EP2595770B1

EP2595770B1 - Umformwerkzeug und verfahren zum warmumformen und partiellen presshärten eines werkstückes aus stahlblech

Info

Publication number: EP2595770B1
Application number: EP11729634.3A
Authority: EP
Inventors: Siegfried Lösch
Original assignee: Gestamp Umformtechnik GmbH
Current assignee: Gestamp Umformtechnik GmbH
Priority date: 2010-07-19
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: PL2595770T3; KR20130054994A; KR101530367B1; US20170252791A1; WO2012010418A1; ES2495997T3; CN103003003B; DE102010027554A1; US9687898B2; US10166589B2; US20130205863A1; WO2012010418A9; CN103003003A; EP2595770A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug zum Warmumformen und partiellen Presshärten eines Werkstückes aus Stahlblech, mit einer Matrize, einem zum Umformen des Werkstückes in eine Vertiefung der Matrize einführbaren Stempel und einer Kühleinrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Warmumformen und partiellen Presshärten eines Werkstückes aus Stahlblech, bei welchem das Werkstück vor dem Umformen erhitzt wird und anschließend in einem eine Matrize und einen in eine Vertiefung der Matrize einführbaren Stempel aufweisenden Umformwerkzeug warm umgeformt wird, wobei das Umformwerkzeug eine Kühleinrichtung aufweist.
Das Warmumformen von Platinen aus höher- und höchstfesten Stählen zur Herstellung pressgehärteter Bauteile hat sich in den letzten Jahren im Fahrzeugbau etabliert. Dabei wurden unter anderem auch zahlreiche Konzepte zur Herstellung von partiell gehärteten Bauteilen mit unterschiedlichen Gefügen entwickelt. Ein aus der DE 10 2006 019 395 A1 bekanntes Konzept ist das Erwärmen einer aus geeignetem Stahl bestehenden Platine auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur und das unmittelbar anschließende Umformen in einem Warmumformwerkzeug, das in mindestens einem Bereich mit einer Heizeinrichtung zur lokalen Einstellung eines weicheren Gefüges ausgestattet ist. Dieses bekannte Konzept hat jedoch den Nachteil, dass mindestens eine Heizeinrichtung vorgesehen werden muss, die erhebliche Betriebskosten verursacht. Zudem wirkt sich die permanente Wärmebeaufschlagung der entsprechenden Wirkfläche des Umformwerkzeuges negativ auf dessen Standzeit (Lebenszeit) aus.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. Umformwerkzeug zum Warmumformen und partiellen Presshärten von Stahlblech anzugeben, das es auf fertigungstechnisch einfache Weise erlaubt, an dem herzustellenden Metallbauteil aneinander angrenzende Zonen mit unterschiedlichen Gefügen und damit unterschiedlichen Materialeigenschaften zu erzeugen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Umformwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei welchem das Werkstück vor dem Umformen erhitzt und anschließend in einem Umformwerkzeug warm umgeformt wird, wobei das Umformwerkzeug eine Kühleinrichtung aufweist, ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass im geschlossenen Zustand des Umformwerkzeuges der Kontakt zwischen Werkstück und den Kontaktflächen der Matrize und des Stempels durch Auseinanderbewegen eines beweglichen Matrizenteils und eines beweglichen Stempelteils aus einer Schließstellung in eine geöffnete Stellung bereichsweise unterbrochen wird.
Dementsprechend umfasst das erfindungsgemäße Umformwerkzeug eine Matrize, einen in eine Vertiefung der Matrize einführbaren Stempel und eine Kühleinrichtung. Erfindungsgemäß ist die Matrize aus einem ersten Matrizenteil und mindestens einem relativ zu dem ersten Matrizenteil bewegbaren zweiten Matrizenteil gebildet, während der Stempel aus einem ersten Stempelteil und mindestens einem relativ zu dem ersten Stempelteil bewegbaren zweiten Stempelteil gebildet ist, wobei der mindestens eine bewegbare zweite Matrizenteil und der mindestens eine bewegbare zweite Stempelteil mit einer Öffnungsvorrichtung zusammenwirken, die bewirkt, dass das mindestens eine zweite Matrizenteil und das mindestens eine zweite Stempelteil das Werkstück mit kürzerer Schließzeit kontaktieren als das erste Matrizenteil und das erste Stempelteil.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Umformwerkzeug ermöglichen somit auf einfache fertigungstechnische Weise, an dem herzustellenden Metallbauteil aneinander angrenzende Zonen mit unterschiedlichen Gefügen und entsprechend unterschiedlichen Materialkennwerten wie Festigkeit und Dehnungsvermögen zu erzeugen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformwerkzeuges besteht darin, dass die Matrizenteile beweglich mit einem Matrizenträger und die Stempelteile beweglich mit einem Stempelträger verbunden sind, wobei der Matrizenträger und der Stempelträger jeweils mit einem Stößel versehen sind, und wobei die Stößel im geschlossenen Zustand des ersten Matrizenteils und des ersten Stempelteils durch eine weitere Annäherung von Matrizenträger und Stempelträger ein Auseinanderbewegen des mindestens einen zweiten Matrizenteils und des mindestens einen zweiten Stempelteils bewirken. Diese Ausgestaltung lässt sich im Vergleich zu herkömmlichen Umformwerkzeugen zum Warmumformen und partiellen Presshärten von Stahlplatinen ohne nennenswerten zusätzlichen Energieverbrauch betreiben. Insbesondere erfordert diese Ausgestaltung keine kostenintensiven zusätzlichen Antriebsmittel für das Auseinanderbewegen der Werkzeugteile, die der Erzeugung mindestens einer Zone mit relativ weichem Gefüge im Bauteil dienen. Vielmehr kann hierzu der ohnehin vorhandene Pressenstößel genutzt werden, der zum Schließen des Umformwerkzeuges, d.h. zum Bewegen des Stempels dient. Beim Zurückfahren der Stößel des Matrizenträgers und des Stempelträgers schließen vor dem Öffnen von Matrize und Stempel das mindestens eine zweite Matrizenteil und das mindestens eine zweite Stempelteil nochmals, wodurch der Bereich des Werkstückes (Bauteils), in welchem der Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeugwirkfläche unterbrochen wurde, nachgeschlagen wird.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformwerkzeuges ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Matrizenteil starr und das mindestens eine zweite Matrizenteil beweglich mit einem Matrizenträger verbunden sind, während das erste Stempelteil starr und das mindestens eine zweite Stempelteil beweglich mit einem Stempelträger verbunden sind, wobei der Matrizenträger und der Stempelträger jeweils mit einem eine Vorwärts- sowie eine Rückwärtsbewegung bewirkenden Antriebsmittel versehen sind, und wobei im geschlossenen Zustand von erstem Matrizenteil und erstem Stempelteil die Antriebsmittel ein Auseinanderbewegen des mindestens einen zweiten Matrizenteils und des mindestens einen zweiten Stempelteils bewirken. Diese Variante des erfindungsgemäßen Umformwerkzeuges kann so betrieben werden, dass je nach Wunsch mit und ohne Nachschlagen des Werkstückes, d.h. mit und ohne nochmaligem Schließen des mit dem Matrizenträger beweglich verbundenen Matrizenteils und des mit dem Stempelträger beweglich verbundenen Stempelteils, gefertigt werden kann. Der Zeitpunkt, in welchem der mit dem Matrizenträger beweglich verbundene Matrizenteil und der mit dem Stempelträger beweglich verbundene Stempelteil auseinander bewegt werden, kann variabel und in Abhängigkeit von der im Kontaktbereich dieser Werkzeugteile im Werkstück einzustellenden Dehnung geregelt werden. Die Antriebsmittel zum Auseinanderbewegen des mindestens einen zweiten Matrizenteils und des mindestens einen zweiten Stempelteils sind vorzugsweise aus hydraulischen, pneumatischen oder hydropneumatischen Arbeitszylindern gebildet.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformwerkzeuges sieht vor, dass das mindestens eine zweite Matrizenteil und/oder das mindestens eine zweite Stempelteil, die im geschlossenen Zustand des Umformwerkzeuges auseinander bewegt werden, eine regelbare Temperiereinrichtung, vorzugsweise eine Heizung aufweisen. Hierdurch lässt sich nicht nur mit hoher Zuverlässigkeit sicherstellen, dass an dem Werkstück gezielt ein oder mehrere nicht gehärtete Bereiche erzeugt werden; diese Ausgestaltung schafft auch die Möglichkeit, in einem bestimmten Bereich des Werkstückes dessen Materialeigenschaften wie Festigkeit und Dehnung je nach den an das herzustellende Bauteil gestellten Anforderungen variabel einzustellen.
In vorteilhafter Weise können das mindestens eine zweite Matrizenteil und/oder das mindestens eine zweite Stempelteil aus einem Werkstoff hergestellt sein bzw. eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, die schlecht Wärme leitet, um gezielt einer Abfuhr von Wärme in den Bereichen des Werkstückes, die nicht gehärtet werden, entgegenzuwirken. Beispielsweise könnte Keramik als ein Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen Werkstück und den Kontaktflächen der Matrize und des Stempels des Umformwerkzeuges bereichsweise durch wiederholtes bzw. mehrfaches Auseinanderbewegen des beweglichen Matrizenteils und des beweglichen Stempelteils aus der Schließstellung in die geöffnete Stellung und anschließendes Zurückbewegen des beweglichen Matrizenteils und des beweglichen Stempelteils aus der geöffneten Stellung in die Schließstellung getaktet unterbrochen wird. Die Abkühlrate des warm umgeformten Werkstückes kann auf diese Weise in einem weiten Bereich beliebig reduziert bzw. variiert werden. Wenn beispielsweise bei einem kontinuierlichen, d.h. unterbrochenen Kontakt zwischen gekühltem Umformwerkzeug und Werkstück bzw. Bauteil die Abkühlrate des Bauteils 100 °C/s beträgt, so kann bei einer getakteten Kontaktzeit von 0,2 Sekunden pro Sekunde (d.h. 0,8 Sekunden pro Sekunde besteht kein Kontakt) die mittlere Abkühlrate des Bauteils auf ungefähr 20°C/s reduziert werden.
Vorzugsweise wird die getaktete Kontaktunterbrechung so eingestellt, dass die Summe der Kontaktzeiten kleiner als die Summe der Kontaktunterbrechungszeiten ist. Alternativ kann die getaktete Kontaktunterbrechung aber auch so eingestellt werden, dass die Summe der Kontaktzeiten gleich der Summe oder größer als die Summe der Kontaktunterbrechungszeiten ist.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1: eine Schnittansicht eines Umformwerkzeuges im vollständig geschlossenen Zustand;
Fig. 2: eine Schnittansicht des Umformwerkzeuges der Fig. 1 im partiell geschlossenen Zustand;
Fig. 3: ein weiteres Umformwerkzeug im vollständig geschlossenen Zustand, in einer Schnittansicht;
Fig. 4: das Umformwerkzeug der Fig. 3 im partiell geschlossenen Zustand, in einer Schnittansicht;
Fig. 5: eine hydropneumatische Vorrichtung zum Antrieb und zur Steuerung der partiellen Öffnung des Umformwerkzeuges der Figuren 3 und 4; und
Fig. 6: ein Weg-Zeit-Diagramm, das eine getaktete Unterbrechung des Kontaktes von Umformwerkzeug und Werkstück bzw. geformten Bauteil veranschaulicht.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Umformwerkzeuges 1, 1' zum Warmumformen und partiellen Presshärten einer Platine aus höher- oder höchstfestem Stahl dargestellt. Bei dem aus der Platine herzustellenden Bauteil 2 handelt es sich beispielsweise um einen Stoßfänger, eine B-Säule oder ein anderes crashrelevantes Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeuges. Die Platine (Werkstück) besteht beispielsweise aus einem Mangan-Bor-Stahl, insbesondere einem Mangan-Bor-Stahl vom Legierungstyp 22MnB5.
Bereiche des Bauteils (Werkstücks) 2, die gehärtet werden sollen, müssen ausgehend von der Austenitisierungstemperatur schnell abgekühlt werden, während Bereiche des Bauteils 2, die nicht gehärtet werden sollen, keine schnelle Abkühlung erfahren dürfen.
Die in der Zeichnung dargestellten Umformwerkzeuge 1, 1' bieten die Möglichkeit, den Kontakt zwischen dem Bauteil und den Werkzeugwirkflächen bereichsweise zu unterbrechen.
Das Umformwerkzeug 1, 1' ist nach Art einer Tiefziehvorrichtung ausgebildet und weist eine Matrize 3 auf. In der Matrize 3 ist eine Vertiefung (Ausnehmung) 4 ausgebildet, die die Außenform des herzustellenden, dreidimensional geformten Bauteils 2 abbildet.
Zusätzlich umfasst das Umformwerkzeug 1, 1' einen Stempel 5, der die Innenform des herzustellenden Bauteils 2 bestimmt. Der Stempel 5 kann mittels einer nicht dargestellten Stelleinrichtung (Pressenstößel) aus einer von der Matrize 3 entfernten Ausgangsstellung in eine Schließstellung bewegt werden, in der er vollständig in die Vertiefung 4 der Matrize 3 eingefahren ist. Die Stelleinrichtung umfasst dabei eine Steuereinrichtung, die die Geschwindigkeit, mit der der Stempel 5 in die Ausnehmung 4 der Matrize 3 einfährt, kontrolliert.
Die Matrize 3 ist in mindestens zwei Matrizenteile 3.1, 3.2 unterteilt, die relativ zueinander bewegbar an einem ortfesten Träger, z.B. einer Platte 6 eines Pressentisches gehalten sind. Dementsprechend ist auch der Stempel 5 in eine entsprechende Anzahl von Stempelteilen 5.1, 5.2 unterteilt, wobei jeweils einem Matrizenteil 3.1, 3.2 ein damit zusammenwirkender Stempelteil 5.1 bzw. 5.2 zugeordnet ist. Die Stempelteile 5.1, 5.2 sind ebenfalls relativ zueinander bewegbar an einem Stempelträger 7 gehalten, der beispielsweise aus einer Platte gebildet ist. Der Stempelträger bzw. die Platte 7 ist an der oben erwähnten, hier nicht dargestellten Stelleinrichtung montiert, mittels der der Stempel 5 aus einer von der Matrize 3 entfernten Ausgangsstellung in die Vertiefung 4 der Matrize 3 eingefahren werden kann.
In den Figuren 1 bis 4 soll jeweils mit den linksseitig dargestellten Werkzeugteilen 3.1, 5.1 das Bauteil 2 partiell gehärtet werden, wohingegen die rechtsseitig dargestellten Werkzeugteile 3.2, 5.2 ein Härten des Bauteils 2 durch Unterbrechung des Kontaktes von Bauteil 2 und den Werkzeugwirkflächen 3.21, 5.21 unterbinden sollen.
Die Wirkfläche des linkseitig dargestellten Stempelteils 5.1 und/oder die Wirkfläche des zugehörigen Matrizenteils 3.1 sind gekühlt, während die Wirkflächen 3.21, 5.21 der rechtsseitig dargestellten Werkzeugteile 3.2, 5.2, an denen ein anderes bzw. relativ weiches Gefüge eingestellt werden soll, gekühlt und/oder vorzugsweise beheizt und/oder aus einem schlecht wärmeleitenden Werkstoff bzw. einer schlecht wärmeleitenden Oberflächenbeschichtung ausgeführt werden. Hierzu sind in das Stempelteil 5.1 und das Matrizenteil 3.1 nahe deren Wirkflächen Kühlkanäle 8 eingebracht. Die Kühlkanäle 8 sind Teil einer weiter nicht dargestellten Kühleinrichtung. Abhängig von dem jeweils erforderlichen Kühlgrad werden die Kühlkanäle von Wasser, Eiswasser, einer tiefgekühlten Salzlösung, flüssigem Stickstoff oder einem anderen Kühlmedium durchströmt, das zur schnellen Abführung großer Wärmemengen geeignet ist.
Ebenso sind in das zweite Stempelteil 5.2 und das Matrizenteil 3.2 nahe deren Wirkflächen 3.21, 5.21 Fluidkanäle 9 einer Temperiereinrichtung eingebracht, die hier ebenfalls im Einzelnen nicht weiter dargestellt ist. Durch die Kanäle 9 der Temperiereinrichtung wird ein Kühlmedium, beispielsweise ein Kühlöl geleitet, das eine moderate Kühlung der Werkzeugteile 3.2, 5.2 in diesem Bereich bewirkt. Alternativ kann zumindest durch einen Teil der Kanäle 9, insbesondere durch die benachbart zu den ersten bzw. linksseitigen Werkzeugteilen 3.2, 5.2 angeordneten Kanäle 9.1 ein Heizfluid, z.B. Heißdampf geleitet werden. Anstelle von Fluidkanälen 9 bzw. 9.1 können in den Werkzeugteilen 3.2, 5.2, an denen ein anderes bzw. relativ weiches Gefüge eingestellt werden soll, auch Heizpatronen, Heizspiralen oder Heizdrähte integriert sein.
Zum Herstellen des Bauteils 2 wird eine Platine aus höher- oder höchstfestem Stahl (z.B. aus 22MnB5) zunächst in einem hier nicht gezeigten Ofen auf Austenitisierungstemperatur erwärmt. Anschließend wird das Werkstück (Platine) in das geöffnete Umformwerkzeug 1, 1' gelegt, so dass es mit seinem Rand auf der Oberseite der Matrize 3 liegt. Sodann werden Niederhalter 10 angesetzt, die das Werkstück in seinem Randbereich während der anschließenden Umformung niederhalten. Die vom Niederhalter 10 ausgeübte Niederhaltekraft kann dabei in Abhängigkeit von der jeweiligen Umformgeschwindigkeit verstellt werden, um ein optimiertes Nachfließen des Werkstückes 2 in die Vertiefung 4 der Matrize 3 zu ermöglichen.
Daraufhin wird der Stempel 5 mit hoher Geschwindigkeit auf das Stahlblech aufgesetzt, so dass die stark gekühlte Stirnseite des Stempelteils 5.1, an dem eine Presshärtung des Stahlblechs 2 erfolgen soll, schnell in intensiven Kontakt mit dem ihr zugeordneten Flächenabschnitt des Stahlblechs 2 kommt.
Den in den Figuren 1 bis 4 rechtsseitig dargestellten Werkzeugteilen 3.2, 5.2 ist eine Öffnungsvorrichtung zugeordnet, die bewirkt, dass das zweite Stempelteil 5.2 und zweite Matrizenteil 3.2 das Werkstück 2 mit kürzerer Schließzeit kontaktieren als das erste Stempelteil 5.1 und das erste Matrizenteil 3.1. Das Stahlblech 2 wird auf diese Weise in seinem Abschnitt 2.1 so schnell abgeschreckt, dass sich dort ein Gefüge bzw. Bereich mit einer Härte bildet, die höher ist als die Härte des an den Abschnitt 2.1 angrenzenden Abschnittes 2.2 des Stahlblechs.
Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Matrizenteile 3.1, 3.2 und die Stempelteile 5.1, 5.2 gefedert gegenüber der zugeordneten Platte 6 des Pressentisches bzw. der Stempelplatte 7 abgestützt. Hierzu sind zwischen der jeweiligen Platte 6 bzw. 7 und den daran gehaltenen Matrizenteilen 3.1, 3.2 bzw. Stempelteilen 5.1, 5.2 Federelemente 11, z.B. Schraubenfedern oder dergleichen angeordnet. Ferner sind die Platten 6 und 7 mit Halterungen 12 versehen, die den Matrizenteilen 3.1, 3.2 und Stempelteilen 5.1, 5.2 zugeordnete Anschläge 13 bilden. Durch die Federelemente 11 sind die beweglichen Matrizen- und Stempelteile 3.1, 3.2, 5.1, 5.2 gegen die Anschläge 13 gespannt. Die Stempelteile 5.1, 5.2 sowie der plattenförmige Stempelträger 7 weisen dabei Ausnehmungen (Durchbrechungen) 14, 15 für die Niederhalter 10 tragende Druckstangen 16 auf. Die Druckstangen 16 durchdringen die Ausnehmungen 14, 15 mit Spiel.
Ferner sind die gefedert abgestützten Matrizen- und Stempelteile 3.1, 3.2, 5.1, 5.2 jeweils mit (nicht näher dargestellten) Führungen versehen, die die Bewegungsrichtung der Matrizen- und Stempelteile 3.1, 3.2, 5.1, 5.2 beim Schließen und Öffnen des Umformwerkzeuges 1 vorgeben.
Des Weiteren sind die als Matrizenträger dienende Platte 6 sowie der plattenförmige Stempelträger 7 mit Stößeln 17, 18 versehen. Der jeweilige Stößel 17, 18 durchdringt eine im Stempelteil 5.2 bzw. Matrizenteil 3.2 ausgebildete Öffnung (Durchgangsbohrung) 19, 20. Die Stößel 17, 18 und dementsprechend die Öffnungen 19, 20 sind axial versetzt zueinander angeordnet.
Zudem sind der plattenförmige Matrizenträger 6 und der Stempelträger 7 mit weiteren Anschlägen 21, 22 versehen, die den Rückseiten der linear verschiebbaren Stempelteile 5.1, 5.2 und Matrizenteile 3.1, 3.2 zugewandt sind. Die den Werkzeugteilen 3.1, 5.1 zugewandten Stirnseiten der Anschläge 21 haben in der in Fig. 1 dargestellten Schließstellung des Umformwerkzeuges 1 einen Abstand A1 von der Rückseite der Werkzeugteile 3.1, 5.1, der geringer ist als der Abstand A2, den die den Rückseiten der Werkzeugteile 3.2, 5.2 zugewandten Stirnseiten der Anschläge 22 von den Werkzeugteile 3.2, 5.2 haben.
Wenn das Umformwerkzeug 1 komplett geschlossen ist, bewirken die Stößel 17, 18 bei einer weiteren Annäherung von Matrizenträger 6 und Stempelträger 7 ein Auseinanderbewegen von Stempelteil 5.2 und Matrizenteil 3.2, d.h. eine partielle Öffnung des Umformwerkzeuges 1, so dass der Kontakt zwischen Bauteil 2 und Werkzeugwirkfläche bereichsweise unterbrochen wird (vgl. Figuren 1 und 2). Die Unterbrechung des Kontaktes von Werkzeugwirkfläche 3.21, 5.21 und Bauteil 2, d.h. das partielle Öffnen des Umformwerkzeuges 1, erfolgt hier bevor und nachdem der Pressenstößel mit dem Stempel 5 seinen unteren Totpunkt in Bezug auf den ortsfesten Pressentisch 6 erreicht hat.
Über die Stößelgeschwindigkeit, d.h. die Geschwindigkeit, mit der der Stempel 5 in Richtung der Platte 6 bewegt wird, sowie den Abstand der Anschläge 21, 22 lässt sich die Schließzeit des Stempelteils 5.2 und des Matrizenteils 3.2 einstellen. Beim Zurückfahren des Stößels 18 schließen vor dem Öffnen von Matrizenteil 3.1 und Stempelteil 5.1 das Matrizenteil 3.2 und das Stempelteil 5.2 nochmals, wodurch der Bereich 2.2 des Bauteils 2, in welchem ein relativ weiches Gefüge erzeugt wurde, nochmals nachgeschlagen wird.
Bei dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Umformwerkzeuges 1' sind Matrizenteil 3.1 und Stempelteil 5.1, an denen das Bauteil partiell gehärtet werden soll, mit dem Matrizenträger (Pressentisch) 6 bzw. Stempelträger 7 starr verbunden. Matrizenteil 3.2 und Stempelteil 5.2, an denen ein relativ weiches Gefüge im Bauteil 2 eingestellt werden soll, sind dagegen über Zylinder (Arbeitszylinder) 23 beweglich gegenüber dem Matrizenträger 6 bzw. Stempelträger 7 abgestützt.
Die Stempelteile 5.1, 5.2 sowie der plattenförmige Stempelträger 7 weisen wiederum Ausnehmungen (Durchgangsbohrungen) 14, 15 auf, die von den die Niederhalter 10 tragenden Druckstangen 16 mit Spiel durchdrungen sind.
Auch sind der Matrizenträger 6 sowie der Stempelträger 7 mit Anschlägen 13, 22 versehen, die den Bewegungsbereich von Matrizenteil 3.2 und Stempelteil 5.2 begrenzen. Die Anschläge sind dabei an Halterungen 12 ausgebildet, an denen das Matrizenteil 3.2 bzw. Stempelteil 5.2 zudem über Federelemente 11 abgestützt ist. Die Federelemente 11, die vorzugsweise als Schraubenfedern ausgeführt sind, greifen an der dem Arbeitszylinder 23 gegenüberliegenden Seite des Stempelteils 5.2 bzw. Matrizenteils 3.2 an.
Mittels der Arbeitszylinder 23, die pneumatisch, hydraulisch oder hydropneumatisch betrieben werden können, wird die Unterbrechung des Kontaktes von Werkzeugwirkfläche 3.21, 5.21 und Bauteil 2 im unteren Totpunkt der Presse realisiert.
Das Umformwerkzeug 1' gemäß den Figuren 3 und 4 kann so betrieben werden, dass das Umformen und partielle Presshärten je nach Wunsch mit oder ohne Nachschlagen des Werkstückes 2, d.h. mit oder ohne nochmaligem Schließen von beweglichem Matrizenteil 3.2 und beweglichem Stempelteil 5.2 vor dem Öffnen des fest am Pressentisch (Matrizenträger 6) bzw. Stempelträger 7 gelagerten Matrizenteils 3.1 bzw. Stempelteils 5.1, erfolgen kann.
In Fig. 5 ist eine Vorrichtung zum Antrieb und zur Steuerung der beweglichen Werkzeugelemente 3.2, 5.2 des in den Figuren 3 und 4 dargestellten Umformwerkzeuges 1' skizziert. Die Vorrichtung umfasst einen nach Art einer Pumpe arbeitenden Hydraulikzylinder 24, der bei jedem Pressenhub durch den Pressenstößel der Umformpresse angetrieben wird. Der Hydraulikzylinder 24 ist vorzugsweise mit Öl befüllt und über eine Hydraulikleitung 25 an dem mit dem beweglichen Stempelteil 5.2 bzw. beweglichen Matrizenteil gekoppelten Arbeitszylinder 23 angeschlossen. Der jeweilige Arbeitszylinder 23 besteht hier aus einem hydropneumatischen Zylinder, auf dessen einer Kolbenseite das durch die Hydraulikleitung 25 fließende Öl wirkt, während auf der anderen Kolbenseite ein verdichtetes Gas wirkt. Der Gasdruck in dem Zylinder 23 kann beispielsweise im geschlossenen Zustand des beweglichen Stempelteils 5.2 und des zugeordneten beweglichen Matrizenteils 3.2 bei ca. 50 bar liegen. Mit den Bezugzeichen 13, 22 sind in Fig. 5 die Anschläge des beweglichen Stempelteils 5.2 bezeichnet.
In der Hydraulikleitung 25 ist ein Ventil 26, vorzugsweise ein Rückschlagventil angeordnet. Ferner ist an der Hydraulikleitung 25 zwischen dem Rückschlagventil 26 und dem Arbeitszylinder 23 ein hydropneumatischer Druckspeicher 27 angeschlossen. Der Gasdruck in dem Druckspeicher 27 beträgt im geschlossenen Zustand von Stempelteil 5.2 und Matrizenteil 3.2 beispielsweise ca. 250 bar. Die Hydraulikleitung 25 ist ferner mit einem 3/2-Wegeventil 28 versehen, von dessen drittem Anschluss eine das Ventil 26 überbrückende Rücklaufleitung 29 angeschlossen ist. In der Rücklaufleitung 29 ist ebenfalls ein Ventil 30 angeordnet, vorzugsweise ein Rückschlagventil, das entgegengesetzt zu dem Ventil 26 wirkt. Ferner ist zwischen dem Ventil 30 und dem 3/2-Wegeventil 28 wiederum ein hydropneumatischer Druckspeicher 31 angeschlossen. Der Gasdruck in diesem Druckspeicher 31 beträgt im geschlossenen Zustand von Stempelteil 5.2 und Matrizenteil 3.2 beispielsweise ca. 5 bar.
Fig. 6 zeigt ein Weg-Zeit-Diagramm, welches eine Betriebsweise eines erfindungsgemäßen Umformwerkzeuges bzw. des Umformwerkzeuges 1' gemäß den Figuren 3 und 4 veranschaulicht, bei dem der Kontakt zwischen Werkstück 2 und den Kontaktflächen der Matrize und des Stempels des Umformwerkzeuges 1' getaktet unterbrochen wird, indem das bewegliche Matrizenteil 3.2 und das bewegliche Stempelteil 5.2 mehrfach aus der Schließstellung (Fig. 3) in die geöffnete Stellung (Fig. 4) und umgekehrt aus der geöffneten Stellung in die Schließstellung bewegt werden. In dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel ist die getaktete Kontaktzeit auf ca. 0,2 Sekunden pro Sekunde eingestellt. Der Kontakt zwischen Werkstück 2 und den Kontaktflächen des beweglichen Matrizenteils 3.2 und des beweglichen Stempelteils 5.2 ist in diesem Fall also um ca. 0,8 Sekunden pro Sekunde unterbrochen. Wenn die Abkühlrate des warm umgeformten Werkstückes 2 im Bereich des gekühlten Matrizenteils 3.1 und des Stempelteils 5.1 des Umformwerkzeuges 1' beispielsweise 100 °C/s beträgt, so kann bei getakteter Unterbrechung des Kontaktes des Werkstückes 2 relativ zu dem gekühlten beweglichen Matrizenteil 3.2 und dem gekühlten beweglichen Stempelteil 5.2 auf eine Kontaktzeit von ca. 0,2 Sekunden pro Sekunde die mittlere Abkühlrate im Bereich des Matrizenteils 3.2 und des Stempelteils 5.2 auf ca. 20°C/s reduziert werden.
Das Maß der mittleren Abkühlratenreduktion hängt im Wesentlichen von dem Verhältnis der Zeit, bei welcher (partiell) kein Kontakt zwischen Umformwerkzeug 1' und Bauteil 2 besteht, zu der Gesamttaktzeit ab. Für das vorstehend angegebene Beispiel bedeutet dies 0,8 s / 1 s = 0,8. Die Abkühlrate sinkt somit um etwa 80% von 100°C/s auf 20°C/s. Da die Abkühlung des Bauteils allerdings bei gleichem Anpressdruck nicht exakt von den Zeiten abhängt, bei denen partiell Kontakt bzw. partiell kein Kontakt zwischen Bauteil und gekühltem Umformwerkzeug besteht, beschreibt die vorstehende Formel lediglich die Grundtendenz. Die Zeiten von Kontakt bzw. Kontaktunterbrechung lassen sich bei der erfindungsgemäßen getakteten Betriebsweise gemäß Fig. 6 in einem weiten Bereich beliebig variieren. Dementsprechend kann mit der beschriebenen Betriebsweise die mittlere Abkühlrate über die Zeit von 0 bis annähernd 100% reduziert werden.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind weitere Varianten denkbar, die auch bei von den dargestellten Ausführungsbeispielen abweichender Gestaltung von der in den beiliegenden Ansprüchen angegebenen Erfindung Gebrauch machen.

Claims

Umformwerkzeug (1, 1') zum Warmumformen und partiellen Presshärten eines Werkstückes aus Stahlblech, mit einer Matrize (3), einem zum Umformen des Werkstückes in eine Vertiefung (4) der Matrize (3) einführbaren Stempel (5) und einer Kühleinrichtung (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (3) aus einem ersten Matrizenteil (3.1) und mindestens einem relativ zu dem ersten Matrizenteil bewegbaren zweiten Matrizenteil (3.2) gebildet ist, während der Stempel (5) aus einem ersten Stempelteil (5.1) und mindestens einem relativ zu dem ersten Stempelteil bewegbaren zweiten Stempelteil (5.2) gebildet ist, wobei der mindestens eine bewegbare zweite Matrizenteil (3.2) und der mindestens eine bewegbare zweite Stempelteil (5.2) mit einer Öffnungsvorrichtung (17, 18; 23) zusammenwirken, die bewirkt, dass das mindestens eine zweite Matrizenteil (3.2) und das mindestens eine zweite Stempelteil (5.2) das Werkstück mit kürzerer Schließzeit kontaktieren als das erste Matrizenteil (3.1) und das erste Stempelteil (5.1).
Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrizenteile (3.1, 3.2) beweglich mit einem Matrizenträger (6) und die Stempelteile (5.1, 5.2) beweglich mit einem Stempelträger (7) verbunden sind, wobei der Matrizenträger (6) und der Stempelträger (7) jeweils mit einem Stößel (17, 18) versehen sind, und wobei die Stößel (17, 18) im geschlossenen Zustand des ersten Matrizenteils (3.1) und des ersten Stempelteils (5.1) durch eine weitere Annäherung von Matrizenträger (6) und Stempelträger (7) ein Auseinanderbewegen des mindestens einen zweiten Matrizenteils (3.2) und des mindestens einen zweiten Stempelteils (5.2) bewirken.
Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Matrizenteil (3.1) starr und das mindestens eine zweite Matrizenteil (3.2) beweglich mit einem Matrizenträger (6) verbunden sind, während das erste Stempelteil (5.1) starr und das mindestens eine zweite Stempelteil (5.2) beweglich mit einem Stempelträger (7) verbunden sind, wobei der Matrizenträger (6) und der Stempelträger (7) jeweils mit einem eine Vorwärts- sowie eine Rückwärtsbewegung bewirkenden Antriebsmittel (23) versehen sind, und wobei im geschlossenen Zustand von erstem Matrizenteil (3.1) und erstem Stempelteil (5.1) die Antriebsmittel (23) ein Auseinanderbewegen des mindestens einen zweiten Matrizenteils (3.2) und des mindestens einen zweiten Stempelteils (5.2) bewirken.
Umformwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel (23) aus hydraulischen, pneumatischen oder hydropneumatischen Arbeitszylindern gebildet sind.
Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Matrizenteil (3.1) und/oder das erste Stempelteil (5.1) eine Kühleinrichtung (8) aufweisen.
Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Matrizenteil (3.2) und/oder das mindestens eine zweite Stempelteil (5.2) eine regelbare Temperiereinrichtung (9, 9.1) aufweisen.
Umformwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (9, 9.1) eine Heizung ist.
Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Matrizenteil (3.2) und/oder das mindestens eine zweite Stempelteil (5.2) aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist oder eine Oberflächenbeschichtung mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Verfahren zum Warmumformen und partiellen Presshärten eines Werkstückes aus Stahlblech, bei welchem das Werkstück vor dem Umformen erhitzt und anschließend in einem eine Matrize (3) und einen Stempel (5) aufweisenden Umformwerkzeug warm umgeformt wird, wobei das Umformwerkzeug eine Kühleinrichtung (8) aufweist, insbesondere unter Verwendung eines Umformwerkzeuges (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im geschlossenen Zustand des Umformwerkzeuges (1, 1') der Kontakt zwischen Werkstück (2) und den Kontaktflächen der Matrize (3) und des Stempels (5) des Umformwerkzeuges bereichsweise durch Auseinanderbewegen eines beweglichen Matrizenteils (3.2) und eines beweglichen Stempelteils (5.2) aus einer Schließstellung in eine geöffnete Stellung unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Öffnen des Umformwerkzeuges (1, 1') der Bereich (2.2) des Werkstückes (2), in welchem der Kontakt zwischen Werkstück und den Kontaktflächen des Umformwerkzeuges bereichsweise unterbrochen wurde, durch Zurückbewegen des beweglichen Matrizenteils (3.2) und des Stempelteils (5.2) aus der geöffneten Stellung in die Schließstellung nachgeschlagen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (1') nach dem partiellen Presshärten des umgeformten Werkstückes (2) geöffnet wird ohne den Bereich (2.2) des Werkstückes (2), in welchem der Kontakt zwischen Werkstück (2) und den Kontaktflächen (3.21, 5.21) des Umformwerkzeuges (1) bereichsweise unterbrochen wurde, nachzuschlagen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen Werkstück (2) und den Kontaktflächen der Matrize (3) und des Stempels (5) des Umformwerkzeuges bereichsweise durch mehrfaches Auseinanderbewegen des beweglichen Matrizenteils (3.2) und des beweglichen Stempelteils (5.2) aus der Schließstellung in die geöffnete Stellung und anschließendes Zurückbewegen des beweglichen Matrizenteils (3.2) und des beweglichen Stempelteils (5.2) aus der geöffneten Stellung in die Schließstellung getaktet unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die getaktete Kontaktunterbrechung so eingestellt wird, dass die Summe der Kontaktzeiten kleiner als die Summe der Kontaktunterbrechungszeiten ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die getaktete Kontaktunterbrechung so eingestellt wird, dass die Summe der Kontaktzeiten gleich der Summe oder größer als die Summe der Kontaktunterbrechungszeiten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (2.2) des Werkstückes (2), in welchem der Kontakt zwischen Werkstück (2) und den Kontaktflächen (3.21, 5.21) des Umformwerkzeuges (1, 1') bereichsweise unterbrochen wird, zuvor während des Umformens beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass während des Umformens auf einen Randbereich des Werkstückes (2) eine in Abhängigkeit von der Umformgeschwindigkeit geregelte Niederhaltekraft ausgeübt wird.