EP2583766B1

EP2583766B1 - Umformung mit kühlung

Info

Publication number: EP2583766B1
Application number: EP11186218.1A
Authority: EP
Inventors: Reinhard Kaltner; Thomas Klier
Original assignee: Edag Werkzeug and Karosserie GmbH
Current assignee: Edag Werkzeug and Karosserie GmbH
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2031-10-21
Also published as: EP2583766A1; BR102012027090A2; BR102012027090B1; MX2012012182A

Description

Die Erfindung betrifft das Umformen erwärmter Metallbauteile und Kühlen der Metallbauteile in einem Umformwerkzeug. Die Bauteile können insbesondere Blechbauteile sein, die Erfindung ist jedoch nicht auf das Umformen und Abkühlen von Blechen beschränkt, sondern betrifft das Umformen erwärmter Bauteile aus Metall im Allgemeinen, soweit das jeweilige Bauteil in einer Umformpresse umgeformt wird. Bevorzugt werden ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Umformpresse zum Umformen und Abkühlen von ballistischen Bauteilen, also Panzerungsbauteilen wie insbesondere Panzerstahlblechen verwendet. Das Umformen kann insbesondere ein Warmumformen sein. Die GB 1 490 535 A offenbart ein Warmumformen und rasches Abkühlen von Stahlbauteilen in einer Umformpresse. Zum Abkühlen wird das Umformwerkzeug gekühlt, oder das umgeformte Bauteil in der Presse direkt mit dem Kühlmittel in Kontakt gebracht. Hinsichtlich der Kühlungseinrichtung wird darüber hinaus nichts offenbart.
Bei einer aus der EP 1 734 135 A2 bekannten Umformpresse befindet sich ein unteres Umformwerkzeug vollständig oder nur zu einem Teil in einem Kühlmittelbad, so dass im Falle vollständiger Bedeckung des unteren Umformwerkzeugs sowohl das Werkzeug als auch direkt das umzuformende Bauteil gekühlt werden, während bei nur teilweiser Bedeckung des Werkzeugs nur dieses und über das Werkzeug das Bauteil indirekt gekühlt wird. In derartigen Ausführungen muss in der Serienfertigung entweder das Kühlmittelbad gekühlt oder das Kühlmittel im Bad ausgetauscht werden. Darüber hinaus ist der bauliche Aufwand beträchtlich.
Des Weiteren sind Umformpressen bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2006 042 830 B3 und der WO 2010/061007 A1 , die Umformwerkzeuge mit integrierten Düsen aufweisen, mit denen Kühlmittel direkt auf das eingelegte Bauteil gesprüht werden kann. Die direkte Kühlung des Bauteils bei geschlossener Umformpresse ist problematisch, so dass die Umformpressen eher zum Kühlen bei geöffnetem Umformwerkzeug geeignet erscheinen. Die Fertigung der Umformwerkzeuge mit den integrierten Düsen und Kühlmittelzuführungen ist aufwändig.
Aus der WO 2008/086768 A1 ist ein gekühltes Umformwerkzeug zum Presshärten von Blechbauteilen bekannt, bei dem eine Matrize und ein Stempel jeweils an einer vom umzuformenden Bauteil abgewandten Rückseite mit einem Kühlmittel gekühlt werden. An der Rückseite der Matrize und der Rückseite des Stempels ist jeweils eine Trägerplatte angeordnet und mit dem Stempel bzw. der Matrize fest verbunden. Die Kühlung des Stempels und der Matrize erfolgt mittels Kühlkanälen, die in einer Kontaktfläche zwischen dem Stempel bzw. der Matrize und der jeweils angrenzenden Trägerplatte geformt sind. Die Kontaktflächen an den Rückseiten von Stempel und Matrize sind jeweils mittels einer die Kühlkanäle umgebenden Dichtung abgedichtet. Um mit dieser Umformpresse eine wünschenswert hohe Fertigungsrate in Serienproduktionen erzielen zu können, muss pro Bauteil eine erhebliche Kühlmittelmenge durch die Kühlkanäle gefördert werden. Entsprechend groß ist der Bedarf an Kühlmittel und auch Förderleistung, um das Kühlmittel durch die Kühlkanäle zu fördern. Die zwischen dem Stempel bzw. der Matrize und der jeweils zugeordneten Trägerplatte herzustellende Dichtigkeit erhöht den Aufwand weiter.
Die US 2 009 737 A betrifft eine Formpresse für Metallteile mit einem Umformwerkzeug mit einem Formbett und einem Formstempel zur Erzeugung von U-Profilen aus Stahl. Das Formbett und der Formstempel weisen Bohrungen auf, durch die ein Kühlmittel fließt, um Wärme während des Verformungsprozesses von dem Umformwerkzeug und damit auch von dem Formteil abzuführen. Zusätzlich sind an dem Umformwerkzeuge Leitungen angebracht, aus denen nach dem Öffnen des Umformwerkzeugs das oder ein Kühlmittel direkt auf das Formteil gesprüht werden kann, um den Abkühlungsprozess des Formteils zu beschleunigen.
Aus der DE 10 2007 056186 B3 und der EP 2 371 465 A1 sind weitere Umformwerkzeuge bekannt, die mit Bohrungen versehen sind, durch die während des Formens eine Kühlflüssigkeit geleitet werden kann, um Wärme abzuführen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, das Umformen und Kühlen von in einem warmen Zustand befindlichen Metallbauteilen, wie etwa das Presshärten, zu vereinfachen und die Kosten insbesondere für Serienfertigungen zu verringern, aber dennoch Bauteile mit hohem Durchsatz in Serie fertigen zu können.
Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Umformpresse zum Umformen metallener Bauteile, bei denen es sich zwar nicht ausschließlich, aber insbesondere um Panzerungsbauteile, also ballistische Bauteile handeln kann. Bevorzugt finden das Verfahren und die Umformpresse zum Umformen und Abkühlen von Stahlbauteilen Verwendung, grundsätzlich sind das Verfahren und die Umformpresse aber auch zum Umformen und Kühlen von Bauteilen aus anderen Metallen, beispielsweise Nickelbasislegierungen oder Leichtmetallen, geeignet.
Bei dem Verfahren wird ein Bauteil, das eine für die Umformung, vorzugsweise Warmumformung, geeignete Temperatur aufweist, in einem Umformwerkzeug einer Umformung unterzogen und im Umformwerkzeug abgekühlt. Das Umformwerkzeug wird mit einem Kühlmittel gekühlt und kühlt das Bauteil im Kontakt mit diesem.
Die Bauteile sind während der Umformung warm. Der Umformprozess kann eine Lauwarmumformung sein, bei der die Start- oder Eingangstemperatur des Bauteils zwar über der Raumtemperatur, aber deutlich unter der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs des Bauteils liegt. Bevorzugter betrifft die Erfindung einen Prozess der Halbwarmumformung und noch bevorzugter einen Prozess der Warmumformung, also einen Umformprozess, bei der eine Umformung oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs des Bauteils stattfindet. Die Starttemperatur ist dementsprechend höher als eine Temperatur, die das Bauteil nach dem Umformen und Öffnen des Umformwerkzeugs vor der Entnahme aufweist. Bevorzugt beträgt die Starttemperatur wenigstens 200 °C, wobei das Bauteil in bevorzugten Ausführungen eine zumindest im Wesentlichen überall gleiche Starttemperatur aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Umformpresse zum Umformen, vorzugsweise Warmumformen der genannten Bauteile. Die Umformpresse umfasst ein mehrteiliges Umformwerkzeug mit einer ersten Werkzeugform und einer mit der ersten Werkzeugform zusammenwirkenden zweiten Werkzeugform und eine Kühlungseinrichtung mit einer Zuführung für ein Kühlmittel und an die Zuführung angeschlossenen Düsen zum Sprühen des Kühlmittels. Von den wenigstens zwei Werkzeugformen ist wenigstens eine beweglich angeordnet, um ein eingelegtes Bauteil durch Zusammenfahren der Werkzeugformen im warmen Zustand umformen zu können. Die wenigstens zwei Werkzeugformen wirken als Matrize und Patrize bzw. Matrize und Stempel zusammen. Sie können miteinander oder optional mit einer oder mehreren weiteren Werkzeugform(en) insbesondere ein Umformwerkzeug zum Tiefen oder Tiefziehen von Bauteilen bilden.
Nach der Erfindung wird das Kühlmittel als Sprühnebel auf eine Rückseite des Umformwerkzeugs aufgebracht. Bei der Umformpresse sind die von den Werkzeugformen vorzugsweise separat angeordneten Düsen erfindungsgemäß auf die im zusammengefahrenen Zustand der Werkzeugformen bei eingelegtem Bauteil abgewandten Rückseiten der Werkzeugformen gerichtet, um das Umformwerkzeug durch einen auf die Rückseite gerichteten Sprühnebel von außen kühlen zu können. Vorzugsweise ist wenigstens eine erste Düse, bevorzugter eine erste Gruppe von Düsen, auf eine Rückseite der ersten Werkzeugform und wenigstens eine weitere, zweite Düse, bevorzugter eine weitere, zweite Gruppe von Düsen, auf eine Rückseite der zweiten Werkzeugform gerichtet. Die Rückseite ist eine freie äußere Oberfläche, was bedeutet, dass das Kühlmittel an dieser Oberfläche verdampfen kann. Die Rückseite ist im Weiteren zwar bevorzugt in dem Sinne frei, dass die Verdampfung in die freie Umgebung der Umformpresse erfolgt und das Kühlmittel somit auf besonders einfache Art und Weise abgeführt werden kann, grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung jedoch auch möglich, das verdampfte Kühlmittel wieder aufzufangen oder mit Hilfe einer Ableiteinrichtung von dem Umformwerkzeug abzuführen.
Das im Kontakt mit der äußeren Oberfläche verdampfende Kühlmittel entzieht dem Umformwerkzeug Wärme auf besonders effektive Weise, nämlich durch Verdampfungswärme. Der Kühlmittelbedarf kann gegenüber einer Kühlung durch Konvektion, wie etwa durch in Kühlkanälen fließendes Kühlmittel, oder stationärem Wärmeübergang, wie etwa bei Anordnung einer Werkzeugform in einem Kühlmittelbad, deutlich verringert werden. Eine Abdichtung der Rückseite ist nicht erforderlich und auch gar nicht erwünscht. Vielmehr ist von Vorteil, dass das Kühlmittel an der Rückseite des Umformwerkzeugs in die freie Umgebung verdampfen kann oder zumindest kein für die Verdampfung hinderlicher Gegendruck in nennenswertem Ausmaß aufgebaut wird. Eine die Düsen umfassende Kühlungseinrichtung kann daher einfach aufgebaut sein. Es ergibt sich eine Vereinfachung beim Umformwerkzeug, das zumindest dem Grunde nach wie ein Umformwerkzeug, das nicht gekühlt wird, aufgebaut sein kann. Die Umformpresse ist auch flexibler als bekannte Umformpressen einsetzbar, da bei einer Umstellung von einer Bauteilserie auf eine andere nur das Umformwerkzeug gewechselt werden muss und der Austausch von dem einen Umformwerkzeug auf das andere mit geringem Aufwand vollzogen werden kann.
Das Verfahren und die Umformpresse der Erfindung eignen sich insbesondere dafür, gleiche Bauteile einer Serie mit hoher Durchsatzrate zu formen und abzukühlen. In der Serie werden jeweils zwei unmittelbar nacheinander zu behandelnde Bauteile, nämlich ein erwärmtes erstes und ein erwärmtes zweites Bauteil, in dem Umformwerkzeug nacheinander der Warmumformung unterzogen und jeweils im Umformwerkzeug im Kontakt mit diesem abgekühlt. Das Umformwerkzeug kann mit im Werkzeug befindlichem ersten oder zweiten Bauteil oder nach Entnahme des ersten Bauteils und vor dem Einlegen des zweiten Bauteils mit dem Kühlmittel besprüht und dadurch gekühlt werden. Das Wort "oder" wird von der Erfindung stets als "inklusiv oder" verstanden, umfasst also die Bedeutung von "entweder ... oder" und auch die Bedeutung von "und", soweit sich aus dem jeweils konkreten Zusammenhang nicht ausschließlich nur eine dieser beiden Bedeutungen ergeben kann. Bezogen auf den zeitlichen Ablauf des Besprühens bedeutet dies, dass das Umformwerkzeug in einer ersten Verfahrensvariante nur dann mit dem Kühlmittel besprüht wird, wenn sich ein Bauteil im Werkzeug befindet und das Werkzeug vorzugsweise geschlossen ist, das Umformwerkzeug also in dem Zeitraum zwischen der Entnahme des ersten Bauteils und dem Einlegen des zweiten Bauteils nicht mit dem Kühlmittel besprüht wird. In zweiten Varianten wird das Umformwerkzeug nur nach der Entnahme des ersten Bauteils und vor dem Einlegen des zweiten Bauteils, aber nicht mit im Werkzeug befindlichem Bauteil mit dem Kühlmittel besprüht. In einer dritten Verfahrensvariante wird das Umformwerkzeug sowohl mit im Werkzeug befindlichem ersten oder zweiten Bauteil als auch im Zeitraum nach Entnahme des ersten Bauteils und vor dem Einlegen des zweiten Bauteils besprüht. Darüber hinaus sind auch Kombinationen der genannten Varianten durchführbar. So kann das Kühlmittel in der ersten oder zweiten Verfahrensvariante beispielsweise bei im Werkzeug befindlichem ersten Bauteil auf die Rückseite gesprüht werden, während bei im Werkzeug befindlichem zweiten Bauteil nicht mit Kühlmittel gekühlt wird. Ebenso muss in der zweiten oder dritten Verfahrensvariante das Werkzeug nicht stets in jedem Zeitraum zwischen der Entnahme eines Bauteils und dem Einlegen des jeweils nächsten Bauteils besprüht werden. Es muss somit beispielsweise nicht in jeder der genannten Sprühphasen gesprüht werden, und auch nicht während jeweils der gesamten Phase. Das für ein erstes und ein zweites Bauteil Gesagte gilt in Serienfertigungen vorteilhafterweise für jeweils zwei in der Serie aufeinander folgende Bauteile.
Die Kühlungseinrichtung verfügt vorzugsweise über die Fähigkeit, jede dieser Verfahrensvarianten auszuführen. Die Kühlungseinrichtung ist vorteilhafterweise in dem Sinne flexibel, dass sie einen beliebigen zeitlichen Verlauf der Sprühnebelbeaufschlagung verwirklichen kann, um das Kühlmittel einem ermittelten Bedarf entsprechend aufzubringen. Sie kann für eine automatische Anpassung an einen ermittelten Bedarf oder für eine manuelle Einstellung ausgeführt sein. In bevorzugten einfachen Verfahren wird ein Verlauf des Kühlmittelauftrags voreingestellt, beispielsweise durch Programmierung bzw. Parametrierung einer softwarebasierten Steuerung.
Um die für die Kühlung erforderliche Kühlmittelmenge zu verringern, wird der Sprühnebel in bevorzugten Ausführungen durch Mikrozerstäubung des Kühlmittels erzeugt. In derartigen Ausführungen sind die Düsen oder zumindest ein Teil der Düsen als Mikrodüsen ausgeführt. Die mittels der Mikrodüsen erzeugbaren und im Verfahren erzeugten Kühlmitteltröpfchen weisen vorzugsweise eine mittlere oder größte Tröpfchengröße von höchstens 100 µm, bevorzugter höchstens 50 µm auf. Hierfür sind Mikrodüsen geeignet mit einem Düsenquerschnitt, der höchstens so groß ist wie eine kreisrunde Bohrung mit einem Durchmesser von höchstens 1 mm, bevorzugter höchstens 0.5 mm. Besonders bevorzugt werden Mikrodüsen verwendet, deren Düsenquerschnitt der Größe einer Kreisfläche mit einem Durchmesser von 0.4 mm oder weniger entspricht. Andererseits ist es zur Vermeidung von Verstopfungsgefahr vorteilhaft, wenn der Düsenquerschnitt wenigstens so groß wie eine Kreisfläche mit einem Durchmesser von 0.1 mm ist. Besagter Düsenquerschnitt kann kreisrund sein, er kann aber auch anders geformt, beispielsweise schlitzförmig sein. Den Düsen, insbesondere den Mikrodüsen, wird das Kühlmittel mit einem Druck von vorzugsweise wenigstens 50 bar zugeführt, günstig sind Drücke von 80 bar ± 20 bar. Bei einem Zuführdruck von beispielsweise 80 bar und Verwendung von Mikrodüsen jeweils mit einer Düsenbohrung mit einem Bohrungsdurchmesser zwischen 0.15 und 0.3 mm beträgt die durchschnittliche Tröpfchengröße zwischen 20 und 40 µm und die Durchflussrate pro Düse zwischen 0.05 und 0.2 Liter pro Minute. Optimal ist es, wenn die Düsengröße oder die gegebenenfalls unterschiedlichen Düsengrößen und der Zuführdruck der Kühlungseinrichtung so gewählt sind, dass die Kühlmitteltröpfchen im Kontakt mit der freien äußeren Oberfläche des Umformwerkzeugs vollständig verdampfen.
Die Düsen sind in bevorzugten Ausführungen über eine der Rückseite des Umformwerkzeugs gegenüberliegende Fläche verteilt in einem Düsenfeld angeordnet und auf die betreffende Oberfläche gerichtet. Die Anordnung im Düsenfeld ist vorzugsweise regelmäßig, so dass über die gesamte Fläche des Düsenfelds gesehen ein Sprühnebel in zumindest im Wesentlichen gleichmäßiger Intensität erzeugt werden kann. Das Düsenfeld kann in solchen Ausführungen besonders flexibel in Kombination mit unterschiedlichen Werkzeugformen eingesetzt werden, ist also nicht auf die Verwendung nur einer einzigen, bestimmten Werkzeugform beschränkt. Eine Anpassung kann auf einfache Weise dadurch vorgenommen werden, dass Kühlmittel beispielsweise nur durch solche Düsen gesprüht wird, die von der parallel auf das Düsenfeld projizierten Rückseite überdeckt werden. Zusätzlich oder stattdessen können die Düsen auch einzeln oder gruppenweise geöffnet und geschlossen werden, um das Kühlmittel einem lokalen Kühlbedarf der zu besprühenden Werkzeugform entsprechend sprühen zu können. So können die Düsen beispielsweise einzeln oder gruppenweise automatisch ansteuerbar sein. In einfachen, dennoch bevorzugten Ausführungen wird für die jeweils gleichen Bauteile einer Serie im Vorhinein der Kühlbedarf ermittelt, um beispielsweise intensiv zu besprühende Wärmenester oder kältere, weniger intensiv zu besprühende Bereiche der Rückseite zu identifizieren. Entsprechend dem empirisch oder per Computersimulation ermittelten lokalen Kühlbedarf wird eine oder werden mehrere der Düsen vor dem Anlauf der jeweiligen Serie mit einem oder mehreren Verschlusselement(en) verschlossen, so dass durch die jeweilige Düse während der betreffenden Serie kein Kühlmittel ausgestoßen wird.
In Weiterentwicklungen wird das Umformwerkzeug oder zumindest die wenigstens eine mit dem Kühlmittel besprühbare Werkzeugform in Abhängigkeit von einer ermittelten Temperatur, die für die gewünschte Qualität des umgeformten und abgekühlten Bauteils maßgeblich ist, mit dem Sprühnebel gekühlt. So kann beispielsweise die Temperatur der wenigstens einen besprühbaren Werkzeugform direkt ermittelt werden. Vorzugsweise wird direkt jedoch eine Temperatur des jeweiligen Bauteils ermittelt. So kann insbesondere die Temperatur des Bauteils, in der Serie vorzugsweise jedes Bauteils der Serie, ermittelt werden, beispielsweise zu einem bestimmtem Zeitpunkt bei noch geschlossenem Umformwerkzeug. Bevorzugter wird die Temperatur des jeweiligen Bauteils dann ermittelt, wenn das Bauteil im warmen Zustand in das Umformwerkzeug eingelegt, das Umformwerkzeug aber noch nicht geschlossen ist, oder dann, wenn sich das jeweilige Bauteil noch im Umformwerkzeug befindet, das Umformwerkzeug aber bereits für die Entnahme des Bauteils geöffnet ist. Zweckmäßigerweise wird die Temperatur des Bauteils, in der Serie vorzugsweise jedes Bauteils, in der Umformpresse in beiden Phasen, d. h. unmittelbar vor dem Schließen und unmittelbar nach dem Öffnen des Umformwerkzeugs, ermittelt.
Ein für die Ermittlung der Temperatur verwendeter Temperaturdetektor, vorzugsweise eine Infrarot-Kamera oder ein einfacher Infrarot-Sensor, kann Bestandteil der Umformpresse sein. Im Allgemeinen sind Umformpressen für das Umformen und Abkühlen von Bauteilen mit einem oder mehreren Temperaturdetektoren ausgestattet. Es ist auch üblich, die Temperatur des Bauteils unmittelbar vor dem Schließen des Umformwerkzeugs und unmittelbar nach dem Öffnen zu ermitteln, um sicherzustellen, dass das umgeformte und in der Umformpresse abgekühlte Bauteil der geforderten Qualität entspricht. Mit Vorteil kann ein von Hause aus vorhandener Temperaturdetektor mit der Umformpresse der Kühlungseinrichtung gekoppelt sein. So kann insbesondere die mittels des Temperaturdetektors ermittelte Temperatur des umgeformten und abgekühlten Bauteils als Richtgröße, beispielsweise Regelgröße oder Führungsgröße, für eine Regelungs- oder Steuerungseinrichtung der Kühlungseinrichtung dienen und diese Kühlungsregelung oder -steuerung in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur oder mehreren ermittelten Temperaturen die Kühlmittelmenge steuern oder regeln, die pro Bauteil, d. h. innerhalb eines Takts der Serie, auf die Rückseite des Umformwerkzeugs gesprüht wird. In Weiterentwicklungen können mehrere Temperaturdetektoren vorgesehen sein, um eine örtliche Wärmeverteilung ermitteln zu können. Sind die Düsen einzeln oder gruppenweise ansteuerbar, kann die Kühlungseinrichtung mit einer entsprechend angepassten Steuerungs- oder Regelungseinrichtung das Kühlmittel der ermittelten örtlichen Wärmeverteilung entsprechend auf die Rückseite des Umformwerkzeugs sprühen, um die örtliche Wärmeverteilung zu vergleichmäßigen oder eine gleichmäßige örtliche Wärmeverteilung einzuhalten.
In Umformnormen ist meist detailliert beschrieben, dass Umformwerkzeuge bestimmte Temperaturen nicht überschreiten sollen, um im Falle beispielsweise eines bevorzugten Presshärtens die Press-Härt-Eigenschaften des jeweiligen Bauteils zu erzielen. Durch die Erfindung kann auf einfache und kostengünstige Weise bei vergleichsweise hohen Durchsatzraten die serielle Reproduzierbarkeit der Bauteile gewährleistet werden. Für Fahrzeugbauteile, insbesondere Panzerungsbauteile für Sonderschutzfahrzeuge, ist eine Bauteilgleichheit unabdingbar, denn nur dadurch kann die Qualität der Freigabemuster erreicht werden. Diese eigenschaftsgleichen Bauteile erreichen auch die Qualität von im Beschusstest geprüften Bauteilen. In Beschusstests können Parameter für die Fertigung, hier die Umformung und Abkühlung der Bauteile, überprüft und das Verfahren entsprechend eingestellt werden.
Die Bauteile werden für die Umformung auf eine Starttemperatur von jeweils vorzugsweise wenigstens 200 °C, bevorzugter über die Rekristallisationstemperatur, beispielsweise auf mehr als 40 oder 50 % der in K gemessenen absoluten Schmelztemperatur, erwärmt und im Werkzeug jeweils auf eine Temperatur von vorzugsweise unter 150 °C, bevorzugter unter 120 °C abgekühlt. Handelt es sich bei den Bauteilen um Stahlbauteile, werden diese zum Warmumformen vorzugsweise auf eine für die Austenitisierung erforderliche Starttemperatur erwärmt, vorzugsweise auf eine Starttemperatur zwischen 900 und 1000 °C.
Als Kühlmittel kommen zwar grundsätzlich alle üblichen Kühlflüssigkeiten in Frage. Insbesondere kann aber Wasser das Kühlmittel bilden, vorzugsweise reines Wasser. Zumindest in den Ausführungen, in denen das Kühlmittel mit Mikrodüsen versprüht wird, ist eine Filterung des den Düsen zuzuführenden Wassers ratsam. Die Kühlungseinrichtung verfügt in der Zuführung zu den Düsen vorzugsweise über eine entsprechende Filtereinrichtung.
Die Düsen können zwar grundsätzlich an der zu besprühenden Werkzeugform angeordnet sein, die hierfür an einer Rückseite beispielsweise Vertiefungen aufweisen kann, in denen die Düsen und die Zuführung für das Kältemittel in fester Verbindung mit der jeweiligen Werkzeugform angeordnet sind. Bevorzugter sind die Düsen jedoch wie bereits erwähnt separat von der jeweiligen Werkzeugform angeordnet. Die Kühlungseinrichtung umfasst in bevorzugten Ausführungen wenigstens ein Kühlteil, vorzugsweise wenigstens ein Kühlteil pro Werkzeugform, mit Düsen zum Besprühen der betreffenden Werkzeugform. Das Kühlteil umfasst eine Trägerstruktur, an der die Düsen des betreffenden Kühlteils angeordnet sind, vorzugsweise an einer freien Oberfläche der Trägerstruktur. Grundsätzlich können die Düsen jedoch auch in einer hohlen Trägerstruktur geschützt angeordnet sein, wobei in derartigen Ausführungen die Trägerstruktur Öffnungen aufweist, durch die die Düsen das Kühlmittel in Form von Sprühkegeln ausstoßen können.
Eine besonders zweckmäßige Gestaltung besteht darin, die Trägerstruktur mit einem Oberflächenrelief, vorzugsweise einem regelmäßigen Oberflächenrelief, mit plateauförmig vorstehenden Bereichen und demgegenüber zurückstehenden Bereichen zu gestalten. Die Düsen sind vorzugsweise in den zurückstehenden Bereichen angeordnet. Günstig ist es, wenn die Düsen ferner so angeordnet sind, dass sie noch hinter den vorstehenden Bereichen zurückstehen. Vorzugsweise erstrecken sich auch die Zuführungen in den zurückstehenden Bereichen. Die vorstehenden Bereiche sind in bevorzugten Ausführungen so eng nebeneinander angeordnet, dass eine auf den vorstehenden Bereichen ruhende Werkzeugform nicht in die zurückstehenden Bereiche vorragen kann und die Düsen nicht unmittelbar mit der Werkzeugform in Kontakt gelangen können, so dass sie in den zurückstehenden Bereichen geschützt sind. Die vorstehenden Bereiche können zusammen vorteilhafterweise eine plane äußere Kontaktfläche der Trägerstruktur bilden, die in der Umformpresse unmittelbar mit der jeweils zugeordneten Werkzeugform in Kontakt steht. Grundsätzlich können die vorstehenden Bereiche aber auch zusammen eine gewölbte, gegebenenfalls auch mehrfach gewölbte Oberfläche bilden. Das Gleiche gilt grundsätzlich auch für die Düsen. Auch diese können zu einem gewölbten, dreidimensionalen Düsenfeld angeordnet sein, bevorzugt bilden die Düsen eines Kühlteils jedoch ein planares Düsenfeld.
Die im Verfahren mit dem Sprühnebel beaufschlagte bzw. mittels der Umformpresse beaufschlagbare äußere Oberfläche kann insbesondere an einer dem eingelegten Bauteil B abgewandten Rückseite der ersten oder der zweiten Werkzeugform angeordnet sein oder die gesamte Rückseite bilden. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäß kühlbare äußere Oberfläche stattdessen aber auch eine äußere Umfangsfläche der wenigstens einen kühlbaren Werkzeugform sein. Von Vorteil ist, wenn wenigstens eine der Werkzeugformen, zweckmäßigerweise die erste und die zweite Werkzeugform, sowohl an besagter Rückseite als auch an besagter Umfangsfläche jeweils mit einem Sprühnebel beaufschlagt werden können. In einer Weiterentwicklung kann zusätzlich zu einer an der Rückseite oder am äußeren Umfang gebildeten äußeren Oberfläche auch eine beim Umformen das Bauteil kontaktierende Umformfläche der ersten oder der zweiten Werkzeugform direkt mit dem Kühlmittel beaufschlagt werden, wenn das Umformwerkzeug geöffnet ist. So kann beispielsweise am äußeren Umfang ein Sprühnebel erzeugt werden, der sich im geöffneten Zustand des Umformwerkzeugs in den Raum zwischen den Werkzeugformen fortsetzt.
Bevorzugte Merkmale werden auch in den Unteransprüchen und deren Kombinationen offenbart.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren erläutert. Anhand des Ausführungsbeispiels offenbarte Merkmale bilden jeweils einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:

Figur 1: ein Umformwerkzeug mit einer ersten Werkzeugform und einer zweiten Werkzeugform und eine Kühlungseinrichtung mit Düsen für eine Sprühnebelkühlung des Umformwerkzeugs,
Figur 2: die erste Werkzeugform und ein dieser Werkzeugform zugeordnetes Kühlteil der Kühlungseinrichtung und
Figur 3: das Kühlteil der Figur 2.

Figur 1 zeigt ein Umformwerkzeug 10 für die Umformung, vorzugsweise Warmumformung, von Metallbauteilen B und eine Kühlungseinrichtung 20, die an zwei voneinander abgewandten Seiten unmittelbar an das Umformwerkzeug 10 angrenzt. Bei den metallenen Bauteilen B handelt es sich wie bevorzugt, aber nur beispielhaft, um Stahlbleche, aus denen mittels des Umformwerkzeugs 10 Fahrzeugteile geformt werden. Bei diesen Fahrzeugteilen kann es sich insbesondere um flächenhafte Panzerungsteile zum Panzern von Sonderschutzfahrzeugen handeln, wie etwa um Panzerstahlbleche der Beschussklasse FB4 oder FB6. Die Erfindung ist nicht zuletzt wegen der Kühlungseinrichtung 20 und der durch diese ermöglichten intensiven Kühlung des Umformwerkzeugs 10 für die Warmumformung und Härtung von Panzerungsbauteilen B in Serienfertigung geeignet.
Das Umformwerkzeug 10 umfasst eine erste Werkzeugform 1 und eine zweite Werkzeugform 2, die mit einander zugewandten Umformflächen 7 bei der Umformung als Matrize und Patrize zusammenwirken und das zwischen den Werkzeugformen 1 und 2 befindliche Bauteil B im warmen Zustand zwei- oder vorzugsweise dreidimensional verformen. Der Begriff "Bauteil" wird sowohl für den Bauteilrohling, im Ausführungsbeispiel eine Blechplatine, als auch das umgeformte und im Umformwerkzeug 10 abgekühlte Bauteil B verwendet.
Die Kühlungseinrichtung 20 umfasst ein der ersten Werkzeugform 1 zugeordnetes erstes Kühlteil, das vom im Umformwerkzeug 10 befindlichen Bauteil B aus gesehen der Rückseite der ersten Werkzeugform 1 zugewandt angeordnet ist, und ein der zweiten Werkzeugform 2 zugeordnetes zweites Kühlteil, das vom Bauteil B aus gesehen der Rückseite der zweiten Werkzeugform 2 zugewandt angeordnet ist. Es wird eine Sandwichanordnung erhalten, in der die Werkzeugformen 1 und 2 zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlteil angeordnet sind, wobei die Kühlteile an die Werkzeugformen 1 oder 2 unmittelbar angrenzen. Im Ausführungsbeispiel besteht wie bevorzugt jeweils ein direkter Kontakt. Die Anordnung aus Umformwerkzeug 10 und Kühlungseinrichtung 20 kann in einer Umformpresse in herkömmlicher Weise zwischen beispielsweise einem ortsfesten Pressentisch und einem relativ zum Pressentisch beweglichen Stößel oder auch zwischen zwei aufeinander zu und voneinander weg beweglichen Stößeln angeordnet sein, um das Umformwerkzeug 10 zum Einlegen und Entnehmen des jeweiligen Bauteils B öffnen und den zum Umformen erforderlichen Pressdruck aufbringen zu können. Die Achse der relativen Beweglichkeit ist mit Z bezeichnet.
Die Kühlteile weisen jeweils eine Trägerstruktur auf, das erste Kühlteil eine Trägerstruktur 15 und das zweite Kühlteil eine Trägerstruktur 16, die jeweils als Träger bzw. Plattform für eine Anordnung von Kühlmitteldüsen 13 und Kühlmittelzuführungen 12 dienen. Die Düsen 13 sind über die Zuführungen 12 und nicht dargestellte Anschlüsse der Kühlteile an eine Kühlmittelversorgung angeschlossen.
Die Düsen 13 zerstäuben das in der Zuführung 12 zugeführte flüssige Kühlmittel zu feinen Kühlmitteltröpfchen, die in einem dichten Sprühnebel N auf die Rückseite 8 der jeweiligen Werkzeugform 1 bzw. 2 gerichtet sind. Die Düsen 13 sind als Mikrodüsen ausgeführt und weisen jeweils einen Düsenquerschnitt auf, vorzugsweise eine kreisrunde Düsenbohrung, der zur Erzeugung jeweils eines Sprühnebelkegels aus Kühlmitteltröpfchen geeignet ist, die eine mittlere Tröpfchengröße aus dem Bereich zwischen 20 bis 80 µm, vorzugsweise aus dem Bereich zwischen 20 und 60 µm aufweisen. Diese feinen Kühlmitteltröpfchen verdampfen beim Auftreffen auf die Rückseite 8 der jeweiligen Werkzeugform 1 oder 2 und entziehen ihrer Verdampfungswärme entsprechend dieser Werkzeugform 1 bzw. 2 Wärme. Das Bauteil B wird bei geschlossenem Umformwerkzeug 10 somit durch den Kontakt mit den Werkzeugformen 1 und 2 gekühlt. Die Kühlungseinrichtung ist in vorteilhaften Ausführungen dafür eingerichtet, das Umformwerkzeug 10 auf einer bestimmten Temperatur oder zumindest unterhalb einer bestimmten Temperaturobergrenze zu halten.
Der Düsenquerschnitt der Düsen 13 ist in bevorzugten Ausführungen so groß wie eine Kreisfläche mit einem Durchmesser aus dem Bereich von 0.1 mm bis 0.8 mm, noch bevorzugter aus dem Bereich zwischen 0.2 und 0.5 mm.
Die Trägerstrukturen 15 und 16 bilden jeweils eine zumindest im Wesentlichen plane Stützfläche, mit der sie an der zugeordneten Werkzeugform 1 bzw. 2 in unmittelbarem Kontakt anliegen. Die Stützfläche wird durch in Z-Richtung vorstehende Bereiche 17 gebildet. Die Düsen 13 sind in gegenüber den vorstehenden Bereichen 17 zurückstehenden Bereichen 18 angeordnet, die zwischen den vorstehenden Bereichen 17 gebildet sind.
Die Werkzeugformen 1 und 2 sind als Hohlstrukturen gebildet, die in Richtung auf das zugeordnete Kühlteil offen sind. So weisen die Werkzeugform 1 eine Schale 3 und die Werkzeugform 2 eine Schale 4 auf, zwischen denen das Bauteil B während des Umformprozesses liegt und die mit den aneinander angepassten Umformflächen 7 bei der Umformung gegen das Bauteil B drücken. An den vom Bauteil B abgewandten Rückseiten der Schalen 3 und 4 ragen jeweils Stützstrukturen 5 in Richtung auf das erste bzw. zweite Kühlteil ab. Die Stützstrukturen 5 sind an ihren Enden unmittelbar in Kontakt mit dem jeweils zugeordneten Kühlteil, d. h. mit den vorstehenden Bereichen 17 der Trägerstruktur 15 oder 16. Zwischen den Stützstrukturen 5 verbleiben Freiräume 6, d. h. zum Kühlteil hin offene Räume, in die jeweils wenigstens eine der Düsen 13 gerichtet ist, so dass deren Sprühnebelkegel auf die Rückseite 8 der Schale 3 oder 4 trifft. Die Umformwerkzeuge 1 und 2 werden somit unmittelbar im Bereich der Umformschalen 3 und 4 und somit in größtmöglicher Nähe zum Bauteil B mittels Sprühnebel gekühlt. Die Stützstrukturen 5 erhöhen noch die Intensität der Kühlung, indem sie die zu Kühlungszwecken zur Verfügung stehende Wärmeaustauschfläche der Werkzeugformen 1 und 2 vergrößern und zur Wärmeableitung aus dem Nahbereich des Bauteils B beitragen. Die Stützstrukturen 5 sind rippenförmig, um große Wärmeableitflächen zu erhalten, d. h. sie bilden Kühlrippen, könnten grundsätzlich aber auch beispielsweise säulenförmig von den Rückseiten 7 der Schalen 3 und 4 abragen.
In Figur 1 ist beispielhaft nicht für alle, sondern nur für einen Teil der Düsen 13 ein Sprühnebel N stellvertretend auch für weitere Düsen 13 dargestellt. So können in vorteilhaften Verfahrensführungen zumindest diejenigen Düsen 13 jeweils einen Sprühnebelkegel erzeugen, die den Rückseiten der Schalen 3 und 4 zugewandt gegenüberliegen bzw. in einen der Freiräume 6 sprühen. In anderen Verfahrensführungen können aber auch aus dieser Gruppe von Düsen 13 nur ausgewählte Düsen 13 jeweils zur Erzeugung eines Sprühnebels N verwendet werden, so dass in derartigen Verfahrensführungen nur ein Teil der Düsen 13, die von der jeweiligen Werkzeugform 1 oder 2 überdeckt sind, gleichzeitig geöffnet und ein anderer Teil währenddessen geschlossen ist.
Figur 2 zeigt die Werkzeugform 1 und das zugeordnete Kühlteil in einer perspektivischen Sicht auf eine Schnittebene. Erkennbar ist die Gestaltung der Werkzeugformen 1 und 2, beispielhaft anhand der Werkzeugform 1, als Hohlstrukturen jeweils mit das Bauteil B formender Schale 3 bzw. 4 und den von der freien rückwärtigen äußeren Oberfläche 7 abragenden Stützstrukturen 5, zwischen denen besagte Freiräume 6 verbleiben, in die hinein die Düsen 13 gerichtet sind, um die Oberfläche 7 mit einem Sprühnebel N des Kältemittels effektiv insbesondere durch Verdampfungswärme zu kühlen. Erkennbar ist ferner der plattenförmige Charakter der Trägerstruktur 15, auf der die Werkzeugform 1 in direktem Kontakt mit den vorstehenden Bereichen 17 angeordnet ist. Die Trägerstruktur 15 weist Verbindungselemente 19 auf, die beispielhaft als Schraublöcher ausgeführt sind. Die Werkzeugform 1 ist mittels Befestigungselementen 9, die mit jeweils einem der Verbindungselemente 19 zusammenwirken, an der Trägerstruktur 15 befestigt, im Beispiel mittels Schraubverbindung.
Figur 3 ist eine isometrische Darstellung nur eines der Kühlteile, beispielhaft des Kühlteils mit der Trägerstruktur 15. Wie bereits in Figur 2 ist der im Wesentlichen plattenförmige Charakter der Trägerstruktur 15 erkennbar. Die vorstehenden Bereiche 17 und demgegenüber zurückstehenden Bereiche 18 bilden ein flaches Relief. Die vorstehenden Bereiche 17 stehen nur so weit über die zurückstehenden Bereiche 18 vor, als dies für die Anordnung der Düsen 13 und der Kühlmittelzuführung 11, 12 erforderlich ist. Mit 11 sind Anschlussleitungen des kühlteileigenen Zuführsystems bezeichnet und mit 12 Verteilerleitungen, längs denen die Düsen 13 angeordnet sind. Die Trägerstruktur 15 weist über ihren Umfang verteilt Befestigungselemente 14 auf, beispielhaft zum Rand hin offene Durchgänge, mittels denen sie an einem Tisch oder Stößel der Umformpresse befestigt werden kann.
Die Anordnung der Düsen 13 ist regelmäßig, indem die Düsen 13 gemeinsam ein schachbrettartiges Düsenfeld bilden. Die regelmäßige bzw. periodische Anordnung der Düsen 13 ist im Hinblick auf die flexible Verwendbarkeit des Kühlteils mit unterschiedlichen Werkzeugformen von Vorteil. Das Kühlteil, insbesondere das Düsenfeld, weist hierfür die erforderliche Größe auf. Im Allgemeinen werden daher nicht alle Düsen 13 des Düsenfelds bei jeder der unterschiedlichen Werkzeugformen erforderlich sein. Vielmehr werden nur diejenigen Düsen 13 benötigt, die von der jeweiligen Werkzeugform im zusammengebauten Zustand überdeckt werden. Die nicht überdeckten und in diesem Sinne freien Düsen 13 können mittels entsprechender Verschlusselemente verschlossen werden, um die bei laufender Produktion verbrauchte Kühlmittelmenge gering zu halten. Erkennbar ist auch, dass eventuell nicht verdampftes Kühlmittel über die zurückstehenden Bereiche 18 abfließen kann.
Wie bereits erwähnt verdampft das Kühlmittel zwar in bevorzugten Verfahrensführungen vollständig, d. h. es wird in entsprechender Menge und Tröpfchenfeinheit aufgesprüht, so dass zumindest ein Teil des Kühlmittels dampfförmig über die zurückstehenden Bereiche 18 entweicht. Gegebenenfalls in den Freiräumen 6 der jeweiligen Werkzeugform 1 oder 2 wieder kondensiertes Kühlmittel kann über die zurückstehenden Bereiche 18 aber ebenso auf einfache Weise abfließen. Das abfließende Kühlmittel kann optional gesammelt werden.
Das andere Kühlteil entspricht dem dargestellten gänzlich oder weitgehend. Vorzugsweise sind die Kühlteile gegeneinander austauschbar.
In einer Serienfertigung wird das jeweils nächste Bauteil B außerhalb des Umformwerkzeugs 10 auf eine für die Umformung, vorzugsweise eine Warmumformung, geeignete Temperatur erwärmt. Handelt es sich wie bevorzugt um Stahlbauteile, wie etwa Panzerstahlbleche, werden diese mit einer bestimmten Temperatur, die in engen Grenzen eingehalten wird und beispielsweise aus dem Bereich zwischen 900 und 1000 °C gewählt ist, in das Umformwerkzeug 10 eingelegt. Diese Starttemperatur wird mittels eines oder mehrerer Temperaturdetektoren wie etwa einer Infrarot-Kamera, erfasst. Liegt die erfasste Temperatur innerhalb einer vorgegebenen Toleranz, wird das Umformwerkzeug 10 geschlossen und das Bauteil B in einem einzigen Hub mit entsprechendem Pressdruck warmumgeformt. Anschließend wird bei noch geschlossenem Umformwerkzeug 10 das Bauteil B vom hohen Pressdruck entlastet. Um Bauteilspannungen abzubauen, bleibt das Umformwerkzeug 10 über eine gewisse Zeit noch geschlossen, bis das Bauteil B nur noch eine Temperatur von vorzugsweise etwa 80 °C aufweist. Eine Temperatur von etwa 100 °C sollte nicht überschritten werden. Anschließend wird das Umformwerkzeug 10 geöffnet und die Temperatur des Bauteils B mittels des wenigstens einen Temperaturdetektors erfasst. Anschließend wird das Bauteil B aus dem Umformwerkzeug 10 genommen. Die Umformpresse ist vorteilhafterweise mit absenkbaren Abstandshaltern ausgestattet, die das Bauteil B nur an einigen Stellen lokal stützen, solange die Werkzeugformen 1 und 2 noch voneinander beabstandet sind. Gegenüber einer großflächigen Auflage unmittelbar beim Einlegen wird durch die Abstützung nur mittels Abstandshaltern der Wärmeübergang vom Bauteil B auf die jeweilige Werkzeugform 1 oder 2 verringert.
Das Umformwerkzeug 10 wird mittels der Kühlungseinrichtung, d. h. mittels Sprühnebelkühlung, in solch einer Weise gekühlt, dass innerhalb einer bestimmten Taktzeit der Serie die unmittelbar vor der Entnahme des Bauteils B erfasste bzw. ermittelte niedrige Temperatur eingestellt oder zumindest eine Obergrenze für diese niedrige Temperatur nicht überschritten wird. Das Kühlmittel kann mittels der Düsen 13 bei geschlossenem Umformwerkzeug 10 oder stattdessen oder zusätzlich nach der Entnahme eines Bauteils B und vor dem Einlegen eines nächsten Bauteils B aufgebracht werden, so dass über die gesamte Serie hinweg in der vorgegebenen Taktzeit jeweils die niedrige Bauteiltemperatur erreicht bzw. eingestellt wird.
In einfachen Ausführungen wird das Kühlmittel stets allen Düsen 13 über die Zuführung 11, 12 zugeführt. In Versuchen kann vor Anlauf der Serie empirisch der Kühlmittelbedarf ermittelt werden, gegebenenfalls auch nur oder zusätzlich durch Computersimulation. Der zeitliche Ablauf des Aufsprühens kann ebenfalls für die gesamte Serie anhand des empirisch oder per Simulation ermittelten Bedarfs eingestellt werden. Nicht benötigte Düsen 13 werden vor dem Anlaufen der Serie geschlossen, so insbesondere die Düsen 13 außerhalb der vom Umformwerkzeug 10 belegten Fläche und optional auch Düsen 13, die von der jeweiligen Werkzeugform 1 oder 2 überdeckt werden. Auf diese Weise kann der Kühlmittelauftrag auf einen im Vorhinein ermittelten örtlichen Kühlbedarf angepasst werden. In Weiterentwicklungen können die Düsen 13 einzeln oder gruppenweise ansteuerbar sein, um einen über die Fläche der Werkzeugformen 1 und 2 gesehen örtlich variierenden Kühlbedarf flexibel befriedigen zu können.
Die Düsen 13, die über den äußeren Umfang des Umformwerkzeugs 10 gesehen außen angeordnet sind, können in Verfahrensvarianten auch offen sein oder in Ausführungen mit einzeln oder gruppenweise ansteuerbaren Düsen 13 ebenfalls mit Kühlmittel beaufschlagt werden. So können diese in Bezug auf die jeweilige Werkzeugform 1 oder 2 äußeren Düsen 13 bei geschlossenem Umformwerkzeug 10 die seitliche äußere Oberfläche am Umfang des Umformwerkzeugs 10 ebenfalls mittels Sprühnebel N beaufschlagen. Das Umformwerkzeug 10 kann dann im geschlossenen Zustand über seinen äußeren Umfang in einen Sprühnebel gehüllt werden. Im Ausführungsbeispiel mit den Stützstrukturen 5 würden in solch einer Verfahrensvariante insbesondere die äußeren Stützstrukturen 5 direkt mit dem Sprühnebel N beaufschlagt und den Schalen 3 und 4 über Wärmeleitung zusätzlich zur direkten Beaufschlagung mit innenliegenden Düsen 13 Wärme entziehen. In noch einer Verfahrensvariante können die äußeren Düsen 13 auch bei geöffnetem Umformwerkzeug 10 einen Sprühnebel erzeugen, der bei offenem Umformwerkzeug 10 die Werkzeugformen 1 und 2 nicht nur am Umfang einhüllt, sondern vom Umfang her in den Zwischenraum zwischen den Schalen 3 und 4 eindringt und auf diese Weise unmittelbar auch die Umformflächen 7 beaufschlagt. Die Umformflächen 7 werden zweckmäßigerweise nur mit Kühlmittel beaufschlagt, wenn sich kein Bauteil B im Umformwerkzeug 10 befindet, also in den Zeiträumen zwischen der Entnahme des einen und dem Einlegen des jeweils nächsten Bauteils B.
Um das Umformwerkzeug 10 in den Zeiträumen, in denen es jeweils von Bauteilen B frei ist, besonders effektiv unmittelbar an der beim Umformen das jeweilige Bauteil B kontaktierenden Umformfläche 7 kühlen zu können, kann die Presse eine oder mehrere Düsen entsprechend den Düsen 13 an den Seiten aufweisen. Die optionale(n) seitlich angeordnete(n) Düse(n) 13 kann oder können vorteilhafterweise in den bei offenem Umformwerkzeug 10 zwischen den Umformflächen 7 bestehenden freien Spalt, also im Wesentlichen quer zur Pressenachse Z, oder alternativ auch auf beide oder nur eine der Umformflächen 7 gerichtet sein.
In noch einer Weiterentwicklung kann wenigstens ein dem äußeren Umfang der Werkzeugformen 1 und 2 oder nur einer der Werkzeugformen 1 und 2, im Ausführungsbeispiel den äußeren Stützstrukturen 5, seitlich zugewandtes, den äußeren Umfang beispielsweise kontaktierendes weiteres Kühlteil angeordnet sein, um die äußeren Stützstrukturen 5 mit einem oder mehreren derartigen Umfangskühlteil(en) unmittelbar mit einem Sprühnebel N beaufschlagen zu können. In vorteilhaften Ausführungen solch einer Variante ist das oder sind die Umfangskühlteil(e) zusätzlich zu den rückwärtigen Kühlteilen mit den Kühlstrukturen 15 und 16 vorgesehen. Umfangskühlteile können in der Presse quer zur Pressenachse Z beweglich bzw. verstellbar angeordnet sein, beispielsweise an den rückwärtigen Kühlteilen, um die Umfangskühlteile aufeinander zu und voneinander weg bewegen bzw. verstellen zu können und dadurch die Flexibilität hinsichtlich des äußeren Umfangs des jeweils verwendeten Umformwerkzeugs 10 beizubehalten. Weist die Kühleinrichtung 20 eine seitliche Umfangskühlung auf, ist die Umfangskühlung vorzugsweise in Richtung der Pressenachse Z geteilt, also axial geteilt, und umfasst wenigstens ein der Werkzeugform 1 zugeordnetes Umfangskühlteil und wenigstens ein weiteres, der Werkzeugform 2 zugeordnetes Umfangskühlteil. Da wenigstens eine der Werkzeugformen, im Beispiel die Werkzeugform 2, in Richtung der Pressenachse Z gemeinsam mit dem zugeordneten rückwärtigen Kühlteil beweglich ist, um das Umformwerkzeug 10 öffnen und schließen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das der beweglichen Werkzeugform zugeordnete Umfangskühlteil gemeinsam mit der Anordnung aus beweglicher Werkzeugform 1 oder 2 und rückwärtigem Kühlteil beweglich ist. Das Umfangskühlteil oder die bevorzugt wenigstens zwei in der geschilderten Weise separaten Umfangskühlteile kann oder können sich jeweils in Umfangsrichtung über zumindest im Wesentlichen 360° um die Pressenachse Z erstrecken, um das Umformwerkzeug 10 oder zumindest die zugeordnete Werkzeugform 1 oder 2 über den äußeren Umfang gleichmäßig mit Sprühnebel beaufschlagen zu können. Bei Ausführungen, in denen das oder die mehreren Umfangskühlteil(e) sich über mehr als 180° um die Pressenachse Z erstreckt oder erstrecken, ist das oder sind die mehreren Umfangskühlteile(e) vorzugsweise radial geteilt, so dass es oder sie quer zur Pressenachse Z voneinander weg und aufeinander zu verstellt werden kann oder können.

Bezugszeichen:

1: Werkzeugform
2: Werkzeugform
3: Umformschale
4: Umformschale
5: Stützstruktur
6: Freiraum
7: Umformfläche
8: Rückseite
9: Befestigungselement
10: Umformwerkzeug
11: Kühlmittelzuführung
12: Kühlmittelzuführung
13: Düse
14: Befestigungselement
15: Trägerstruktur
16: Trägerstruktur
17: vorstehender Bereich
18: zurückstehender Bereich
19: Verbindungselement
20: Kühlungseinrichtung

B: Bauteil
N: Sprühnebel
Z: Pressenachse

Claims

Verfahren zum Umformen metallener, vorzugsweise ballistischer Bauteile, in einer Umformpresse, bei dem
(a) ein erwärmtes erstes und ein erwärmtes zweites Bauteil (B) in einem Umformwerkzeug (10) mit einer ersten Werkzeugform (1) und einer zweiten Werkzeugform (2) nacheinander in einem warmen Zustand einer Umformung unterzogen und jeweils im Umformwerkzeug (10) abgekühlt werden

(b) und das Umformwerkzeug (10) mit im Werkzeug befindlichem ersten oder zweiten Bauteil (B) oder nach Entnahme des ersten Bauteils (B) und vor dem Einlegen des zweiten Bauteils (B) mit einem Kühlmittel einer Kühlungseinrichtung (20) der Umformpresse mit einer Zuführung für das Kühlmittel gekühlt wird, wobei

(c) das Kühlmittel mittels Düsen (13), die an die Zuführung angeschlossen sind, als Sprühnebel (N) auf eine dem in das Umformwerkzeug (10) eingelegten Bauteil (B) abgewandte Rückseite (8) der ersten Werkzeugform (1) oder der zweiten Werkzeugform (2) des Umformwerkzeugs (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Sprühnebel (N) durch Mikrozerstäubung des Kühlmittels erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Düsen (13), vorzugsweise Mikrodüsen über eine der Rückseiten (8) der ersten Werkzeugform (1) oder der zweiten Werkzeugform (2) gegenüberliegenden Fläche verteilt angeordnet und auf die Rückseite (8) gerichtet sind.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Düsen (13) zu einem Düsenfeld angeordnet sind und einem lokalen Kühlbedarf der Rückseite (8) der ersten Werkzeugform (1) oder der zweiten Werkzeugform (2) entsprechend geöffnet und geschlossen werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der lokale Kühlbedarf für eine Serie der Bauteile (B) ermittelt und in Abhängigkeit vom ermittelten Bedarf ausgewählte Düsen (13) des Düsenfelds vor dem Umformen der Serie geschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Temperatur des abgekühlten ersten Bauteils (B) noch im Umformwerkzeug (10) oder bei der Entnahme aus dem Umformwerkzeug (10) oder eine Temperatur des Umformwerkzeugs (10) ermittelt und die Menge des zwischen der Entnahme des ersten Bauteils (B) und der Entnahme des zweiten Bauteils (B) als Sprühnebel (N) aufgebrachten Kühlmittels, in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Starttemperatur der Bauteile (B) bei der Umformung jeweils wenigstens 200 °C beträgt und die Bauteile (N) im Umformwerkzeug (10) jeweils auf eine Temperatur von unter 150 °C abgekühlt werden, wobei die Starttemperatur bei Stahlbauteilen (B) mehr als 40 % der Schmelztemperatur eines Werkstoffs der Bauteile (B) beträgt, oder wenigstens so groß wie eine zur Austenitisierung des jeweiligen Bauteils (B) erforderliche Temperatur ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als das Kühlmittel gefiltertes Wasser, verwendet wird.
Umformpresse zum Umformen metallener, vorzugsweise ballistischer Bauteile in einem warmen Zustand, die Umformpresse umfassend:
(a) ein Umformwerkzeug (10) mit einer ersten Werkzeugform (1) und einer zweiten Werkzeugform (2), von denen wenigstens eine beweglich angeordnet ist, um ein im warmen Zustand befindliches Bauteil (B) durch Zusammenfahren der Werkzeugformen (1, 2) umformen zu können,

(b) und eine Kühlungseinrichtung (20) mit einer Zuführung (11, 12) für ein Kühlmittel und an die Zuführung (11, 12) angeschlossenen Düsen (13) zum Sprühen des Kühlmittels,
dadurch gekennzeichnet, dass

(c) die Düsen (13) auf eine im zusammengefahrenen Zustand bei eingelegtem Bauteil (B) abgewandte Rückseite (8) (8) der Werkzeugformen (1, 2) gerichtet sind, um das Umformwerkzeug (1, 2) durch einen Sprühnebel (N) von außen kühlen zu können.
Umformpresse nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (13) in einem Düsenfeld regelmäßig angeordnet sind, und die besprühbare Rückseite (8) gleichmäßig mit dem Kühlmittel besprühen.
Umformpresse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine der Rückseite (8) zugewandte Trägerstruktur (15, 16), an der die Düsen (13) angeordnet sind, wobei die Trägerstruktur (15, 16) an der diese Rückseite (8) aufweisenden Werkzeugform (1, 2) zumindest bei zusammengefahrenen Werkzeugformen (1, 2) anliegt.
Umformpresse nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (15, 16) vorstehende Bereiche (17) und zurückstehende Bereiche (18) aufweist, die vorstehenden Bereich (17) zumindest bei zusammengefahrenen Werkzeugformen (1, 2) an der Werkzeugform (1, 2) anliegen und die Düsen (13) in den zurückstehenden Bereichen (18) angeordnet sind.
Umformpresse nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Rückseite (8) Stützstrukturen (5) abragen, mittels denen die Werkzeugform (1, 2) in der Umformpresse abgestützt ist, und zwischen den Stützstrukturen (5) Freiräume (6) verbleiben, in die die Düsen (13) gerichtet sind.
Umformpresse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine mit den Düsen (13) besprühbare Werkzeugform (1, 2) eine bei dem Umformen das Bauteil (B) kontaktierende und die Form des umgeformten Bauteils (B) bestimmende Umformfläche (7), eine vom Bauteil (B) abgewandte Rückseite und einen zwischen der Umformfläche (7) und der Rückseite erstreckten äußeren Umfang aufweist und die Umformpresse wenigstens einem der folgenden Merkmale entspricht:
(i) die Düsen (13) oder nur ein Teil der Düsen (13) sind oder ist auf die Rückseite gerichtet;

(ii) die Düsen (13) oder nur ein Teil der Düsen (13) sind oder ist so angeordnet oder gerichtet, dass ein von ihnen erzeugter Sprühnebel (N) den äußeren Umfang beaufschlagt, wobei diese Düsen optional an einer dem äußeren Umfang gegenüberliegend zugewandten seitlichen Trägerstruktur angeordnet sind;

(iii) die Düsen (13) oder nur ein Teil der Düsen (13) sind oder ist so angeordnet und gerichtet, dass sie einen Sprühnebel (N) erzeugen, der bei geöffnetem Umformwerkzeug (10) vom äußeren Umfang in einen zwischen den Werkzeugformen (1, 2) bestehenden Spalt hineinreicht, so dass die Umformfläche (7) der wenigstens einen Werkzeugform (1, 2) unmittelbar mit dem Kühlmittel beaufschlagt werden kann.
Umformpresse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformpresse einen Temperaturdetektor zur Ermittlung einer Temperatur des Bauteils (B) oder des Umformwerkzeugs (10) und die Kühlungseinrichtung (20) eine Stelleinrichtung zur Einstellung oder Verstellung der von den Düsen (13) versprühten Kühlmittelmenge und eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung umfasst, die die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur steuert oder regelt, vorzugsweise auf Einhaltung einer Obergrenze der Temperatur des Bauteils (B).