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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines hohlen Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Bauteil.
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Zur Fertigung von hohlen Bauteilen aus Rohren ist das Verfahren der Warmumformung nur eingeschränkt einsetzbar. Zum einen bestehen Werkstoffunverträglichkeiten, beispielsweise dürfen Rohre mit Zinkbeschichtung nicht warm umgeformt werden, da sich sonst Mikro-Risse aufgrund von Flüssigmetallversprödung bilden. Zum anderen besteht insbesondere beim Innenhochdruckumformen die Gefahr, dass das erwärmte Rohr bei Schließen des Werkzeuges in sich zusammenfällt und/oder sich unbeabsichtigt verformt.
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Somit ist die Fertigung von höherfesten hohlen Bauteilen direkt aus Rohren nur sehr eingeschränkt und mit hohem Aufwand realisierbar.
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Die
EP 0 894 551 A2 beschriebt ein Herstellverfahren für ein wellenförmiges Bauteil aus einem kalt umformbaren Rohr, wobei das kalt umformbare Rohr in ein Formwerkzeug eingelegt und mittels eines konventionellen Innenhochdruckumformverfahrens in die Endform umgeformt wird.
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Die
DE 698 03 588 T2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung abgeschreckter dünnwandiger hohler Metallgehäuse durch Blasformen. Hierbei wird ein vorgewärmter hohler Gehäuseblock zwischen die Hälften des Blaswerkzeuges eingeführt und das Blaswerkzeug wird geschlossen. Anschließend werden die offenen Seiten des hohlen Gehäuseblockes abgedichtet und gasförmiges Medium in das Innere des Gehäuseblocks eingeführt, wodurch der Gehäuseblock gegen die inneren Wände des Blasformwerkzeuges geformt und anschließend abgeschreckt wird. Nachteilig ist hierbei, dass der Gehäuseblock nur von innen geformt wird und dass durch Verwenden von Luft als gasförmiges Medium eine Verzunderung auftreten kann.
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Die
DE 10 2009 040 935 B4 beschriebt ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus mindestens zwei Einzelteilen, welche im ersten Schritt zu einem Halbzeug verlötet oder verschweißt werden. Anschließend wird das erwärmte Halbzeug durch Einblasen von unter Druck stehendem Medium in den Hohlraum des Halbzeuges gegen die Innenwand eines Formwerkzeuges expandiert und abgeschreckt.
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Aus der
DE 10 2007 018 395 A1 ist ein Innenhochdruck-Umformverfahren bekannt, bei welchem ein umzuformendes Rohr aus einem Stahlwerkstoff vorgewärmt und in ein Umformwerkzeug eingelegt wird. Anschließend wird das Umformwerkzeug geschlossen und die Enden des in einem Formhohlraum des geschlossenen Umformwerkzeuges aufgenommen Werkstücks werden abgedichtet und anschließend ein Gas unter Druck in den Innenraum des Werkstückes eingeleitet, wobei das Werkstück durch den Druck des Gases umgeformt und gleichzeitig durch die Temperatur des Gases von innen und durch die Temperatur des gekühlten Umformwerkzeuges von außen direkt im Umformwerkzeug gehärtet wird.
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Die
DE 103 93 208 T5 offenbart ein Verfahren zum Formen eines formbaren Rohlings zu einem Strukturbauteil, bei welchem zumindest ein teilweises Erhitzen des formbaren Rohlings erfolgt, bis unter Einpressen eines Fluides unter hohem Druck in den formbaren Rohling der Rohling der Form von umgebenden, zusammengepressten Schalen entspricht. Hierbei wird das Fluid vor, während oder nach dem Erhitzen des Rohlings in das Innere des Rohlings eingebracht.
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Die
EP 1 848 554 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils in mehreren Umformstufen, wobei das Ausgangswerkstück in einem Innenhochdruck-Umformwerkzeug zunächst in eine erste Vorform geformt und anschließend die Vorform in einem zweiten Umformvorgang unter Druck von Stützstempeln in die geforderte Form des Bauteils bei geschlossenem Werkzeug umgeformt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Fertigen eines hohlen Bauteils aus einem Werkstück mittels einer Presse mit mindestens einem Werkzeug und zwei Dichtstempeln zum Umformen des Werkstückes, wobei das Werkstück ein Metall und/oder eine Metalllegierung aufweist und als ein Hohlkörper mit zwei offenen Enden ausgebildet ist, mit folgenden Schritten:
- – Erwärmen des Hohlkörpers, insbesondere oberhalb einer Härtetemperatur,
- – Einlegen des Erwärmten Hohlkörpers in das Werkzeug,
- – Abdichten der beiden offenen Enden des Hohlkörpers mittels der beiden Dichtstempel,
- – Aufbau eines Gasdruckes mittels eines Gases innerhalb des Hohlkörpers,
- – Schließen des Werkzeuges und Pressen des erwärmten Hohlkörpers zum Umformen des erwärmten Hohlköpers unter dem Gasdruck,
- – Unmittelbares Abkühlen des umgeformten Hohlkörpers im Werkzeug oder außerhalb des Werkzeuges, sodass ein höherfestes hohles Bauteil vorliegt,
wobei der Aufbau des Gasdruckes bei geöffnetem Werkzeug erfolgt, sodass durch den Gasdruck ein Vorformen des erwärmten Hohlkörpers zeitlich vor dem Schließen des Werkzeuges und das Umformen des erwärmten Hohlkörpers beim Schließen des Werkzeuges erfolgen.
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Somit wird ein Verfahren zum Warmumformen bereitgestellt, bei dem ein unkontrolliertes Kollabieren des erwärmten Hohlkörpers im Querschnitt beim Schließen des Werkzeuges verhindert und durch den Gasdruck dieser von innen gestützt wird.
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Zudem kann bereits vor dem Schließen des Werkzeuges ein Vorformen des Hohlkörpers von innen aufgrund des Gasdruckes erfolgen. Beispielsweise kann bereits bei geöffnetem Werkzeug ein Aufweiten des Hohlkörpers durch den Gasdruck im Inneren erfolgen, sodass der Hohlkörper eine andere und/oder größere Geometrie und/oder einen größeren Durchmesser aufweist.
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Es hat sich überraschend gezeigt, dass durch Aufbringen eines Gasdrucks in den Hohlkörper vor und beim Schließen des Werkzeuges Bauteile mit exakteren und/oder schärferen Konturen und/oder Geometrien mit schärferen Kantenrundungen gefertigt werden.
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Dadurch, dass durch den Gasdruck vor Schließen des Werkzeuges bereits ein Vorformen und/oder beim Schließen ein Umformen erfolgt, liegen hierbei die Flächen und Ecken des Hohlkörpers nicht an dem kühlenden, geschlossenen Werkzeug an. Durch das geöffnete Werkzeug wird ein frühzeitiges Abkühlen und Härten während des Vorformens und/oder Umformens des Hohlkörpers vermieden. Dadurch besteht ein hohes Umformvermögen des Hohlkörpers bei einer niedrigen Streckgrenze und ein optimiertes Vorformen und/oder Umformen wird ermöglicht. Zudem wird ein lokales Abstrecken in den Ecken des Hohlkörpers und somit ein Dünnerwerden, Schwächen und/oder Reißen der Ecken vermieden. Zudem erfolgt das Vorformen und/oder Umformen gleichmäßiger im Querschnitt des Hohlkörpers und ein gleichzeitiges Ausformen der Ecken des Hohlkörpers erfolgt spätestens beim Schließen des Werkzeuges und vor dem Abkühlen. Folglich können kleinere Eckradien, schärfere Konturen, gleichmäßigere Wanddickenverteilungen ohne lokale Ausdünnungen und/oder kompliziertere Geometrien gefertigt werden.
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Dadurch, dass das Umformen des Hohlkörpers im Wesentlichen beim Schließen des Werkzeuges erfolgt und das Härten zeitlich nachfolgt, wird ein homogenes, martensitisches Materialgefüge des Hohlkörpers erzielt.
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Es ist besonders vorteilhaft, dass das Umformen beim Schließen der Presse ein Zusammenspiel aus Innendruck im Hohlkörper und der Schließbewegung der Presse ist, wodurch das Umformen gezielt gesteuert und ein neues und vorteilhaftes Umformverhalten erzielt werden kann. Dazu wird eine bestimmte Prozesskurve (Innendruck über Stößelweg) gefahren.
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Somit ermöglicht das erfinderische Verfahren neue Geometrien, Bauteile und/oder Anwendungen.
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Folglich kann der Fertigungsaufwand vermindert werden, da anstelle des üblichen Vorbiegens und/oder Vorformens vor Einbringen des Hohlkörpers in das Werkzeug nun dieser direkt durch den Gasdruck im Inneren vorgeformt werden kann. Somit entfällt ein zusätzlicher Vorform- und/oder Transferschritt.
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Es ist besonders vorteilhaft, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren aus einem Hohlkörper und/oder einem Rohr direkt ein qualitativ hochwertiges, höherfestes hohles Bauteil fertigbar ist.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass zur Fertigung eines hohlen Bauteils vor dem Schließen des Werkzeuges ein Gasdruck im Inneren des Hohlkörpers eingesetzt wird, sodass der Hohlkörper von innen gestützt und/oder ein gezieltes Vorformen des Hohlkörpers erzielt wird und/oder das Umformen des Hohlkörpers beim Schließen des Werkzeuges und während des Pressen des Hohlkörpers unterstützt wird. Dadurch bieten sich neue Umformmöglichkeiten durch gezielt eingesetzte Druckschritte des Gasdrucks im Inneren des Hohlkörpers vor und/oder während des Pressens und/oder Umformens.
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Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Fertigen eines hohlen Bauteils auch auf einem Hohlkörper anwendbar, welcher nur eine Öffnung oder mehr als zwei Öffnungen aufweist. Hierzu wird die Anzahl der Dichtstempel entsprechend angepasst.
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Folgendes Begriffliche sei erläutert:
Ein „Bauteil“ ist insbesondere ein aus einem Werkstück gefertigtes Einzelteil eines technischen Komplexes wie zum Beispiel einer Maschine und/oder eines Apparates. Das Bauteil entsteht insbesondere plastisch aufgrund einer Formveränderung durch gezieltes Umformen eines Werkstückes. Somit weist ein Bauteil insbesondere fast fertige oder fertige Formen oder Geometrien auf.
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Unter „Werkstück“ wird insbesondere ein einzelnes abgegrenztes Teil weitgehend festen Materials verstanden, welches bearbeitet wird. Insbesondere wird aus dem Werkstück durch Vorformen und/oder Umformen und/oder weiteren Bearbeitungsschritten ein Bauteil gefertigt.
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Eine „Presse“ ist insbesondere eine Umformmaschine mit geradliniger Relativbewegung des Werkzeuges. In einer Presse werden insbesondere Fertigungsverfahren wie Urformen, Umformen, Tiefziehen, Fügen, Beschichten, Trennen, Schneiden und/oder Ändern von Stoffeigenschaften durchgeführt. Eine Presse ist insbesondere eine weggebundene, energiegebundene oder kraftgebundene Presse. Zum Umformen kann die Presse insbesondere ein Umformwerkzeug aufweisen. In der Presse kann insbesondere ein Verfahren zum Vorformen, Umformen, Innenhochdruck-Umformen und/oder Stützdruck-Umformen und/oder Härten durchgeführt werden.
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Ein „Werkzeug“ ist insbesondere ein Objekt, mit dem das Bearbeiten eines Werkstückes erfolgt, wobei das Werkzeug durch einen Menschen und/oder eine Maschine geführt wird. Bei einem Werkzeug kann es sich insbesondere um ein Formwerkzeug und/oder ein Bearbeitungswerkzeug handeln. Das Werkzeug wird insbesondere in einem formgebenden Fertigungsverfahren, wie Vorformen, Umformen und/oder zum Härten, verwendet. Das Werkzeug wird insbesondere in einer Werkzeugmaschine und/oder einer Presse eingesetzt. Das Werkzeug besteht insbesondere aus einem Unterwerkzeug und/oder einem Oberwerkzeug und/oder zwei Werkzeughälften. Insbesondere kann ein Werkzeug eine Innenkontur aufweisen, welche als Außenkontur einem Werkstück und/oder einem Hohlkörper aufgebracht wird.
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Ein „Dichtstempel“ ist insbesondere ein Stempel und/oder Horizontalzylinder, welcher vor dem Schließen des Werkzeuges und/oder bei teilweise geschlossenem Werkzeug und/oder bei vollständig geschlossenem Werkzeug ein offenes Ende eines Hohlkörpers abdichtet. Insbesondere ist ein Dichtstempel durch einen oder mehrere Hydraulikzylinder angetrieben. Zwei Dichtstempel werden insbesondere beim Vorformen und/oder Stützen eines Rohres verwendet, um die beiden Rohrenden abzudichten und/oder mittels der Dichtstempel das Rohrmaterial nachzuschieben und von den Rohrenden her zu stauchen. Insbesondere weist ein Dichtstempel eine Gaszufuhr, beispielsweise über Kanäle, auf, sodass über diesen Dichtstempel Gas in das Innere des Hohlkörpers zugeführt werden kann. Insbesondere können auch beide Dichtstempel jeweils eine Gaszufuhr aufweisen, sodass der Gasdruck lokal im Inneren des Hohlkörpers eingestellt und/oder das Vorformen und/oder Stützen gezielt beeinflusst werden kann. Insbesondere wird der Dichtstempel auch zum Innenhochdruckumformen verwendet.
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„Umformen“ ist insbesondere ein Fertigungsverfahren, bei dem Metalle und/oder Metalllegierungen gezielt plastisch in eine andere Form gebracht werden. Insbesondere werden ein Hohlkörper und/oder ein Werkstück durch Umformen in ein Bauteil überführt. Beim Umformen kann es sich insbesondere um Tiefziehen und/oder Pressen handeln. Beim Umformen kann es sich insbesondere um ein Halbwarmumformen und/oder ein Warmumformen handeln, wobei bei letzterem das Werkstück vor dem Umformen auf eine Temperatur beispielsweise über der Rekristallisationstemperatur des Werkstückes erwärmt wird.
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Beim Umformen kann es sich insbesondere um ein warmes „Innenhochdruckumformen“ handeln, wobei im Gegensatz zum konventionellen Innenhochdruckumformen zunächst ein Gasdruck im Inneren des Hohlkörpers aufgebaut wird, bevor das Werkzeug vollständig geschlossen wird. Beim Innenhochdruckumformen wird insbesondere ein Hohlkörper vorgeformt, aufgeweitet, gestützt, in axialer und/oder radialer Richtung gestaucht und/oder durch einen Kalibrierdruck gegen eine innere Werkzeugwand expandiert. Das Innenhochdruckumformen wird insbesondere in einer speziellen hydraulischen Presse mittels eines zweiteiligen Werkzeuges durchgeführt. Beispielsweise wird ein Rohr in das Unterwerkzeug eingelegt. Zu beiden Seiten der Rohrenden befinden sich insbesondere zwei Dichtstempel. Vor dem Schließen des Werkzeuges werden insbesondere die Dichtstempel gegen die Rohrenden gedrückt und dichten diese ab. Das Rohr wird insbesondere mit einem Druckmedium und/oder Gas befüllt. Während des Vorform- und/oder Umformvorganges stauchen insbesondere die Dichtstempel das Rohr, während das Druckmedium gleichzeitig das Rohr unter axialem Materialfluss aufweitet und dadurch das Rohr zum Anlegen an die innere Werkzeugkontur bringt. Der Materialfluss kann insbesondere vor und/oder während und/oder nach Schließen des Werkzeuges zusätzlich durch einen Gegenhalter geregelt werden. Nach Schließen des Werkzeuges und Pressen des Hohlkörpers wird mittels des Kalibrierdrucks das Werkstück und/oder Rohr derartig ausgeformt, dass seine Kontur wiederholungsgenau der Innenkontur des Werkzeuges entspricht. Abschließend wird insbesondere das Werkzeug geöffnet und das gefertigte Bauteil kann ausgeworfen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich vom konventionellen Innenhochdruckumformen darin, dass beim konventionellen Innenhochdruckumformen das Werkzeug vollständig geschlossen wird, bevor der Hohlkörper mit Gas aufgeweitet und umgeformt wird. Somit erfolgt das Umformen beim konventionellen Innenhochdruckumformen in zwei unabhängigen Schritten, wobei zuerst das Schließen des Werkzeuges ein Umformen bewirkt und anschließend erst der Aufbau des Innenhochdruckes und somit ein Aufweiten eines Hohlkörpers erfolgt. Folglich ist beim konventionellen Innenhochdruckumformen nachteilig, dass der Hohlkörper an der Wand des geschlossenen Werkzeuges bereits während des Umformens stark abgekühlt wird, bevor das Aufweiten und/oder weitere Umformen unter Gasdruck beginnt. Da das Härten beim konventionellen Innenhochdruckumformen bereits mit Schließen des Werkzeuges beginnt, lässt sich der Hohlkörper aufgrund des sinkenden Umformvermögens und der ansteigenden Streckgrenze unter dem nachfolgenden Gasdruck schlechter umformen. Da das Material ungleichmäßig gehärtet wird, entstehen lokale Abstreckungen in der Wanddicke eines Hohlkörpers und enge Radien lassen sich nur schwierig ausformen.
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Insbesondere werden beim Innenhochdruckumformen vorgewärmte Werkstücke und/oder Werkzeuge eingesetzt. Insbesondere wird hier das Werkstück und/oder der metallische Hohlkörper vor dem Vorformen und/oder Umformen und/oder Innenhochdruck-Umformen über die Austenitisierungstemperatur erwärmt, insbesondere auf eine Temperatur von circa 930°C, wobei die höchste Temperatur insbesondere im Bereich der größten Umformung des Werkstückes eingesetzt wird.
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Ein „Vorformen“ ist insbesondere ein Umformen, welches vor dem Schließen des Werkzeuges und/oder vor dem Pressen erfolgt. Ein Vorformen wird insbesondere durch den Gasdruck im Inneren des Hohlkörpers erzielt. Bei einem Vorformen kann es sich insbesondere um ein Aufweiten und/oder Stauchen des Hohlkörpers handeln.
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Unter „Metallen“ werden hier insbesondere Schwermetalle, Leichtmetalle, Unedelmetalle oder Halbmetalle sowie deren Legierungen verstanden. Ein Metall kann insbesondere in fester und/oder flüssiger Form vorliegen. Beispiele für Metalle sind Eisen, Nickel, Kupfer, Chrom, Aluminium und Titan.
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Eine „Metalllegierung“ ist insbesondere ein metallischer Werkstoff, welcher aus mindestens zwei Elementen besteht. Für die Eigenschaften einer Metalllegierung sind insbesondere die Art und Anzahl der Legierungspartner, ihr Massenanteil an der Legierung sowie die Temperatur entscheidend. Bei einer Metalllegierung kann es sich um eine Eisenlegierung und/oder eine Nicht-Eisenlegierung handeln. Stahl ist beispielsweise eine metallische Legierung mit dem Hauptbestandteil Eisen. Weitere Beispiele für Stahllegierungen sind Eisen-Nickel (FeNi), Chrom-Nickel (CrNi), Chrom-Nickel-Molybdän (CrNiMo) und Mangan-Bor-Stahl wie 22MnB5.
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Ein „Hohlkörper“ ist insbesondere ein Körper, welcher im Inneren einen Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum insbesondere ein leerer und/oder teilweise gefüllter Raum im Inneren des Hohlkörpers ist. Ein Hohlkörper kann insbesondere eine oder mehrere Öffnungen aufweisen. Bei einem Hohlkörper kann es sich beispielsweise um einen Hohlzylinder mit einer inneren Bohrung im Kreiszylinder entlang seiner Achse handeln. Insbesondere ist ein Hohlkörper als ein Rohr ausgebildet. Ein Hohlkörper weist insbesondere einen Durchmesser von 10mm bis 200mm und eine Wandstärke von 0,5mm bis 10mm auf.
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Unter „Erwärmen“ wird insbesondere ein Aufheizen eines Werkstückes verstanden. Insbesondere findet das Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb einer Härtetemperatur statt.
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Unter „Härten“ wird insbesondere ein Verändern der Stoffeigenschaft des Materials und/oder Umwandlung des Gefüges des Werkstückes und/oder des Hohlkörpers verstanden. Das Härten erfolgt insbesondere durch eine Wärmebehandlung mit anschließendem schnellem Abkühlen des Werkstückes. Beim Härten findet insbesondere ein Erwärmen des Werkstückes auf oder oberhalb der „Härtetemperatur“ statt. Bei Stahl wird unter Härtetemperatur insbesondere auch die Austenitisierungstemperatur verstanden, bei welcher Eisen sich von der Ferrit-Struktur (bei Raumtemperatur) in die Austenitstruktur umwandelt. Das Austenit reichert unter diesen Bedingungen insbesondere Kohlenstoff an und kann dadurch bei einem schlagartigen Abkühlen nicht mehr in die Ferritstruktur zurückkehren. Stattdessen wandelt es sich insbesondere in eine Martensitstruktur um, welche durch den Kohlenstoff verspannt ist.
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Bei Stahl liegt insbesondere die Austenitisierungstemperatur oberhalb von 723°C. Bevorzugt liegt die Härtetemperatur ≥ 900°C und vorteilhaft > 930°C. Die anschließende Abkühlgeschwindigkeit liegt bei mindestens 27°K pro Sekunde, bevorzugt bei > 100°K pro Sekunde. Je höher insbesondere die Abkühlungsgeschwindigkeit und somit die Temperaturdifferenz ist, desto mehr Martensit bildet sich beim Abkühlen und desto höher wird die Härte des Werkstückes. Zum Abkühlen kann insbesondere eine Wasserkühlung des Werkzeuges und/oder eine neben dem Werkzeug angeordnete Wasserdusche verwendet werden.
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Ein „Gas“ wird insbesondere beim Vorformen und/oder Stützen und/oder Pressen und/oder Umformen und/oder Härten eines Werkstückes verwendet. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Inertgas handeln, welches sehr reaktionsträge ist und keine oder nur sehr wenige chemische Reaktionen eingeht. Bei einem Gas handelt es sich beispielsweise um Stickstoff und/oder ein Edelgas wie Argon. Bei dem Gas kann es sich insbesondere auch um normale und/oder gefilterte Luft handeln. Mittels des Gases wird ein Druck im Inneren des Hohlkörpers aufgebaut. Bei dem Gas kann es sich insbesondere auch um ein Schutzgas handeln, welches gleichzeitig dazu dient, den Sauerstoffanteil im umgebenden Gas und/oder der umgebenden Luft zu reduzieren oder ganz zu ersetzen.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens wird der Gasdruck während des Schließens des Werkzeuges gehalten und/oder gesteuert und nach dem Schließen des Werkzeuges bis zu einem Kalibrierdruck erhöht.
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Dadurch kann ein optimales Vorformen und/oder Stützen und/oder Umformen des Hohlkörpers unter Anpassung des Gasdruckes an die Warmvorformbarkeit des Werkstückes und/oder die Schließkraft und/oder Presskraft des Werkzeuges erfolgen. Zudem können Gasdruckschritte gezielt eingestellt und/oder geändert werden.
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Um ein schnelles Erwärmen des Werkstückes zu erreichen, erfolgt das Erwärmen des Hohlkörpers direkt neben dem Werkzeug und/oder im Werkzeug.
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Somit treten nach dem Erwärmen keine oder kaum Wärmeverluste durch den Transfer des Werkstückes in das Werkzeug auf. Insbesondere kann durch die Wärmebehandlung in Kombination mit dem Gasdruck im Inneren des Hohlkörpers vor dem Schließen des Werkzeuges bereits ein optimales Vorformen erzielt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens erfolgt das Erwärmen des Hohlkörpers durch ein induktives Erwärmen mittel einer Induktionsspule und/oder durch ein konduktives Erwärmen.
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Somit kann ein sehr schnelles und gleichmäßiges Erwärmen des Hohlkörpers erreicht werden. Insbesondere kann in kürzester Zeit eine Erwärmung auf die Austenitisierungstemperatur und/oder Härtetemperatur und/oder eine andere vorgegebene Temperatur erreicht werden.
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Eine „Induktionsspule“ ist insbesondere eine Spule, welche von nieder- und/oder mittelfrequentem Wechselstrom durchflossen wird und dadurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches im Werkstück und/oder Hohlkörper Wirbelströme induziert, wodurch das Werkstück und/oder der Hohlkörper insbesondere erwärmt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Wärme unmittelbar im Werkstück und/oder Hohlkörper selbst entsteht und nicht durch Wärmeleitung von einer Erwärmungseinrichtung zum Werkstück und/oder Hohlkörper übertragen werden muss. Für das induktive Erwärmen des Werkstücke und/oder Hohlkörpers ist insbesondere ein Spalt und/oder Abstand zwischen der Induktionsspule und/oder dem Werkstück und/oder dem Hohlkörper einzuhalten.
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Ein „konduktives Erwärmen“ (auch „Wärmeleitung“ genannt) ist insbesondere ein Erwärmen eines Werkstückes und/oder Hohlkörpers aufgrund eines Wärmeflusses in dem Werkstück und/oder Hohlkörper infolge eines Temperaturunterschiedes. Das konduktive Erwärmen eines Werkstückes kann beispielsweise in einem konventionellen Ofen und/oder durch direkte Leitung von Gleich- oder Wechselstrom durch das Werkstück erfolgen.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Bauteil, wobei das Bauteil nach einem zuvor beschriebenen Verfahren gefertigt ist.
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Somit kann ein Bauteil direkt durch Warmumformen ohne einen vorgelagerten Vorformschritt gefertigt werden.
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Es ist besonders vorteilhaft, dass ein höherfestes hohles Bauteil in hoher Qualität fertigbar ist, wobei das Bauteil insbesondere schärfere Konturen und/oder Geometrien mit schärferen Kantenrundungen aufweist. Dadurch ist ein sehr kleiner Eckradius auf bis zu dem Einfachen der Wanddicke des Bauteils erzielbar. Zusätzlich besteht eine geringere Abstreckung und/oder Ausdünnung des Materials in den Ecken, eine gleichmäßige Wanddickenverteilung ohne lokale Ausdünnungen und somit eine geringere Gefahr der Rissbildung.
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Folglich sind kompliziertere Geometrien und neue Anwendungen des Bauteils möglich.
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In einer Ausführungsform der Presse weist die Presse eine Gaszufuhr und/oder eine Steuereinrichtung mindestens für den Gasdruck auf.
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Dadurch kann in der Presse gezielt die Gaszufuhr und/oder der Gasdruck und/oder das Gasvolumen und/oder ein anderer relevanter Parameter des Gases eingestellt werden. Dadurch können Gasdruckschritte verwendet und ein optimales Vorformen und/oder Stützen und/oder Umformen und/oder Pressen des Hohlkörpers erzielt werden.
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Eine „Steuereinrichtung“ ist eine Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Größe und/oder eines Parameters. Die Steuereinrichtung beeinflusst insbesondere gezielt das Gas und/oder Parameter des Gases wie den Gasdruck und/oder das Gasvolumen. Beim Steuern durch die Steuerungseinrichtung beeinflussen insbesondere eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen. Beim „Regeln“ durch die Steuereinheit wird insbesondere fortlaufend eine Größe (Regelgröße) erfasst und mit einer anderen Größe (Führungsgröße) verglichen und zur Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst.
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Um eine kurze Transferzeit des erwärmten Werkstückes zu realisieren und/oder um eine Abkühlung des erwärmten Werkstückes zu vermeiden, weist die Presse eine induktive Erwärmungseinrichtung und/oder eine konduktive Erwärmungseinrichtung direkt neben dem Werkzeug und/oder im Werkzeug auf.
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Somit werden Handhabungseinrichtungen zum Transfer des Werkstückes, wie beispielsweise Transportschienen und Greifer, eingespart oder zumindest in ihrer Anzahl verringert. Zudem kann auch ein sehr langer Ofen eingespart und die Erwärmungseinrichtung platzsparend direkt neben dem Werkzeug und/oder in dem Werkzeug angeordnet werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Presse mit geöffnetem Werkzeug und eine neben dem Werkzeug angeordnete induktive Erwärmungseinrichtung mit einem unbeschichteten Rohr und
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2 eine schematische Schnittdarstellung der Presse mit geöffnetem Werkzeug und ein in die Werkzeugunterhälfte eingelegtes, erwärmtes Rohr unter Zufuhr eines Gasdrucks und
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3 eine schematische Schnittdarstellung einer Presse mit geschlossenem Werkzeug zum Umformen des erwärmten Rohrs unter Gasdruck.
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Eine Presse 101 weist einen Antrieb 102 und eine Stößel 104 auf. An dem Stößel 104 ist ein Werkzeughalter 105 angeordnet, welcher die Werkzeugoberhälfte 106 aufweist. Die Werkzeugunterhälfte 108 ist an einem Pressentisch 109 angeordnet. Entlang der Innenkontur der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 sind jeweils Wasserkühlungen 115 innerhalb der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 geführt.
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An der Werkzeugunterhälfte 108 ist ein erster axialer Dichtstempel 110 angeordnet, welcher eine Stickstoffzufuhr 112 aufweist.
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Neben der Werkzeugunterhälfte 108 ist eine induktive Erwärmungseinrichtung 113 angeordnet, welche entlang ihrer Innenkontur Induktionsspulen 140 aufweist. Des Weiteren weist die Presse 101 einen zweiten axialen Dichtstempel 111 und Transportschienen 116 und 117 auf.
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Folgende Arbeitsgänge werden mit der Presse 101 zum Fertigen eines hohlen Gehäuses als Bauteil realisiert:
In der Presse 101 sind die Werkzeugoberhälfte 106 und die Werkzeugunterhälfte 108 geöffnet. Ein unbeschichtetes Rohr 107 aus 22MnB5 wird in die Presse 101 eingebracht und in die induktive Erwärmungseinrichtung 113 eingelegt.
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Mittels der Induktionsspulen 114 der induktiven Erwärmungseinrichtung 113 wird das eingelegte unbeschichtete Rohr 107 innerhalb von drei Sekunden auf 930°C erwärmt.
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Nach dem Erwärmen wird das erwärmte Rohr 107 mittels der Transportschiene 116 in die Werkzeugunterhälfte 108 eingelegt. Die Werkzeugoberhälfte 106 und die Werkzeugunterhälfte 108 bleiben geöffnet. Anschließend werden der erste axiale Dichtstempel 110 und der zweite axiale Dichtstempel 111 gegen die offenen Enden des erwärmten Rohres 107 mittels nicht gezeigter Hydraulikzylinder verfahren und dichten das Rohr 107 ab. Über die Stickstoffzufuhr 112 des ersten axialen Dichtstempels 110 wird als Druckmedium Stickstoff in das Innere des erwärmten Rohrs 107 eingeführt. Dabei wird über eine nicht gezeigte Steuer- und Regelungseinrichtung schrittweise ein Gasdruck von 200bar aufgebaut. Dadurch wird das erwärmte Rohr 107 vorgeformt und aufgeweitet.
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Nach Abschluss des Vorformens werden die Werkzeugoberhälfte 106 und die Werkzeugunterhälfte 108 geschlossen, wobei durch den Gasdruck des Stickstoffes innerhalb des erwärmten Rohrs 107 dieses gestützt und ein Kollabieren des Rohres 107 verhindert wird. Hierdurch findet das Umformen des Rohres 107 im Wesentlichen beim Schließen der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 aufgrund des Zusammenspiels aus dem Gasdruck und der Schließbewegung der Presse 101 statt.
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Hierbei wird auf die Werkzeugoberhälfte 106 und die Werkzeugunterhälfte 108 eine Presskraft von 35.000 kN aufgebracht. Der erste axiale Dichtstempel 110 und der zweite axiale Dichtstempel 111 verfahren weiter gegen die Rohrenden des erwärmten Rohrs 107, sodass das Rohr 107 gestaucht wird. Währenddessen erfolgt durch das Druckmedium Stickstoff der axiale Materialfluss und die weitere Aufweitung des erwärmten Rohres 107 sowie das Anlegen des erwärmten Rohres 107 an die Innenkontur der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108.
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Beim Schließen der Presse nimmt der Stößelweg des Stößels 104 mit der Zeit auf Null bei vollständig geschlossener Presses 101 ab, während der Gasdruck im Inneren des Rohres 107 stark bis zu einem Kalibrierdruck ansteigt. Durch Einstellen des Kalibrierdrucks von 700bar durch die nicht gezeigte Steuer- und Regelungseinrichtung wird das erwärmte Rohr 107 passgenau ausgeformt, sodass es als seine Außenkontur die Innenkontur der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 annimmt.
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Anschließend wird das erwärmte und umgeformte Rohr 107 mittels der Wasserkühlungen 115 über die Werkzeugwände der geschlossenen Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 innerhalb von 10 Sekunden abgekühlt, wobei ein gleichmäßiges Härten des umgeformten Rohres 107 unter Martensitbildung erfolgt.
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Nachfolgend wird die Presskraft in der Presse 101 entlastet und die Werkzeugoberhälfte 106 und die Werkzeugunterhälfte 108 werden geöffnet. Der erste axiale Dichtstempel 110 und der zweite axiale Dichtstempel 111 werden nach außen verfahren und mittels eines nicht gezeigten Greifers wird das gehärtete und umgeformte Rohr 107 auf die Transportschiene 117 und mittels der Transportschiene 117 aus der Presse 101 gebracht.
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Dadurch liegt ein aus dem unbeschichteten Rohr 107 durch Vorformen, Umformen und Härten innerhalb einer Presse 101 gefertigtes hohles Gehäuse (nicht gezeigt) als Bauteil vor. Bei dem gefertigten Gehäuse handelt es sich um ein hochfestes, qualitativ hochwertiges Bauteil mit scharfen Kantenrundungen, wobei ein sehr kleiner Eckradius in der Größenordnung der Wanddicke des Bauteils vorliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Presse
- 102
- Antrieb
- 104
- Stößel
- 105
- Werkzeughalter
- 106
- Werkzeugoberhälfte
- 107
- unbeschichtetes Rohr
- 108
- Werkzeugunterhälfte
- 109
- Pressentisch
- 110
- Erster axialer Dichtstempel
- 111
- Zweiter axialer Dichtstempel
- 112
- Stickstoffzufuhr
- 113
- induktive Erwärmungseinrichtung
- 114
- Induktionsspule
- 115
- Wasserkühlung
- 116
- Transportschiene
- 117
- Transportschiene
