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Die Erfindung betrifft ein Warmumformwerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Warmumformwerkzeugs gemäß Anspruch 10.
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Eine Anlage zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Blechbauteils weist bekanntermaßen zum Beispiel einen Durchlaufofen, ein Warmumformwerkzeug zur Warmumformung und Presshärtung des Blechbauteils sowie eine Ablagestation auf, in der die Blechbauteile gelagert werden.
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Aus der
DE 10 2014 107 210 A1 ist ein gattungsgemäßes Warmumformwerkzeug für eine solche Pressenanlage bekannt. Das Warmumformwerkzeug weist ein Unterwerkzeug auf, das zweiteilig mit einem Formsegment und einem Werkzeug-Grundkörper ausgebildet ist. Das Formsegment ist im Presshärteschritt mit seiner Werkzeug-Funktionsfläche in Anlage mit einem Stahlblechbauteil. Der Werkzeug-Grundkörper trägt das Formsegment. Im Hinblick auf eine nach dem Presshärteschritt erfolgende aktive Kühlung des Stahlblechbauteils weist das Unterwerkzeug kühlmitteldurchströmte Kühlkanäle auf. Auf diese Weise wird eine schnelle Abkühlrate der warmumgeformten Bauteile zur Erreichung der geforderten Gefügeeigenschaften und zur Taktzeitreduzierung in der Serienfertigung erzielt. Die Kühlkanäle des Unterwerkzeugs müssen, bedingt durch Ablagerungen sowie aufgrund von Korrosion, regelmäßig gereinigt werden. Hierzu muss das Unterwerkzeug aus- und wieder eingebaut werden, was sich taktzeitverlängernd auswirkt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Warmumformwerkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Warmumformwerkzeugs bereitzustellen, mittels dem der Aufwand zur Instandhaltung des Warmumformwerkzeugs reduzierbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 sind die für die aktive Kühlung bereitgestellten Kühlkanäle ausschließlich in dem Werkzeug-Grundkörper ausgebildet. Demgegenüber ist das Formsegment ohne aktive Kühlung, das heißt frei von Kühlkanälen, ausgebildet. Auf diese Weise erfolgt der Wärmetransport von der Werkzeug-Funktionsfläche zum kühlmitteldurchströmten Werkzeug-Grundkörper alleine durch das Material des Formsegments. Bei einem solchen Werkzeug-Aufbau kann die Korrosion im Formsegment verhindert werden, wodurch sich der Aufwand zur Instandhaltung des Werkzeugs reduziert und entsprechend eine Taktzeitreduzierung erzielt wird.
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Die Erfindung betrifft einen modularen Aufbau und die Herstellung von zumindest einem Werkzeugteil (das heißt ein Werkzeug-Oberteil und/oder ein Werkzeug-Unterteil) für ein Warmumformwerkzeug. Das Werkzeugteil besteht aus zwei Einheiten: eine Grund- bzw. Aufbauplatte (nachfolgend als Werkzeug-Grundkörper bezeichnet) mit aktiver Kühlung (zum Beispiel eine Wasserkühlung mittels Bohrungen) und aus einem Werkzeugelement beziehungsweise einem Werkzeug-Backen (nachfolgend als Formsegment bezeichnet) aus unterschiedlichen Materialien. Der Werkzeug-Grundkörper ist generisch für jedes Warmumformwerkzeug einsetzbar. Das Formsegment ist dagegen bauteilspezifisch ausgelegt und enthält keine aktive Kühlung (beispielsweise Wasserkühlung). Die Kühlwirkung oder der Wärmetransport von der Werkzeug-Funktionsfläche zum Werkzeug-Grundkörper wird durch den Materialmix (das heißt durch die unterschiedlichen Materialien) im Formsegment realisiert. Dabei wird für eine Decklage, an der die Werkzeug-Funktionsfläche ausgebildet ist, ein verschleißbeständiges Material verwendet. Für den Kern des Werkzeuges (nachfolgend als Segment-Kern bezeichnet) wird ein hoch wärmeleitendes Material, wie etwa Kupfer, verwendet.
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Die Herstellung des Formsegments aus dem Materialmix kann auf verschieden Arten erfolgen. Eine Variante ist das Einbringen des Füllmaterials durch Eingießen in die als schalenförmiges Profilteil ausgebildete Decklage. Dabei kann das schalenförmige Profilteil auch Stützstrukturen beinhalten. Eine weitere Variante ist der generative Aufbau des Segment-Kerns mit Schale im Materialmix (zum Beispiel durch Kaltgasspritzen). Eine weitere Variante ist das Einschrumpfen oder Einpressen (Presspassung, Übergangspassung) des als Wärmeleitelement dienenden Segment-Kerns in den Schalen-Hohlraum des vorbereiteten schalenförmigen Profilteils. Dies kann durch das Erwärmen des schalenförmigen Profilteils und der gleichzeitigen Abkühlung des Segment-Kerns erfolgen. Der Segment-Kern kann unterschiedliche Geometrien (zylinderförmig oder quaderförmig) aufweisen und aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Zudem muss die Grundfläche (Sohle) des Segment-Kerns in flächigem Kontakt zum kühlmitteldurchströmten Werkzeug-Grundkörper sein.
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Mit den obigen Herstellungsvarianten wird die Anfertigung des Werkzeugteils, insbesondere die mechanische Bearbeitung, und die Prozesszeit, durch verbesserte Kühlung und Wärmeableitung, verkürzt.
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Die wesentlichen Aspekte der Erfindung sind wie folgt: modularer Aufbau durch Verwendung eines gekühlten generischen Werkzeug-Grundkörpers mit aktiver Kühlung und eines bauteilspezifischen Formsegments ohne aktive Kühlung; Umformsegment des Werkzeugteils besteht aus einem Materialmix, etwa einem gegossenen oder ausgefrästen schalenförmigen Profilteil aus Warmarbeitsstahl für die Werkzeug-Funktionsfläche und zum Beispiel Kupfer für den Segment-Kern, um eine gute Wärmeableitung zu gewährleisten; Einbringen des Segment-Kerns durch Einschrumpfen oder Einpressen. Zudem kann das schalenförmige Profilteil nach den aktuellen fertigungsgerechten und strukturellen Konstruktionsleichtbau-Richtlinien optimal ausgelegt werden und eine optimale Form zur Wärmeabfuhr vorgeben. Eine weitere Möglichkeit der Füllung des schalenförmigen Profilteils ist deren generativer Aufbau mittels Kaltgasspritzen, wobei gleichzeitig Multi-Layer-Materialien aufgebaut werden können. Alternativ und/oder zusätzlich kann der Schalen-Hohlraum des schalenförmigen Profilteils unter Verwendung von Laserauftragsschweißen gefüllt werden. Das Füllen (das heißt zum Beispiel das Eingießen von hoch wärmeleitfähigem Material) des schalenförmigen Profilteils kann durch eine konische Form beziehungsweise durch eine schräg angestellte Wand des schalenförmigen Profilteils erfolgen. Dies bewirkt nicht nur eine adhäsive oder stoffschlüssige Verbindung des Stahlgusses oder Werkzeugstahls, sondern darüber hinaus auch eine formschlüssige Verbindung.
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Um eine ausreichende Druckfestigkeit des Werkzeugteils zu gewährleisten, ist es bevorzugt, wenn das schalenförmige Profilteil mit innenliegenden Stützstrukturen ausgeführt ist. Erfindungswesentlich ist, dass - aufgrund der ausschließlichen aktiven Kühlung in dem Werkzeug-Grundkörper - keine Korrosion in dem Formsegment stattfindet. Zudem kann in das schalenförmige Profilteil gezielt der als Wärmeleitelement wirkende Segment-Kern zur Einstellung von spezifischen, lokalen Bauteileigenschaften eingebracht werden.
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Eine erfindungsgemäße Prozesskette zur Herstellung des Formsegments des Werkzeugteils kann wie folgt sein: Zunächst wird ein generischer Werkzeug-Grundkörper mit aktiver Kühlung angefertigt. Unabhängig davon wird in einem separaten Prozessschritt die formgebende Decklage des Formsegments mit zumindest einer Ausnehmung für den als Wärmeleitelement dienenden Segment-Kern angefertigt. Anschließend kann eine Wärmebehandlung der Decklage erfolgen (das heißt ein Härten und/oder Anlassen). Danach kann der als Wärmeleitelement dienende Segment-Kern in die Ausnehmung der Decklage eingebracht werden. Die Prozesskette endet mit einer Fertigbearbeitung des so hergestellten Formsegments.
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Alternativ dazu kann die schalenförmige Decklage, gegebenenfalls einschließlich einer Stützstruktur, mit umlaufend definiertem Bearbeitungsaufmaß angefertigt werden, wobei die gestrahlte Gusshaut im Inneren der schalenförmigen Decklage nicht mechanisch bearbeitet werden muss. Danach erfolgt ein Ausgießen oder ein generativer Aufbau der Schalenform mit einem zweiten, anderen hoch wärmeleitfähigen Werkstoff, zum Beispiel Kupfer und dessen Legierungen. Anschließend erfolgt eine Fertigbearbeitung des so hergestellten Werkzeugsegments.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere in den geringeren Anfertigungskosten der Formsegmente durch geringere Anfertigungszeit und -aufwand, sowie in der geringeren Zuhaltezeit durch höhere Kühlleistung und eine dadurch erzielte höhere Ausbringung durch Verringerung der Taktzeiten, und in der Erreichung einer besseren Abdichtung der Kühlkanäle im Vergleich zur Schale-Kern- und Schichtbauweise sowie der Erreichung höherer Festigkeiten der Formsegmente, wenn keine Kühlkanäle eingebracht wurden.
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Nachfolgend sind Erfindungsaspekte im Einzelnen hervorgehoben: So kann das Formsegment einen zumindest zweiteiligen Materialaufbau aufweisen, und zwar mit einem Segment-Kern und einer, den Segment-Kern überdeckenden Decklage, an der die Werkzeug-Funktionsfläche ausgebildet ist. Die Materialauswahl bei der Decklage und beim Segment-Kern kann im Hinblick auf deren jeweilige Funktion optimiert werden. So kann die Decklage aus einem verschleißbeständigen Material, insbesondere aus Warmarbeitsstahl, gefertigt sein. Demgegenüber kann der Segment-Kern aus wärmeleitfähigem Material, insbesondere Kupfer, gefertigt sein.
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Im Hinblick auf eine einfache Herstellung kann das Werkzeugteil die folgende BauteilGeometrie aufweisen: Demnach kann die Decklage ein schalenförmiges Profilteil sein, das insbesondere in einem Gießverfahren oder durch Spanbearbeitung (zum Beispiel Fräsen) hergestellt wird. Der Segment-Kern kann durch unterschiedliche Prozessvarianten in den Schalen-Hohlraum des schalenförmigen Profilteils eingesetzt werden, beispielsweise durch ein Einpressen oder mit Hilfe eines thermischen Schrumpfungsverfahrens, bei dem der in einem Kaltzustand bereitgestellte Segment-Kern in den Schalen-Hohlraum des in einem heißen Zustand bereitgestellten schalenförmigen Profilteils eingesetzt wird.
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Alternativ dazu kann der, das schalenförmige Profilteil füllende Segment-Kern einen mittels Kaltgasspritzen und/oder mittels Laserauftragsschweißen erzeugten generativen Aufbau aufweisen. In einem alternativen Herstellungsprozess kann das hochwärmeleitfähige Material des Segment-Kerns in einem Gießverfahren in flüssiger Form in den Schalen-Hohlraum des schalenförmigen Profilteils eingegossen werden. In diesem Fall wird zwischen dem schalenförmigen Profilteil und dem Segment-Kern eine adhäsive oder stoffschlüssige Verbindung bereitgestellt.
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Zur Steigerung der Verbindungsfestigkeit zwischen dem schalenförmigen Profilteil und dem Segment-Kern kann der Schalen-Hohlraum des schalenförmigen Profilteils zumindest eine Hinterschneidung aufweisen, zum Beispiel eine schräggestellte oder konusförmige Profilwand. In diesem Fall kann neben der Stoffschlussverbindung zusätzlich eine Formschlussverbindung zwischen dem schalenförmigen Profilteil und dem Segment-Kern bereitgestellt werden.
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Im Hinblick auf eine gesteigerte Druckfestigkeit des Formsegments ist es von Vorteil, wenn im Schalen-Hohlraum des schalenförmigen Profilteils innenliegende Stützstrukturen ausgebildet sind, zum Beispiel Fachwerkstrukturen oder dergleichen.
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Im Zusammenbauzustand kann der Segment-Kern aus hochwärmeleitfähigem Material in unmittelbarem thermischen Kontakt mit dem kühlmitteldurchströmten Werkzeug-Grundkörper sein.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine Anlagenskizze, anhand der eine grundsätzliche Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils veranschaulicht ist;
- 2 bis 4 jeweils grob schematische Ansichten, anhand derer Prozessschritte zur Herstellung eines Werkzeugteils des Warmumformwerkzeugs veranschaulicht sind.
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In der 1 ist grob schematisch eine Anlage skizziert, anhand der zunächst die grundsätzliche Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils 1 erläutert ist. Die Anlage weist einen Durchlaufofen 3, ein Umformwerkzeug 5 zur Warmumformung und Presshärtung des Stahlblechbauteils 1 sowie eine Ablagestation 7 auf, in der die Stahlblechbauteile gelagert werden. Das Stahlblechbauteil 1 wird im Durchlaufofen 3 über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur erwärmt. Das so erwärmte Stahlblechbauteil 1 wird im Heißzustand in das Umformwerkzeug 5 transferiert und dort in einem Presshärteschritt warmumgeformt und zugleich abgekühlt. Die Abkühlung des umgeformten Stahlblechbauteils 1 erfolgt im Warmumformwerkzeug 5 mit einer schnellen Abkühlrate, um die geforderten Gefügeeigenschaften zu erreichen und zur Taktzeitreduzierung in einer Serienfertigung.
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Das Umformwerkzeug 5 weist in der 1 ein oberes Werkzeugteil 9 und ein unteres Werkzeugteil 11 auf. Im Hinblick auf eine schnelle Abkühlrate des warmumgeformten Stahlblechbauteils 1 sind in den beiden Werkzeugteilen 9, 11 kühlmitteldurchströmte Kühlkanäle 13 für eine aktive Kühlung integriert.
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Wie aus der 1 weiter hervorgeht, ist jedes der Werkzeugteile 9, 11 zweiteilig ausgeführt, und zwar aus einem Formsegment 15, das im Warmumformschritt mit seiner Werkzeug-Funktionsfläche 17 auf das Stahlblechbauteil 1 einwirkt, und mit einem Werkzeug-Grundkörper 19, der das Formsegment 15 trägt.
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Erfindungsgemäß sind in der 1 die für die aktive Kühlung bereitgestellten Kühlkanäle 13 alleine in dem Werkzeug-Grundkörper 19 ausgebildet. Das Formsegment 15 ist dagegen ohne aktive Kühlung, das heißt frei von Kühlmittelkanälen 13, ausgebildet. Der Wärmetransport von der Werkzeug-Funktionsfläche 17 zum kühlmitteldurchströmten Werkzeug-Grundkörper 19 führt also alleine durch das Material des Formsegments 15.
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Im Hinblick auf eine gesteigerte Wärmeleitfähigkeit ist das Formsegment 15 des jeweiligen Werkzeugteils 9, 11 als ein Materialmix aufgebaut, und zwar aus einem hochwärmeleitfähigen Segment-Kern 21 (bevorzugt Kupfer), der mit einer Decklage 23 aus verschleißbeständigem Material (bevorzugt Warmarbeitsstahl) überdeckt ist. Der Segment-Kern 21 ist in der 1 in unmittelbarem thermischen Kontakt mit dem Werkzeug-Grundkörper 19.
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Im Hinblick auf eine einfache Herstellung des Formsegments 15 wird nachfolgend auf die 2, 3, und 4 verwiesen. Gemäß der 2 ist die Decklage 23 des Formsegments 15 ein schalenförmiges Profilteil, das zum Beispiel in einem Gießverfahren oder durch Spanbearbeitung hergestellt wird. Der Segment-Kern 21 wird in der 2 als ein separates Bauteil vorgehalten und zum Beispiel durch Einpressen oder in einem thermischen Schrumpfungsverfahren in den Schalen-Hohlraum des schalenförmigen Profilteils eingesetzt.
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Alternativ dazu kann in der 3 oder 4 der Segment-Kern 21 in einem Gießprozess in den Schalen-Hohlraum des schalenförmigen Profilteils eingebracht werden. In dem Gießprozess wird das hochwärmeleitfähige Material 25 des Segment-Kerns 21 in flüssiger Form in den Schalen-Hohlraum des schalenförmigen Profilteils eingegossen. In der 3 weist das schalenförmige Profilteil im Schalen-Hohlraum eine innenliegende Fachwerkstruktur 29 auf. Mittels der Fachwerkstruktur 29 wird eine Druckfestigkeit des fertiggestellten Formsegments 15 gesteigert.
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Gemäß der 4 weist das schalenförmige Profilteil innenseitig Wand-Vorsprünge 27 auf, die Hinterschneidungen bilden. Auf diese Weise kann der eingegossene Segment-Kern 21 nicht nur in Stoffschlussverbindung mit dem schalenförmigen Profilteil sein, sondern zusätzlich auch über die Hinterschneidungen in Formschlussverbindung mit dem schalenförmigen Profilteil gebracht sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stahlblechbauteil
- 3
- Durchlaufofen
- 5
- Umformwerkzeug
- 7
- Ablagestation
- 9
- oberes Werkzeugteil
- 11
- unteres Werkzeugteil
- 13
- Kühlmittelkanäle
- 15
- Formsegment
- 17
- Werkzeug-Funktionsfläche
- 19
- Werkzeug-Grundkörper
- 21
- Segment-Kern
- 23
- Decklage
- 25
- hochwärmeleitfähiges Material
- 27
- Wandvorsprünge
- 29
- Stützstrukturen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014107210 A1 [0003]
- DE 102009018798 A [0004]
