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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug für ein Presshärtwerkzeug mit einer formgebenden Oberfläche, an der ein Rohling zum Zwecke seiner Umformung anliegt.
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Presshärtwerkzeuge sind Werkzeuge mit denen Metallrohlinge umgeformt und gehärtet werden. Für die Zwecke des Härtens wird je nach Ausgestaltung des Verfahrens ein entsprechend vorerwärmter Rohling dem Presshärtwerkzeug zugeführt, darin umgeformt und während der Umformung zu seiner Härtung hinreichend rasch abgekühlt. Eingesetzt werden derartige Presshärtwerkzeuge beispielsweise zum Herstellen von Strukturbauteilen von Kraftfahrzeugen. Bei den Rohlingen handelt es sich üblicherweise um Stahlblechplatinen.
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Die Umformraten der durch ein solches Presshärtwerkzeug umzuformenden Platinen sind mitunter beträchtlich. Zudem können die umgeformten Rohlingen enge Radien aufweisen. Zum Zwecke eines Korrosionsschutzes sind die dem Umformprozess zu unterwerfenden Stahlplatinen mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichtet, beispielsweise verzinkt oder mit Zink/Nickel oder mit Zink/Aluminium beschichtet, tragen mithin eine Beschichtung, die zusammen mit der Stahlplatine dem Umform- und Härtprozess unterworfen ist. Bei einem Einsatz derartiger korrosionsgeschützter Platinen hat sich allerdings gezeigt, dass diese nur mit einem beschränkten Umformgrad umgeformt werden können, ohne dass die Zinkbeschichtung Schaden nimmt. Insbesondere entstehen in einem derartig beschichteten Stahlblech Mikrorisse in der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung die durch die gesamte Korrosionsschutzschicht gehen und auch bis ins Grundmaterial hineinreichen kann. Dadurch kann unter bestimmten Bedingungen die Funktion des Bauteils beeinträchtig werden. Der Einsatz von verzinkten Platinen als Rohlinge ist gegenüber einer Korrosionsschutzbeschichtung des pressgehärteten Halbzeuges bevorzugt.
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Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Werkzeug dergestalt weiterzubilden, dass mit diesem auch Zink beschichtete Stahlplatinen als Rohlinge mit höheren Umformraten und mit relativ engen Radien umgeformt bzw. pressgehärtet werden können. Hauptsächlich entstehen die Mikrorisse in denjenigen Bereichen, wo sich beim Umformen Zug- und Druckspannungen überlagern.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Werkzeug, bei dem die formgebende Oberfläche des Werkzeuges zumindest bereichsweise durch in die Formoberfläche eingebrachte Mikrovertiefungen mikrostrukturiert ist und dadurch die für die Umformung eines Rohlings effektive Kontaktfläche zwischen der Formoberfläche mit einem Rohling auf die zwischen den Vertiefungen befindlichen Flächenanteile beschränkt ist.
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Dieses Werkzeug weist zumindest bereichsweise eine mikrostrukturierte Oberfläche auf. Wenn nicht die gesamte Formoberfläche des Werkzeuges eines derartige Mikrostrukturierung aufweist, befinden sich die mikrostrukturierten Bereiche jedenfalls in denjenigen Formoberflächenbereichen, an denen die typischerweise einer Beschädigung der Zinkbeschichtung unterworfenen Bereiche des Rohlings anliegen. Die Mikrostrukturierung wird durch in die Formoberfläche eingebrachte Mikrovertiefungen erreicht. Die Mikrostrukturierung ist typischerweise dergestalt ausgeführt, dass sich hierdurch die Oberflächenstruktur des Rohlings nicht oder zumindest nicht visuell wahrnehmbar von derjenigen Oberfläche unterscheidet, die mit einem herkömmlichen Werkzeug ohne eine derartige Mikrostrukturierung erzielt wird. Durch diese Maßnahme ist bei diesem Werkzeug die effektive Kontaktfläche zwischen der Formoberfläche und einem Rohling auf die gegenüber den Vertiefungen hoch stehenden Bereiche beschränkt. Mithin ist die effektive Kontaktfläche der mikrostrukturierten Formoberfläche mit dem Rohling gegenüber der Fläche des mikrostrukturierten Formoberflächenbereiches reduziert. In Folge der reduzierten Kontaktfläche ist dementsprechend auch die auf die Oberfläche des daran anliegenden Rohlings wirkende Reibung entsprechend geringer. Es wird angenommen, dass hierin die mit dem Werkzeug erzielbaren Vorteile begründet sind. Es war überraschend festzustellen, dass mit einer derartigen Formoberfläche auch zinkbeschichtete Stahlplatinen einen Presshärtvorgang unterworfen werden können, bei dem beträchtliche Umformraten und Werkstücke mit engen Radien hergestellt werden konnten, ohne dass die Zinkbeschichtung nicht mehr zulässige Beschädigungen aufgewiesen hat.
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Die Mikrostrukturierung der Formoberfläche bzw. des oder der Formoberflächenbereiche wird typischerweise durch ein Mikroschmiedeverfahren, etwa im Wege eines Klopfprozesses erstellt. Von Vorteil bei einem solchen Prozess ist, dass nicht nur die Mikrovertiefungen als solche in die Werkzeugoberfläche eingebracht werden können, sondern sich zugleich durch diesen Prozess eine Kaltverfestigung und damit eine zusätzliche Härtung des diesbezüglich behandelten Formoberflächebereiches einstellt. Der Klopfprozess lässt sich besonders gut mit dem in
WO 2007/016919 A1 beschriebenen Verfahren durchführen, wobei jedoch im Unterschied zu dem in diesem Stand der Technik beschriebenen kugelförmigen Klopfwerkzeuges ein spitzes Klopfwerkzeug eingesetzt wird. Durch diese explizite Bezugnahme auf
WO 2007/016919 A1 wird das darin beschriebene Klopfverfahren zum Offenbarungsgehalt dieser Ausführungen gemacht.
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Ein solches, mit einer Spitze versehenes Klopfwerkzeug kann als Kegelspitze, Pyramidenspitze oder dergleichen ausgeführt sein. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der der Klopfkörper und dementsprechend die damit erstellten Mikrovertiefungen gleichseitige Umrissflächen aufweisen, mithin beispielsweise quadratisch oder nach Art einer Raute ausgeführt sind. Ebenfalls ist die Ausbildung von Vertiefungen mit mehr als vier Seiten möglich. Die Konzeption von Vertiefungen mit geraden Seitenflächen hat zur Folge, dass die zwischen den Vertiefungen verbleibenden Stege als Hochbereiche eine gleich bleibende Stegbreite aufweisen. Dem zur Folge ist die effektive Kontaktfläche zwischen zwei Vertiefungen über deren Erstreckung und damit die Reibung zwischen diesen Abschnitten und dem umzuformenden Rohling gleich.
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Die Vertiefungen wird man typischerweise nach Art eines geometrischen Rasters ausführen, zumindest weitgehend an ein solches Raster angenähert. Je nach Auslegung des Rasters und damit der Größe der Vertiefungen im Durchmesser sowie dem Abstand der Vertiefungen voneinander kann die effektive Kontaktfläche des oder der mikrostrukturierten Formoberflächenbereiche eingestellt werden. Dabei versteht es sich, dass bereits geringe Reduzierungen in der effektiven Kontaktfläche zu einer Reibungsverringerung und damit zu der Möglichkeit führen, beispielsweise zinkbeschichtete Stahlplatinen mit größeren Umformraten umzuformen. Auf der anderen Seite wird verständlich, dass die zwischen den Vertiefungen verbleibenden Stege, deren Oberseite die effektive Formoberfläche darstellt, nicht auf ein absolutes Minimum reduziert werden können, da dann die Formoberfläche nicht mehr die notwendige Werkzeugstabilität aufweisen würde. Es hat sich gezeigt, dass mit einer Reduzierung der effektiven Kontaktfläche des oder der mikrostrukturierten Formoberflächenbereiche auf 70% Halbzeuge mit den gewünschten Umformraten und den gewünschten, auch engen Radien hergestellt werden können, ohne dass die Zinkbeschichtung den Korrosionsschutz beeinträchtigende Veränderungen erfährt. Als besonders zweckmäßig wird eine Kontaktfläche angesehen, die 60% bis 65% des mikrostrukturierten Formoberflächenbereiches entspricht. Für den Fall, dass der Umformprozess mit einer Schmiermittelunterstützung durchgeführt wird, brauchen die mikrostrukturierten Formoberflächenbereiche nur eine effektive Kontaktfläche von 80% bis 85% des mikrostrukturierten Formoberflächenbereiches aufweisen.
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Weitere Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren Es zeigen:
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1: Eine schematisierte Seitenansicht eines Werkzeuges als Teil eines Presshärtwerkzeuges,
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2: eine stark vergrößerte Draufsicht auf einen Ausschnitt aus der Formoberfläche des Werkzeuges der 1 und
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3: einen Schnitt durch den Ausschnitt der Formoberfläche entlang der Linie A-B der 2.
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Ein Werkzeug 1 ist Teil eines im Übrigen nicht näher dargestellten Presshärtwerkzeuges, vorgesehen etwa zum Herstellen eines Kraftfahrzeugstrukturbauteils. Mit dem Presshärtwerkzeug wird ein Rohling, im vorliegenden Fall ein verzinkter Stahlblechrohling in einem Arbeitsgang umgeformt und gehärtet. Dass in 1 gezeigte Werkzeug verfügt über eine Formoberfläche 2, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine einfache Geometrie aufweist. Mit dem Werkzeug 1 lassen sich an der Formoberfläche 2 mit einem nicht dargestellten komplementären Gegenwerkzeug aus ebenen Stahlblechplatinen als Rohlungen U-förmige Träger herstellen.
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Von Besonderheit bei dem Werkzeug 1 ist die Konzeption seiner Formoberfläche 2. Diese ist im Wege eines Mikroschmiedeverfahrens mikrostrukturiert, und zwar, wie aus 2 in einer stark vergrößerten Draufsicht auf die Formoberfläche 2 des Werkzeuges 1 ersichtlich, durch Einbringen von quadratischen bzw. rautenförmigen Mikrovertiefungen 3. Die Vertiefungen 3 sind voneinander unter Belassung jeweils eines Steges 4 gleichmäßig beabstandet. Die Vertiefungen 3 sind nach Art eines Rasters zueinander angeordnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Vertiefungen 3 mit einer Ecke in die erwartete Bewegungsrichtung eines an der Formoberfläche 2 umzuformenden Rohlings. Die Mikrovertiefungen 3 des dargestellten Ausführungsbeispiels weisen einen Durchmesser von etwa 5 μm auf.
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3 zeigt in einem Querschnitt den Ausschnitt der Formoberfläche 2 mit den darin eingebrachten Mikrovertiefungen 3 und die zwischen den Mikrovertiefungen 3 befindlichen Stege 4. Die Oberseite der Stege 4 stellt die Hochbereiche dar und bildet die ursprüngliche Formoberfläche 2 ab, bevor in diese die Mikrovertiefungen 3 eingebracht worden sind.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die gesamte Formoberfläche 2 des Werkzeuges 1 in der beschriebenen Art und Weise mikrostrukturiert. Es versteht sich, dass es prinzipiell ausreichend ist, nur diejenigen Bereiche bzw. Abschnitte der Formoberfläche eines solchen Werkzeuges mit einer solchen Mikrostrukturierung zu versehen, an denen eine besondere Reibung zwischen der Formoberfläche 2 und der Oberfläche eines mittels des Werkzeuges 1 umzuformenden Rohlings zu erwarten ist.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die durch die Vertiefungen
3 eingebrachte Mikrostrukturierung im Wege eines Klopfverfahrens in die ursprüngliche Formoberfläche des Werkzeuges
1 eingebracht worden. Verwendet worden ist hierzu das aus
WO 2007/016919 A1 beschriebene Verfahren unter Verwendung eines pyramidenförmigen Klopfwerkzeuges.
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Bei einer Verwendung des Werkzeuges 1 liegt der Rohling nur an den durch die Stege 4 gebildeten Hochbereichen der Formoberfläche 2 an. Infolge der Dimensionierung der Vertiefungen 3 wird im Zuge des Press- und Umformvorganges der Rohling 3 nicht in die Vertiefungen 3 eingedrückt. Vielmehr verbleibt die Oberfläche des mit dem Werkzeug 1 presszuhärtenden Rohlings – insbesondere einer verzinkten Stahlblechplatine – zumindest visuell unverändert. Aus der Draufsicht auf einen auf einen stark vergrößerten Ausschnitt der Formoberfläche 2 in 2 wird deutlich, dass infolge der Mikrovertiefungen 3 die durch die Oberseite der Stege 4 effektive Kontaktfläche, die die Formoberfläche 2 bereitstellt und an der ein Rohling zu seiner Umformung anliegt bzw. angelegt wird, gegenüber der eigentlichen Fläche der Formoberfläche 2 nicht unerheblich reduziert ist.
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Die Mikrovertiefungen 3 des dargestellten Ausführungsbeispiels sind nach Art eines Rasters und daher in einer regelmäßigen Anordnung vorgesehen. Es versteht sich, dass dieselben Vorteile auch mit einem Werkzeug erreicht werden können, bei dem die Mikrovertiefungen eine unregelmäßige Verteilung auf der mikrostrukturierten Oberfläche des Werkzeuges aufweisen.
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Mit dem Werkzeug 1 als Teil eines Presshärtwerkzeuges können aufgrund der Mikrostrukturierung seiner Formoberfläche 2 die damit zu erstellenden Kraftfahrzeugstrukturbauteile aus verzinkten Stahlblechplatinen hergestellt werden, wobei im Zuge des Presshärtverfahrens die Zinkbeschichtung – wenn überhaupt – keine nicht mehr tolerable Beschädigung erfährt.
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In einer in den Figuren nicht dargestellten Ausgestaltung ist vorgesehen, in die Mikrovertiefungen ein Schmiermittel einzubringen, durch welches die Reibung zwischen Formoberfläche und umzuformenden Rohling weiter reduziert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel dienen die Mikrovertiefungen 3 somit zum einen zum Reduzieren der effektiven Kontaktfläche gegenüber der ursprünglichen Fläche der Formoberfläche und zum anderen als Depot für ein Schmiermittel. Bei dieser Ausgestaltung ist es daher nicht unbedingt notwendig, zusätzlich ein Schmiermittel in den Presshärtvorgang einzubringen, sollte dieses gewünscht sein.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben worden. Für einen Fachmann ergeben sich aus dem Offenbarungsgehalt dieser Beschreibung weitere Möglichkeiten die Erfindung im Umfange der geltenden Ansprüche verwirklichen zu können, ohne dass dieses detailliert im Einzelnen näher dargelegt werden müsste.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeug
- 2
- Formoberfläche
- 3
- Vertiefung
- 4
- Steg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/016919 A1 [0007, 0007, 0018]
