch mit einem Kühlaggregat verbunden. Alternativ zu der Verbindung über einen Schlauch können auch Rohrverbindungen verwendet werden. Dadurch wird ein Kühlkreislauf erzeugt, in dem das Medium von dem Kühlaggregat zu dem Einlass an dem Werkzeug, durch die Temperiereinrichtung und von dem Auslass zu dem Kühlaggregat zurück fließt. Das Kühlaggregat temperiert das Medium auf eine vorbestimmte Temperatur.
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Die Erfindung bietet Vorteile dahingehend, dass bestehende oder auch neue Umformpresswerkzeuge mit sehr geringem Aufwand und geringem Risiko in kritischen Umformbereichen mit einer Kühlung versehen werden können.
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Im Folgenden sollen noch einmal kurz die Vorteile der Erfindung zusammengefasst werden. Mit der oben beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren kann jederzeit eine Kühlung in Umformwerkzeugen aus Guss oder Stahl realisiert werden. Durch Stahleinsätze in Form einer Hülse 15 erfolgt keine Materialschwächung im Gussbauteil, wie bislang im Stand der Technik. Darüber hinaus bietet die Erfindung eine hohe Flexibilität was die Anzahl, Position und Lage der Kühlkanäle, d. h. der Vertiefungen bzw. der Sacklochbohrungen betrifft. In diesem Zusammenhang sei noch darauf verwiesen, dass bei zusätzlichem Bedarf weitere Kühlbohrungen nachträglich in das Umformwerkzeug eingebracht werden können. Durch die Kühlung wird eine höhere Hubzahl bei der Abpressung von Blechen oder Blechplatinen ermöglicht, so dass mehr Teile pro Zeiteinheit produzierbar sind. Auch die Pressennutzungseffizienz erhöht sich bei sehr kritischen Pressteilen.
