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Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zur Herstellung von warmumgeformten Bauteilen.
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Im heutigen Automobilbau erhöht sich der Komfort für die Fahrzeuginsassen zunehmend, durch den Einsatz von Sonderausstattungen. Diese umfassen viele elektromechanische Bauteile wie Sensoren, Motoren, Aktuatoren, und dienen dazu dem Fahrer die Fahraufgabe zu erleichtern. Gleichzeitig mit dem Komfortzuwachs erhöht sich jedoch auch das Fahrzeuggewicht. Um dem entgegen zu wirken, wird im Stand der Technik versucht, die Strukturbauteile der Karosserie gewichtsreduziert auszugestalten.
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Die Strukturbauteile der Karosserie sind nicht nur maßgeblich an der Stabilität des Fahrzeugs beteiligt, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Sicherheit im Crash-Fall. Um diesen Zielkonflikt zwischen Reduktion des Bauteilgewichts von Strukturbauteilen bei gleichzeitiger Beibehaltung bzw. Realisierung hoher mechanischer Kennwerte aufzulösen, hat es sich in der Vergangenheit bewährt, Strukturbauteile mittels Warmumformung herzustellen. Warmumformprozesse sind in der Literatur auch als Formhärten oder Presshärten beschrieben.
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Zur Herstellung formgehärteter Bauteile, insbesondere zur Herstellung von Karosseriebauteilen sind zwei prinzipiell unterschiedliche Verfahren bekannt. Bei dem direkten Warmumformverfahren wird zunächst eine Platine in einem Ofen auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls erwärmt und in einem Werkzeug anschließend zeitgleich umgeformt und abgekühlt d. h. formgehärtet. In dem indirekten Warmumformverfahren wird aus einer Platine zuerst durch Kaltumformen ein fertig geformtes und beschnittenes Bauteil aus Stahl erzeugt. Dieses wird dann in einer Erwärmungsanlage auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls erwärmt und in einem Werkzeug anschließend durch rasches Abkühlen formgehärtet. In beiden Warmumformverfahren, wird die Platine oder ein bereits fertig geformtes und beschnittenes Bauteil aus Stahl im Anschluss an die Erwärmung auf die Austenitisierungstemperatur in dem Werkzeug thermomechanisch umgeformt, wobei die thermomechanische Umformung bei einer Temperatur oberhalb der Austinitisierungsendtemperatur Ac3 (ca. 830°C) bevorzugt zwischen 900 und 1100°C erfolgt. Die Abkühlung der umgeformten Werkstücke erfolgt mittels einer Kühlung, die sich in einem geschlossenen Werkzeugkörper befinden. Dadurch können Bauteile mit besonders hohen mechanischen Eigenschaften, insbesondere mit hohen Festigkeiten erzeugt werden.
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Die Patentschrift
DE 19723655 B4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Stahlblechprodukten durch Erwärmen eines abgemessenen Stahlblechs, Warmverformung des Stahlblechs in einem Werkzeugpaar, Härten des gebildeten Produkts durch schnelles Abkühlen von einer austenitischen Temperatur, während es weiterhin in dem Werkzeugpaar gehalten ist und anschließende Bearbeitung des Produkts.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Formwerkzeug anzugeben zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Fahrzeugbauteilen aus Blech, bei denen besonders gute mechanische Kennwerte realisiert werden und gleichzeitig das Bauteilgewicht reduziert wird.
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Diese Aufgabe wird mit einem Formwerkzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Formwerkzeug zur Herstellung von warm umgeformten Bauteilen, insbesondere Blechformteilen vor, mit einem Werkzeugunterteil und einem Werkzeugoberteil, die zueinander relativ beweglich sind und die mit korrespondierenden Wirkflächen zur Formgebung des Bauteils ausgebildet sind, wobei mindestens die Wirkfläche eines Werkzeugteils zumindest abschnittsweise kühlbar ausgebildet ist und wobei in dem kühlbaren Abschnitt des Werkzeugteils Kühlkanäle vorgesehen sind. Darüber hinaus können die Kühlkanäle ein Kühlmittel zu dem Bauteil hin führen, wobei am Ende jedes Kühlkanals ein Auslass vorgesehen ist, der dem Bauteil zugewandt ist. Damit kann das Kühlmedium bzw. das Kühlmittel direkt auf die Platine oder das fertig geformte und beschnittene Bauteil wirken, da es unmittelbar mit dem Bauteil bzw. der Platine in Kontakt gerät. Im Sinne dieser Erfindung sind Blechbauteile dünnwandige Bauteile, die sich in ihrer Längs- und Querrichtung weiter erstrecken, als in ihrer Dickenrichtung. Diese Blechbauteile können aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder aus einer Kombination daraus ausgebildet sein.
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Darüber hinaus kann das Werkzeugteil zum Führen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kühlmittels ausgebildet sein. Die Verwendung eines gasförmigen Kühlmittels bietet den Vorteil, dass sich das Gas nach der Berührung mit dem Bauteil in der Umgebung verflüchtigt und somit keine Verunreinigungen bzw. Rückstände am Bauteil oder am Formwerkzeug hinterlässt. Als Gas eignen sich hier insbesondere Luft, Druckluft, Inertgase oder andere Gase, die nicht korrosiv auf das Bauteil wirken. Durch die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels, wie bspw. Wasser, destilliertes Wasser, Öle oder Emulsionen kann eine Wiederverwendung des Kühlmittels realisiert werden. Das flüssige Kühlmittel wird nach der Berührung mit dem Bauteil aufgefangen und gesammelt. Gegebenenfalls wird die Flüssigkeit von Verunreinigungen getrennt, bspw. durch Filtern. Danach kann das flüssige Kühlmedium auf eine vorbestimmte Temperatur temperiert werden und für nachfolgende Bauteile wiederverwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zusätzlich zu den Kühlkanälen, Kühlleitungen vorgesehen sein, die ein Kühlmittel im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Bauteils führen. Das in den Kühlleitungen geführte Kühlmittel, das ebenfalls gasförmig oder flüssig sein kann, kommt somit nicht in direkten Kontakt mit dem Bauteil. Die thermische Energie des Kühlmittels in den Kühlleitungen wirkt durch das Material des Werkzeugteils auf das Bauteil, das beim Umformen mit dem Werkzeugteil im berührenden Kontakt steht. Dadurch ist der Wärmeübergang von dem Bauteil in das Kühlmittel, das in den Kühlleitungen strömt, schwächer bzw. langsamer, im Vergleich zu dem Kühlmedium, das in den Kühlkanälen strömt. Somit können einzelne Bereiche des Bauteils unterschiedlich schnell bzw. unterschiedlich stark abgekühlt werden und dadurch verschiedene mechanische Eigenschaften in dem Bauteil realisiert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Kühlkanäle im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Bauteils ausgerichtet. Der Auslass aus dem Kühlmittelkanal ergibt sich durch die geometrische Schnittfläche mit der Bauteiloberfläche. Durch die im Wesentlichen senkrechte Ausrichtung der Kühlkanäle, trifft das Kühlmittel in einem steilen Winkel auf die Bauteiloberfläche auf und verteilt sich besonders gleichmäßig in alle Richtungen auf der Oberfläche des Bauteils.
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Darüber hinaus können die Kühlkanäle über ein gemeinsames Zuführsystem mit Kühlmittel versorgt werden. Dies bietet den Vorteil, dass eine gleichmäßige Temperierung bzw. Versorgung mit Kühlmittel gleicher Temperatur in allen Kühlkanälen sichergestellt wird.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Formwerkzeuges kann die Wirkfläche des Werkzeugoberteils und/oder die Wirkfläche des Werkzeugunterteils zumindest abschnittsweise kühlbar ausgebildet sein. Aufgrund der geringen Dicke des Blechbauteils, die im Bereich von 0,5 bis 5 mm liegt, ist eine einseitige Kühlung ausreichend. Um jedoch eine besonders schnelle und starke Abkühlung zu realisieren, kann es von Vorteil sein, eine beidseitige Kühlung zu realisieren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Figurenbeschreibung, die Ansprüche sowie die Zeichnungen enthalten Merkmale, die ein Fachmann ggf. auch in anderer Kombination in Betracht ziehen würde, um sie an entsprechende Anwendungsfälle der Erfindung anzupassen.
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Es zeigt in schematischer Darstellung
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1 eine Schnittansicht durch ein Formwerkzeug.
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1 zeigt ein Formwerkzeug 10, das in Pressen einsetzbar ist zur Warmumformung von Blechplatinen zu Blechbauteilen 17. Das Formwerkzeug 10 weist eine untere Werkzeughälfte 12u auf, die auf einer Grundplatte 11 aufsitzt. Die untere Formwerkzeughälfte 12u wirkt mit einer oberen Formwerkzeughälfte 12o zusammen. Die einander zugewandten Wirkflächen der oberen Formwerkzeughälfte 12o und der unteren Formwerkzeughälfte 12u sind korrespondierend ausgebildet, so dass sie wie Matrize und Stempel eines Pressenwerkzeugs fungieren. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel ist die Werkzeughälfte 12o als Stempel und die Werkzeughälfte 12u als Matrize ausgebildet. Ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, können die obere und die untere Formwerkzeughälfte ihre Anordnung betreffend vertauscht werden, so dass das Oberwerkzeug als Matrize und das Unterwerkzeug als Stempel fungieren. Die obere Werkzeughälfte 12o und die untere Werkzeughälfte 12u sind zueinander relativ beweglich. Die in 1 dargestellten Formwerkzeughälften 12o, 12u können auseinander- und wieder zusammengefahren werden. Beim Zusammenfahren der Formwerkzeughälften gerät ein Blechstück bzw. eine Blechplatine zwischen die Formwerkzeughälften, und wird von den Wirkflächen umfasst und umgeformt. Der in 1 dargestellte Zustand entspricht einer Endposition der Werkzeughälften 12u, 12o bei einem Umformvorgang in der das Bauteil 17 fertig umgeformt wird.
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In der unteren Formwerkzeughälfte 12u ist ein Einsatz 13 vorgesehen, in dem ein Kühlsystem, das mehrere Kühlkanäle 15 aufweist, integriert ist. Die Verwendung derartiger Einsätze 13 bietet zum einen den Vorteil, dass verschiedene Bauteilkonturen geprägt werden können mit einem unteren Formwerkzeug 12u, indem der Einsatz 13 entsprechend der gewünschten Bauteilform ausgewechselt werden kann. Die Kühlkanäle 15 sind fluidisch mit einem Verteiler- oder Anschlusssystem 16 verbunden. Das Kühlmittel wird somit über das Anschlusssystem 16 eingebracht, und auf die Kühlkanäle 15 verteilt. Am in 1 oberen Ende der Kühlkanäle 15 sind Auslässe bzw. Öffnungen vorgesehen, aus denen das Kühlmittel unmittelbar direkt auf die Blechplatine bzw. das umgeformte Bauteil 17 strömt. Wie aus 1 ersichtlich ist, trifft das Kühlmedium im Wesentlichen senkrecht, d. h. unter einem steilen Winkel auf das Bauteil 17 auf. Die Zufuhr des Kühlmediums zu dem Bauteil 17 erfolgt damit über nahezu senkrecht zur Bauteiloberfläche stehende Kanäle 15, Diese Kanäle 15 können in jeder beliebigen Rasterung und jedem beliebigen Durchmesser hergestellt werden. Dadurch verbessert sich die Variabilität bei der Herstellung der Werkzeughälfte 12u bzw. deren Einsatz 13. Somit kann eine optimale Kühlwirkung der bereits zu einem Bauteil umgeformten Platine oder dem bereits vor dem Presshärteprozess fertiggeformten und beschnittenen Bauteil realisiert werden.
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In 1 sind zusätzlich zu den Kühlkanälen 15 auch Kühlleitungen 14 dargestellt. Die Kühlleitungen 14 verlaufen im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Bauteils 17 und damit auch im Wesentlichen parallel zu der Wirkfläche der Formwerkzeughälften. Die Kühlleitungen 14 folgen damit der Bauteilkontur in einem gewissen Abstand in den Einsatz 13 der untern Formwerkzeughälfte 12u. Da die Kühlkanäle, in Abhängigkeit vom Herstellverfahren (Tieflochbohren oder Fräsen), nur bedingt der Formkontur folgen können, ist die gezielte Abkühlung des Bauteils im Bereich der Kühlkanäle 14 nur in geringerem Maße oder langsam möglich, im Vergleich zu der Kühlung mit Hilfe der Kühlkanäle 15.
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Als Kühlmittel für die Kühlkanäle 15 kann dasselbe Kühlmittel oder Kühlmedium verwendet werden, das auch durch die Kühlleitungen 14 strömt. Alternativ können jedoch auch getrennte Kreisläufe realisiert werden, so dass in den Kühlleitungen 14 ein anderes Kühlmittel als in den Kühlkanälen 15 strömt. Für beide Fälle eignen sich gasförmige Kühlmedien, flüssige Kühlmedien oder eine Kombination daraus.
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Mit den direkt auf das Bauteil wirkenden Kühlkanälen 15, können mittels geeigneten Kühlmedien, jede beliebige Geometrieform des Bauteils 17 gekühlt werden. Durch die Intensität des Kühlmitteldruckes und die Rasterung bzw. Anordnungen der Kühlkanäle 15, kann jede gewünschte Abkühlrate des Bauteils bzw. des abzukühlenden Bauteilbereiches eingestellt werden. Daraus resultiert ein hoher Freiheitsgrad bei der Einstellung der mechanischen Kennwerte des Bauteils 17, bzw. der Härte des Bauteils 17.
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In 1 ist lediglich die untere Werkzeughälfte 12u mit Kühlkanälen 15 versehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung, kann alternativ dazu die Anordnung des Kühlsystems, d. h. das Anschlusssystem 16 und die Kühlkanäle 15 auch in der oberen Werkzeughälfte 12o angeordnet sein. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können sowohl in der oberen Werkzeughälfte 12o als auch in der unteren Werkzeughälfte 12u Kühlkanäle 15 und Kühlleitungen 14 vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Formwerkzeug
- 11
- Werkzeug Grundplatte
- 12u
- Werkzeugunterteil
- 12o
- Werkzeugoberteil
- 13
- Werkzeugeinsatz
- 14
- Kühlleitungen
- 15
- Kühlkanäle
- 16
- Zuführsystem
- 17
- Bauteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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