EP2866960B1 - Gekühltes werkzeug zum warmumformen und/oder presshärten eines blechmaterials sowie verfahren zur herstellung einer kühleinrichtung für dieses werkzeug - Google Patents

Gekühltes werkzeug zum warmumformen und/oder presshärten eines blechmaterials sowie verfahren zur herstellung einer kühleinrichtung für dieses werkzeug Download PDF

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EP2866960B1
EP2866960B1 EP13714286.5A EP13714286A EP2866960B1 EP 2866960 B1 EP2866960 B1 EP 2866960B1 EP 13714286 A EP13714286 A EP 13714286A EP 2866960 B1 EP2866960 B1 EP 2866960B1
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EP
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cooling
tool
die
flow
cooling chambers
Prior art date
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Active
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EP13714286.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2866960A1 (de
Inventor
Bernhard Glück
Bernd Wölfer
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
    • B21D37/16—Heating or cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/20—Deep-drawing
    • B21D22/208—Deep-drawing by heating the blank or deep-drawing associated with heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/673—Quenching devices for die quenching
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4998—Combined manufacture including applying or shaping of fluent material
    • Y10T29/49988—Metal casting
    • Y10T29/49989—Followed by cutting or removing material

Definitions

  • the invention relates to a tool for hot forming and / or press hardening of a sheet material, according to the type specified in the preamble of claim 1, such as from JP S64 27920 A known.
  • the invention further relates to a method for producing a cooling device for such a tool.
  • Hot working is generally understood to mean the forming of a sheet material above its recrystallization temperature.
  • Under press hardening or form hardening is the forming of a previously heated sheet material with simultaneous cooling understood (within a few seconds), which in addition to the shaping of the sheet material and an increase in strength is brought about.
  • simultaneous cooling understood within a few seconds
  • Hot-forming tools and press-hardening tools are typically formed with integrated cooling devices to actively cool the tool-engaging surfaces in contact with the heated sheet-metal and to purposely remove the thermal energy introduced into the tool by the heated sheet-metal material.
  • These cooling devices are usually arranged in the tool cooling holes or cooling channels, which are flowed through by a cooling medium (in particular water-based), so as to accomplish the active cooling of the tool effective surfaces.
  • a cooling medium in particular water-based
  • a cooling device consists of a cooling insert with incorporated cooling channels and a lid placed on this cooling insert (or. Shell), on which also a tool acting surface is formed, is constructed.
  • the invention has for its object to provide a tool for hot forming and / or press hardening of a sheet material with at least one integrated cooling device in the tool, which can be produced easily and inexpensively.
  • the tool according to the invention has a plurality of cooling devices which are integrated in the tool and can be flowed through with a coolant, but at least such a cooling device in order to be able to actively cool the tool acting surfaces coming into contact with the sheet material at least in regions, or to be able to dissipate heat from the tool ,
  • at least one cooling device of the tool according to the invention comprises a shell element with a tool acting surface formed thereon or a tool active surface section, this shell element having on a back side facing away from this tool effective area a plurality of separate cooling chambers through which a coolant can flow and at least one flow control element in each of these cooling chambers the coolant is arranged.
  • the at least one flow guide With the at least one flow guide a defined flow through the respective cooling chamber is achieved.
  • the at least one flow-guiding element serves to control a coolant volume flow through the cooling chamber.
  • the respective flow guide elements are inserted and fastened in the associated cooling chambers in the shell element.
  • the cooling chambers of the shell element are typically formed with different space contour or shape.
  • the arranged in the cooling chambers flow guide therefore have a different Design or shaping on.
  • an individual adaptation between a cooling chamber and the flow guide elements used therein takes place only by processing or reworking of these flow guide elements, whereby this processing can be carried out at any time (ie even after the tool has already been in operation).
  • the flow guide elements can be formed from a material which can be processed particularly easily, as explained in more detail below.
  • the shell element preferably has a plurality of identical and / or differently configured cooling chambers. However, the shell element may also have only a single cooling chamber.
  • the cooling chambers of the shell element are preferably designed as separate through-flow cooling chambers, d. H. Each cooling chamber is fed separately with cooling medium and flows through it. It is preferably provided that two adjacent cooling chambers are divided by a support rib arranged therebetween.
  • the support rib may also serve to support the shell member on a tool body (or the like) to which the shell member is attached. As a result, the shell stability and the compressive strength are significantly improved.
  • each cooling chamber of the shell element is a one-piece body (also referred to below as a flow guide body).
  • Each body or flow guide is adapted in its shape to the associated cooling chamber in which it is positioned or inserted. It is preferably provided that between the outer surface of the flow guide and the inner wall the cooling chamber (Kühlschdung) at least partially a gap (hereinafter also referred to as flow gap) exists or exists through which the coolant can flow defined or through which a coolant flow can be passed through the control of the coolant flow rate quasi through the surface the flow guide takes place.
  • the flow guide body can be provided at least in regions with a surface that reduces or increases the fluid friction and / or coating.
  • such a flow guide body has no supporting or stabilizing function for the shell element, but merely serves to bring about a defined coolant volume flow in the relevant cooling chamber.
  • the flow through a cooling chamber can be influenced in a targeted manner with so-called turbulence promoters in order, for example, to set a turbulent or laminar flow.
  • the flow guide body arranged within a cooling chamber can be flowed around everywhere by the coolant, as a result of which inter alia an overheating of the flow guide body is prevented.
  • the area offset can be uniform or constant. However, it is preferably provided that it is a locally different area offset.
  • a plurality of flow fins may be provided, which are arranged in a cooling chamber. This will be explained in more detail below in connection with the figures.
  • the flow guide body preferably consists of a plastic material.
  • the flow guide body is a plastic cast body.
  • Plastic materials are characterized by a low weight and ease of processing and workability, which allows the flow guide in a simple manner to adapt to the associated cooling chamber individually.
  • the flow guide bodies arranged in different cooling chambers of a shell element can be connected or combined with at least one retaining rail (or retaining strip or the like) to form a structural unit.
  • An attachment and position fixing of the flow guide within the cooling chambers can also take place via the retaining rail.
  • the shell element can be a metal casting, wherein the cooling chambers are already present in the casting blank and the cooling chamber walls remain largely unprocessed (that is to say, in particular, without a stress-relieving reworking).
  • the shell element provided as a metal casting has largely unprocessed cooling chambers.
  • thedeschanditch can be provided with a coating, for example. With a sprayed plastic coating.
  • Such a trained shell element proves to be relatively inexpensive.
  • the shell element z. B. also be formed as a metal milled part. In particular, it is a one-piece (i.e., made in one piece) metal casting or metal milled part.
  • the tool according to the invention may comprise a tool lower part and a (relatively movable) tool upper part, wherein opposite cooling devices are located in the tool lower part as well as in the tool upper part according to the preceding explanations, but whose cooling chambers are arranged offset from one another.
  • Fig. 1 1 shows a tool lower part 100 belonging to a press-hardening tool (in which a hot-forming tool can be designed essentially identical).
  • the tool upper part 200 belonging to the press-hardening tool which in principle can be constructed identically to the tool lower part 100, is indicated only schematically.
  • the tool parts 100 and 200 have tooling surfaces 120 and 220 between which a heated sheet material is formed and cooled at the same time can be.
  • the lower tool part 100 has a plurality of cooling devices in order to be able to actively cool the tool surface 120 that comes into contact with the heated sheet metal material.
  • the tool upper part 200 also has such cooling devices.
  • These cooling devices include metallic shell elements 130 and 140, which are removably attached to a tool body 110.
  • the left-side cooling device is explained in more detail below, for which purpose the shell element 140 is shown in a sectional view.
  • the right-side cooling device with the shell element 130 is constructed in a comparable manner.
  • two or more cooling devices with shell elements only one cooling device with shell element can be provided on the tool according to the invention.
  • other cooling devices or cooling systems known from the prior art for example conventional cooling bores or cooling channels
  • the shell member 140 has a tool-action surface portion 120 '. Starting from the rear side facing away from the tool effective surface section 120 ', which rests on the main body 110, a plurality of cooling chambers 141 extend into the shell element 140, through which a cooling medium (in particular water) can flow. Each cooling chamber 141 is flowed through separately, wherein the leads and drains for the coolant leading over the tool base body 110 are not shown.
  • the mutually adjacent cooling chambers 141 are divided by support ribs 142, wherein the support ribs 142 on the (only exemplary) flat tool body 110 are supported, which improves the pressure resistance and setting behavior of the shell member 140 and leads to an increase in the service life.
  • the cooling chambers 141 taking into account the shape of the horrying perennial abitess 120 'an individual shape and a different depth (and thus different volumes), wherein the respective depth is dimensioned such that at the bottom of the recesses or cooling chambers 141 an equal thickness distance (shell thickness ) to the tool-engaging portion 120 ', as shown.
  • the shell thicknesses in the area of the tool-active area section 120 ' can be kept very low due to the support by the support ribs 142, which is advantageous for the cooling of the tool-active area section 120'. Due to the support by the support ribs 142, the shell element 120 can also be formed with high hardness in the area of the tool-active area section 120 '.
  • each cooling chamber 141 a core-like flow guide 143 is arranged.
  • the flow guide 143 serves to guide the coolant defined by the cooling chamber 141, as explained in more detail below.
  • the flow-guiding element is a one-piece body (hereinafter referred to as flow-guiding body) made of a plastic material (or of an easily machined metal material, such as, for example, aluminum). In principle, however, a flow-guiding element or flow-guiding body 143 can also be formed in several pieces.
  • Each flow guide body 143 is adapted in its shape to the shape of the associated or corresponding cooling chamber 141.
  • 147 denotes a rod-like or connecting element on which all the flow guide bodies 143 inserted in the shell element 140 are fastened (for example, by screwing), thereby creating an assembly that is easy to handle.
  • Fig. 2 shows a section through the shell member 140, wherein this section according to the in Fig. 1 specified section AA passes through a cooling chamber 141 and the core-like flow guide 143 inserted therein.
  • the one-piece flow guide body 143 is designed with respect to its circumferential outer contour or circumferential contour such that there is a flow gap 145 between the flow guide 143 and the oppositedehuntwandung the cooling chamber 141 results, through which the coolant can flow defined (as illustrated with flow arrows) and so a control of the coolant flow rate is achieved.
  • the gap size of the flow gap 145 can be locally adjusted as required, which takes place by removal or optionally by application of plastic material at the flow guide 143.
  • a flow channel or the like may be incorporated for the coolant.
  • the flow guide 143 may contact the front of the chamber wall (as in Fig. 1 shown). However, it is preferably provided that the shaping of the flow guide body 143 with respect to the shaping of the associated or corresponding cooling chamber 141 or itsdeschdung is such that at each point or everywhere a constant width or locally different width flow gap 145 exists, so that the Flow guide 143 completely, ie, also the front side, can be flowed around by the cooling medium. As a result, overheating of the flow guide body 143 can be effectively prevented.
  • the flow guide body 143 is fixed to the rod-like connecting member 147 and is held therethrough within the cooling chamber 141 and fixed in the position shown.
  • the connecting element 147 may be screwed to the shell element 140.
  • FIG. 1 only schematically illustrated tool upper part 200 may be constructed in a similar manner as the tool base 100.
  • the cooling chambers 141 in the shell element 140 belonging to the tool lower part 100 and the cooling chambers 241 in an opposing shell element on the tool upper part 200 are staggered so that no heat esters can arise due to any insufficient cooling of the tool reaction surfaces 120 and 220.
  • the displacement of the cooling chambers 241 in the upper tool part 200 and the cooling chambers 141 in the lower tool part 100 is designed in particular such that the cooling chambers of a tool part overlap with the support ribs between the cooling chambers of the other tool part (with the tool closed).
  • the cooling device described above can be relatively easily, inexpensively and quickly produced.
  • the shell element 140 may be in one piece Metal milled part or produced as a metal casting. (Optionally, a multi-piece welded construction is also conceivable.) Without elaborate processing of theharimuth (inner walls) can then be poured into the cooling chambers 141, a liquid plastic or metal material, so as to produce the flow guide 143.
  • the cooling chambers 141 may be coated with a release agent (or the like) before casting or lined with a foil (eg a wax foil). Furthermore, draft angles can be provided.
  • the particular massive flow guide 143 can be removed from the cooling chambers 141 and optionally reworked (which is preferably done manually), wherein in particular the post-processing of a plastic material (or aluminum material) proves to be very easy due to the weight and the processing properties.
  • the flow gap 145 between a flow guide body 143 and an associated cooling chamber wall (which, in particular, remains unprocessed) can only be set by machining the flow guide body 143.
  • the cooling chambers 141 are already prepared or prepared prior to pouring in such a way that optimum flow gaps 145 already result without post-processing of the flow guide bodies 143.
  • the flow guide 143 can be attached via the retaining strip or support rail 147 on the shell member 140 and fixed in position.
  • Fig. 3 shows in the same representation as Fig. 2 an alternative embodiment of a cooling device according to the invention. Identical components are designated by the same reference numerals. However, for the sake of distinction, the letter "a" is used in addition.
  • a plurality of flow fins 148a are provided to achieve control of the refrigerant flow rate in the cooling chamber 141a.
  • the flow fins 148a may partially overlap.
  • the flow blades 148a are z. B. made of a metal material and on a support rail 149 a fastened (eg by welding).
  • the flow fins 148a may also be made of a plastic material.
  • the lamellar structure is particularly suitable for small and / or narrow cooling chambers.
  • the cooling devices described above can be used in addition to hot forming and press hardening tools in other tools, such as in particular tools for the production of CFRP components.
  • An inventive tool can be used with minor modifications for a wet pressing process in the course of the production of CFRP components, wherein the cooling means are converted into an oil or water-driven heating device.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten eines Blechmaterials, gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher angegebenen Art, wie z.B. aus der JP S64 27920 A bekannt.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Kühleinrichtung für ein solches Werkzeug.
  • Unter Warmumformen wird allgemein das Umformen eines Blechmaterials oberhalb seiner Rekristallisationstemperatur verstanden. Unter Presshärten bzw. Formhärten wird das Umformen eines zuvor erwärmten Blechmaterials unter gleichzeitiger Abkühlung (innerhalb weniger Sekunden) verstanden, wodurch neben der Formgebung des Blechmaterials auch eine Festigkeitssteigerung herbeigeführt wird. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahrensvarianten für das Warmumformen und Presshärten (bspw. das direkte und das indirekte Presshärten) bekannt. Warmumformwerkzeuge und Presshärtewerkzeuge sind typischerweise mit integrierten Kühleinrichtungen ausgebildet, um die mit dem erwärmten Blechmaterial in Berührungskontakt gelangenden Werkzeugwirkflächen aktiv kühlen zu können und um die durch das erwärmte Blechmaterial in das Werkzeug eingebrachte Wärmeenergie gezielt aus dem Werkzeug abführen zu können. Bei diesen Kühleinrichtungen handelt es sich üblicherweise um im Werkzeug angeordnete Kühlbohrungen bzw. Kühlkanäle, die von einem Kühlmedium (insbesondere auf Wasserbasis) durchströmt werden, um so die aktive Kühlung der Werkzeugwirkflächen zu bewerkstelligen. Zum Stand der Technik wird auf die DE 10 2007 003 745 A1 verwiesen.
  • Aus der DE 10 2007 040 013 A1 ist ein Werkzeug zum Presshärten eines Blechmaterials bekannt, bei dem eine Kühleinrichtung aus einem Kühleinsatz mit eingearbeiteten Kühlkanälen und einem auf diesen Kühleinsatz aufgesetzten Deckel (bzw. Schale), an dem gleichfalls auch eine Werkzeugwirkfläche ausgebildet ist, aufgebaut ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Werkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten eines Blechmaterials mit wenigstens einer im Werkzeug integrierten Kühleinrichtung anzugeben, das sich einfach und kostengünstig herstellen lässt.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kühleinrichtung für dieses Werkzeug. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
  • Das erfindungsgemäße Werkzeug weist mehrere in das Werkzeug integrierte und mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühleinrichtungen auf, wenigstens jedoch eine solche Kühleinrichtung, um damit die mit dem Blechmaterial in Berührungskontakt kommenden Werkzeugwirkflächen zumindest bereichsweise aktiv kühlen zu können, bzw. um Wärme aus dem Werkzeug ableiten zu können. Es ist vorgesehen, dass wenigstens eine Kühleinrichtung des erfindungsgemäßen Werkzeugs ein Schalenelement mit einer daran ausgebildeten Werkzeugwirkfläche bzw. einem Werkzeugwirkflächenabschnitt umfasst, wobei dieses Schalenelement auf einer dieser Werkzeugwirkfläche abgewandten Rückseite mehrere separate von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkammern aufweist und in jeder dieser Kühlkammern wenigstens ein Strömungsleitelement für das Kühlmittel angeordnet ist.
  • Mit dem wenigstens einen Strömungsleitelement wird eine definierte Durchströmung der jeweiligen Kühlkammer erreicht. D. h. das wenigstens eine Strömungsleitelement dient der Steuerung eines Kühlmittelvolumenstroms durch die Kühlkammer. Die jeweiligen Strömungsleitelemente werden in die zugehörigen Kühlkammern im Schalenelement eingesetzt und befestigt. Die Kühlkammern des Schalenelements sind typischerweise mit unterschiedlicher Raumkontur bzw. Formgebung ausgebildet. Die in den Kühlkammern angeordneten Strömungsleitelemente weisen daher eine unterschiedliche Gestaltung bzw. Formgebung auf. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine individuelle Anpassung zwischen einer Kühlkammer und den darin eingesetzten Strömungsleitelementen lediglich durch Bearbeitung bzw. Überarbeitung dieser Strömungsleitelemente erfolgt, wobei diese Bearbeitung jederzeit (d. h. auch nach dem das Werkzeug bereits in Betrieb ist) vorgenommen werden kann. Die Strömungsleitelemente können aus einem besonders einfach bearbeitbaren Material gebildet sein, wie nachfolgend noch näher erläutert. Aufwändige spanabhebende bzw. zerspanende Bearbeitungen, wie dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugen und deren Kühleinrichtungen erforderlich ist, entfallen somit weitgehend. Mit der erfindungsgemäßen Idee werden ohne Einschränkung der geometrischen Formgebungsmöglichkeiten für das umzuformende Blechmaterial gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten die Herstellungsaufwände und -kosten (insbesondere auch die Materialkosten) erheblich reduziert. Ferner ergeben sich auch Zeitersparnisse im Herstellungsprozess. Auch Reparatur- und Wartungsprozesse gestalten sich kürzer und sind kostengünstiger.
  • Das Schalenelement weist bevorzugt mehrere gleich und/oder unterschiedlich ausgebildete Kühlkammern auf. Das Schalenelement kann jedoch auch nur eine einzelne Kühlkammer aufweisen. Die Kühlkammern des Schalenelements sind vorzugsweise als separat durchströmbare Kühlkammern ausgebildet, d. h. jede Kühlkammer wird separat mit Kühlmedium gespeist und durchströmt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass zwei benachbarte Kühlkammern durch eine dazwischen angeordnete Stützrippe unterteilt sind. Die Stützrippe kann auch der Abstützung des Schalenelements auf einem Werkzeuggrundkörper (oder dergleichen), an dem das Schalenelement befestigt ist, dienen. Dadurch werden die Schalenstabilität und die Druckfestigkeit erheblich verbessert.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass in jeder Kühlkammer des Schalenelements ein als einstückiger Körper (nachfolgend auch als Strömungsleitkörper bezeichnet) ausgebildetes Strömungsleitelement vorgesehen bzw. darin angeordnet ist. Jeder Körper bzw. Strömungsleitkörper ist in seiner Formgebung an die zugehörige Kühlkammer, in der er positioniert bzw. eingesetzt ist, angepasst. Bevorzugt ist vorgesehen, dass zwischen der Außenfläche des Strömungsleitkörpers und der Innenwandung der Kühlkammer (Kühlkammerwandung) zumindest abschnittsweise ein Spalt (nachfolgend auch als Strömungsspalt bezeichnet) vorhanden ist bzw. existiert, durch den hindurch das Kühlmittel definiert strömen kann bzw. durch den hindurch ein Kühlmittelvolumenstrom geleitet werden kann, wobei die Steuerung des Kühlmittelvolumenstroms quasi durch die Oberfläche des Strömungsleitkörpers erfolgt. Um die Strömungsbedingungen einzustellen, kann der Strömungsleitkörper zumindest bereichsweise mit einer die Flüssigkeitsreibung reduzierenden oder erhöhenden Oberfläche und/oder Beschichtung versehen sein. Ein solcher Strömungsleitkörper hat im Übrigen keine Stütz- oder Stabilisierungsfunktion für das Schalenelement, sondern dient lediglich der Herbeiführung eines definierten Kühlmittelvolumenstroms in der betreffenden Kühlkammer. Im Übrigen kann die Strömung durch eine Kühlkammer gezielt mit so genannten Turbulenzpromotoren beeinflusst werden, um bspw. eine turbulente oder laminare Strömung einzustellen.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der innerhalb einer Kühlkammer angeordnete Strömungsleitkörper überall von dem Kühlmittel umströmt werden kann, wodurch unter anderem eine Überhitzung des Strömungsleitkörpers verhindert wird. In diesem Fall besteht ein Flächenoffset zwischen der Oberfläche des Strömungsleitkörpers und der Kühlkammerwandung. Der Flächenoffset kann einheitlich bzw. konstant sein. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass es sich um einen lokal unterschiedlichen Flächenoffset handelt.
  • Anstelle eines solchen Strömungsleitkörpers kann auch eine Vielzahl von Strömungslamellen vorgesehen sein, die in einer Kühlkammer angeordnet sind. Dies wird nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert.
  • Bevorzugter Weise besteht der Strömungsleitkörper aus einem Kunststoffmaterial. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Strömungsleitkörper um einen Kunststoff-Gusskörper. Kunststoffmaterialien zeichnen sich durch ein geringes Gewicht sowie eine einfache Verarbeitbarkeit und Bearbeitbarkeit aus, wodurch sich der Strömungsleitkörper in einfacher Weise an die zugehörige Kühlkammer individuell anpassen lässt.
  • Die in verschiedenen Kühlkammern eines Schalenelements angeordneten Strömungsleitkörper können mit wenigstens einer Halteschiene (oder Halteleiste oder dergleichen) zu einer Baueinheit verbunden bzw. zusammengefasst sein. Über die Halteschiene kann auch eine Befestigung und Lagefixierung der Strömungsleitkörper innerhalb der Kühlkammern erfolgen.
  • Das Schalenelement kann ein Metallgussteil sein, wobei die Kühlkammern bereits im Gussrohling vorhanden sind und die Kühlkammerwandungen weitgehend unbearbeitet (d. h. insbesondere ohne spannabhebende Überarbeitung) verbleiben. D. h. das als Metallgussteil bereitgestellte Schalenelement weist weitgehend unbearbeitete Kühlkammern auf. Die Kühlkammerwandungen können jedoch mit einer Beschichtung, bspw. mit einer aufgespritzten Kunststoffbeschichtung, versehen sein. Ein derart ausgebildetes Schalenelement erweist sich als verhältnismäßig kostengünstig. Alternativ kann das Schalenelement z. B. auch als Metallfrästeil ausgebildet sein. Insbesondere handelt es sich um ein einstückiges (d. h. an einem Stück hergestelltes) Metallgussteil oder Metallfrästeil.
  • Das erfindungsgemäße Werkzeug kann ein Werkzeugunterteil und ein (relativbewegliches) Werkzeugoberteil aufweisen, wobei sich sowohl im Werkzeugunterteil als auch im Werkzeugoberteil gegenüberliegende Kühleinrichtungen gemäß den vorausgehenden Erläuterungen befinden, deren Kühlkammern jedoch versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch können Wärmestaupunkte bzw. Wärmenester vermieden werden und die Kühlleistung wird insgesamt optimiert.
  • Mit dem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kühleinrichtung in einem erfindungsgemäßen Werkzeug. Dieses Herstellungsverfahren umfasst zumindest die folgenden Herstellungs- bzw. Verfahrensschritte:
    • Herstellen des Schalenelements (mit den Kühlkammern) als Metallfrästeil oder als Metallgussteil;
    • Eingießen eines flüssigen Kunststoff- oder Metallmaterials in die im Wesentlichen unbearbeiteten Kühlkammern des Schalenelements und Aushärten bzw. Abkühlen lassen des eingegossenen Kunststoff- oder Metallmaterials (das Aushärten erfolgt typischerweise in verhältnismäßig kurzer Zeit; gegebenenfalls können die Kühlkammern zuvor mit einem Trennmittel beschichtet oder mit einer Folie ausgekleidet werden); und
    • Entformen der durch das Aushärten bzw. Abkühlen gebildeten Strömungsleitkörper aus den Kühlkammern und gegebenenfalls individuelles Nachbearbeiten dieser Strömungsleitkörper zur Anpassung an die jeweilige Kühlkammer und insbesondere zur Einstellung eines spezifisch angepassten Strömungsspalts.
  • Im Übrigen gelten für dieses Herstellungsverfahren analog die vorausgehenden und nachfolgenden Erläuterungen in Bezug auf das erfindungsgemäße Werkzeug und umgekehrt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Figuren beispielhaft und in nicht einschränkender Weise näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
    • Fig. 1
    zeigt in einer Schnittansicht ein zu einem erfindungsgemäßen Werkzeug gehörendes Werkzeugunterteil.
    Fig. 2
    zeigt einen Schnitt durch das Werkzeugunterteil aus Fig. 1 gemäß dem angegebenen Schnittverlauf.
    Fig. 3
    zeigt in derselben Darstellung wie Fig. 2 eine alternative Ausführungsmöglichkeit.
  • Fig. 1 zeigt ein zu einem Presshärtewerkzeug (wobei ein Warmumformwerkzeug im Wesentlichen identisch aufgebaut sein kann) gehörendes Werkzeugunterteil 100. Das zum Presshärtewerkzeug gehörende Werkzeugoberteil 200, das prinzipiell identisch wie das Werkzeugunterteil 100 aufgebaut sein kann, ist nur schematisch angedeutet. Die Werkzeugteile 100 und 200 verfügen über Werkzeugwirkflächen 120 und 220, zwischen denen ein erwärmtes Blechmaterial geformt und gleichzeitig gekühlt werden kann. Das Werkzeugunterteil 100 verfügt über mehrere Kühleinrichtungen, um die mit dem erwärmten Blechmaterial in Berührungskontakt kommende Werkzeugoberfläche 120 aktiv kühlen zu können. Auch das Werkzeugoberteil 200 verfügt über solche Kühleinrichtungen.
  • Zu diesen Kühleinrichtungen gehören metallische Schalenelemente 130 und 140, die auswechselbar an einem Werkzeuggrundkörper 110 befestigt sind. Nachfolgend wird die linksseitige Kühleinrichtung näher erläutert, wozu das Schalenelement 140 in einer Schnittansicht dargestellt ist. Die rechtsseitige Kühleinrichtung mit dem Schalenelement 130 ist in vergleichbarer Weise aufgebaut. Anstelle von zwei oder mehreren Kühleinrichtungen mit Schalenelementen kann an dem erfindungsgemäßen Werkzeug auch nur eine Kühleinrichtung mit Schalenelement vorgesehen sein. Ebenso können an dem erfindungsgemäßen Werkzeug ergänzend auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Kühleinrichtungen bzw. Kühlsysteme (bspw. konventionelle Kühlbohrungen bzw. Kühlkanäle) vorgesehen sein.
  • Das Schalenelement 140 weist einen Werkzeugwirkflächenabschnitt 120' auf. Ausgehend von der dem Werkzeugwirkflächenabschnitt 120' abgewandten Rückseite, die auf dem Grundkörper 110 aufliegt, erstrecken sich mehrere Kühlkammern 141 in das Schalenelement 140 hinein, die von einem Kühlmedium (insbesondere Wasser) durchströmt werden können. Jede Kühlkammer 141 wird separat durchströmt, wobei die über den Werkzeuggrundkörper 110 führenden Zu- und Abläufe für das Kühlmittel nicht dargestellt sind. Die zueinander benachbarten Kühlkammern 141 sind durch Stützrippen 142 unterteilt, wobei sich die Stützrippen 142 auf dem (lediglich beispielhaft) ebenen Werkzeuggrundkörper 110 abstützen, was die Druckfestigkeit und das Setzverhalten des Schalenelements 140 verbessert und zu einer Erhöhung der Standzeit führt.
  • Die Kühlkammern 141 weisen unter Berücksichtigung der Gestalt des Werkzeugwirkflächenabschnitts 120' eine individuelle Formgebung und eine unterschiedliche Tiefe (und somit verschiedene Volumen) auf, wobei die jeweilige Tiefe derart bemessen ist, dass sich am Grund der Ausnehmungen bzw. Kühlkammern 141 ein gleicher Dickenabstand (Schalendicke) zu dem Werkzeugwirkflächenabschnitt 120' ergibt, wie dargestellt. In anderen Worten beschrieben heißt das, dass die Kühlkammern 141 bezüglich des Werkzeugwirkflächenabschnitts 120' konturnah ausgeführt sind, so dass sich im Verlauf der Kontur des Werkzeugwirkflächenabschnitts 120' nahezu gleichmäßige Wandstärken (Schalendicken) ergeben, um so eine gleichmäßige Kühlung des Werkzeugwirkflächenabschnitts 120' zu erreichen. Es ist jedoch ebenfalls möglich durch verhältnismäßig einfach realisierbare unterschiedliche Wandstärken bzw. Schalendicken eine individuelle Feinjustierung der Abkühleigenschaften (insbesondere zur Anpassung der Bauteileigenschaften) zu erhalten. Die Schalendicken im Bereich des Werkzeugwirkflächenabschnitts 120' können aufgrund der Abstützung durch die Stützrippen 142 sehr gering gehalten werden, was für die Kühlung des Werkzeugwirkflächenabschnitts 120' vorteilhaft ist. Aufgrund der Abstützung durch die Stützrippen 142 kann das Schalenelement 120 im Bereich des Werkzeugwirkflächenabschnitts 120' auch mit hoher Härte ausgebildet werden.
  • Es ist vorgesehen, dass in jeder Kühlkammer 141 ein kernartiges Strömungsleitelement 143 angeordnet ist. Das Strömungsleitelement 143 dient dazu, das Kühlmittel definiert durch die Kühlkammer 141 zu leiten, wie nachfolgend noch näher erläutert. Bei dem Strömungsleitelement handelt es sich um einen einstückigen Körper (nachfolgend als Strömungsleitkörper bezeichnet) aus einem Kunststoffmaterial (oder aus einem einfach zu bearbeitenden Metallmaterial wie bspw. Aluminium). Prinzipiell kann ein Strömungsleitelement bzw. Strömungsleitkörper 143 aber auch mehrstückig ausgebildet sein. Jeder Strömungsleitkörper 143 ist in seiner Formgebung an die Formgebung der zugehörigen bzw. korrespondierenden Kühlkammer 141 angepasst. Mit 147 ist ein stangen- bzw. schienenartiges Verbindungselement bezeichnet, an dem alle im Schalenelement 140 eingesetzten Strömungsleitkörper 143 befestigt sind (bspw. durch Verschraubung), wodurch eine einfach zu handhabende Baueinheit geschaffen wird.
  • Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Schalenelement 140, wobei dieser Schnitt gemäß dem in Fig. 1 angegebenen Schnittverlauf A-A durch eine Kühlkammer 141 und dem darin eingesetzten kernartigen Strömungsleitkörper 143 hindurch geht. Der einstückige Strömungsleitkörper 143 ist bezüglich seiner umlaufenden Außenkontur bzw. Umfangskontur derart beschaffen, dass sich ein Strömungsspalt 145 zwischen dem Strömungsleitkörper 143 und der gegenüberliegenden Kühlkammerwandung der Kühlkammer 141 ergibt, durch den hindurch das Kühlmittel definiert strömen kann (wie mit Strömungspfeilen veranschaulicht) und so eine Steuerung des Kühlmittelvolumenstroms erreicht wird. Die Spaltgröße des Strömungsspalts 145 kann lokal je nach Erfordernis angepasst werden, was durch Abtrag oder gegebenenfalls durch Auftrag von Kunststoffmaterial am Strömungsleitkörper 143 erfolgt. In die umlaufenden Umfangsflächen des Strömungsleitkörpers 143 kann eine Strömungsrinne oder dergleichen für das Kühlmittel eingearbeitet sein.
  • Der Strömungsleitkörper 143 kann stirnseitig die Kammerwandung berühren (wie in Fig. 1 dargestellt). Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Formgebung des Strömungsleitkörpers 143 bezüglich der Formgebung der zugehörigen bzw. korrespondierenden Kühlkammer 141 bzw. deren Kühlkammerwandung derart beschaffen ist, dass an jeder Stelle bzw. überall ein konstant breiter oder lokal unterschiedlich breiter Strömungsspalt 145 existiert, so dass der Strömungsleitkörper 143 vollständig, d. h. auch stirnseitig, von dem Kühlmedium umströmt werden kann. Hierdurch kann wirkungsvoll eine Übererwärmung des Strömungsleitkörpers 143 verhindert werden. Der Strömungsleitkörper 143 ist an dem stangenartigen Verbindungselement 147 befestigt und wird hierüber innerhalb der Kühlkammer 141 gehalten und in der gezeigten Position fixiert. Das Verbindungselement 147 kann mit dem Schalenelement 140 veschraubt sein.
  • Das in Fig. 1 nur schematisch dargestellte Werkzeugoberteil 200 kann in vergleichbarer Weise wie das Werkzeugunterteil 100 aufgebaut sein. Die Kühlkammern 141 in dem zum Werkzeugunterteil 100 gehörenden Schalenelement 140 und die Kühlkammern 241 in einem gegenüberliegenden Schalenelement am Werkzeugoberteil 200 sind versetzt angeordnet, so dass keine Wärmenester durch etwaige unzureichende Kühlung der Werkzeugwirkflächen 120 und 220 entstehen können. Die Versetzung der Kühlkammern 241 im Werkzeugoberteil 200 und der Kühlkammern 141 im Werkzeugunterteil 100 gestaltet sich insbesondere derart, dass sich die Kühlkammern des einen Werkzeugteils mit den Stützrippen zwischen den Kühlkammern des anderen Werkzeugteils überdecken (bei geschlossenem Werkzeug).
  • Die vorausgehend beschriebene Kühleinrichtung lässt sich verhältnismäßig einfach, kostengünstig und schnell herstellen. Das Schalenelement 140 kann als einstückiges Metallfrästeil oder als Metallgussteil hergestellt werden. (Gegebenenfalls ist auch eine mehrstückige Schweißkonstruktion denkbar.) Ohne eine aufwändige Bearbeitung der Kühlkammerwandungen (Innenwandungen) kann anschließend in die Kühlkammern 141 ein flüssiges Kunststoff- oder Metallmaterial eingegossen werden, um so die Strömungsleitkörper 143 herzustellen. Zur einfacheren Entformung und/oder zur Einstellung des Strömungsspalts 145 können die Kühlkammern 141 vor dem Vergießen mit einem Trennmittel (oder dergleichen) beschichtet oder mit einer Folie (bspw. einer Wachsfolie) ausgekleidet werden. Ferner können Auszugsschrägen vorgesehen sein. Nach dem Aushärten bzw. Erkalten können die insbesondere massiven Strömungsleitkörper 143 aus den Kühlkammern 141 entnommen und gegebenenfalls nachbearbeitet werden (was vorzugsweise manuell erfolgt), wobei sich insbesondere die Nachbearbeitung eines Kunststoffmaterials (oder Aluminiummaterials) aufgrund des Gewichts und der Bearbeitungseigenschaften als sehr einfach erweist. Der Strömungsspalt 145 zwischen einem Strömungsleitkörper 143 und einer zughörigen Kühlkammerwandung (die insbesondere unbearbeitet verbleibt) kann lediglich durch Bearbeitung des Strömungsleitkörpers 143 eingestellt werden.
  • Idealerweise werden die Kühlkammern 141 vor dem Ausgießen bereits derart vorbereitet oder präpariert, dass sich ohne Nachbearbeitung der Strömungsleitkörper 143 bereits optimale Strömungsspalte 145 ergeben. Die Strömungsleitkörper 143 können über die Halteleiste bzw. Halteschiene 147 am Schalenelement 140 befestigt und in ihrer Lage fixiert werden.
  • Fig. 3 zeigt in der selben Darstellung wie Fig. 2 eine alternative Ausführungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung. Gleiche Komponenten sind mit den selben Bezugszeichen benannt. Zur Unterscheidung wird jedoch ergänzend der Buchstabe "a" verwendet.
  • Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsmöglichkeit ist anstelle eines einstückigen Strömungsleitkörpers, wie vorausgehend im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 erläutert, eine Vielzahl von Strömungslamellen 148a vorgesehen, um in der Kühlkammer 141a eine Steuerung des Kühlmittelvolumenstroms zu erreichen. Die Strömungslamellen 148a können sich teilweise überdecken. Die Strömungslamellen 148a sind z. B. aus einem Metallmaterial gefertigt und an einer Halteschiene 149a befestigt (bspw. durch Verschweißung). Alternativ können die Strömungslamellen 148a auch aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein. Der Lamellen-Aufbau eignet sich insbesondere für kleine und/oder schmale Kühlkammern.
  • Die vorausgehend beschriebenen Kühleinrichtungen können außer in Warmumform- und Presshärtewerkzeugen auch in anderen Werkzeugen eingesetzt werden, wie insbesondere in Werkzeugen zur Herstellung von CFK-Bauteilen. Ein erfindungsgemäßes Werkzeug kann mit geringen Modifizierungen für einen Nasspressprozess im Zuge der Herstellung von CFK-Bauteilen verwendet werden, wobei die Kühleinrichtungen zu einer öl- oder wasserbetriebenen Heizeinrichtung umfunktioniert werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Werkzeugunterteil
    110
    Werkzeuggrundkörper
    120
    Werkzeugwirkfläche
    130
    Schalenelement
    140
    Schalenelement
    141
    Kühlkammer
    142
    Stützrippe
    143
    Strömungsleitkörper
    145
    Strömungsspalt
    147
    Halteschiene
    148a
    Strömungslamelle
    149a
    Halteschiene
    200
    Werkzeugoberteil
    220
    Werkzeugwirkfläche
    241
    Kühlkammer

Claims (6)

  1. Werkzeug (100/200) zum Warmumformen und/oder Presshärten eines Blechmaterials, welches mehrere mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühleinrichtungen aufweist, um damit die mit dem Blechmaterial in Berührungskontakt kommenden Werkzeugwirkflächen (120, 220) zumindest bereichsweise aktiv kühlen zu können, wobei wenigstens eine Kühleinrichtung ein Schalenelement (140) mit einer Werkzeugwirkfläche (120') umfasst und dieses Schalenelement (140) auf seiner der Werkzeugwirkfläche (120') abgewandten Rückseite mehrere separate von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkammern (141) aufweist und in jeder dieser Kühlkammern (141) wenigstens ein Strömungsleitelement (143) für das Kühlmittel angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in jeder Kühlkammer (141) ein als einstückiger Strömungsleitkörper ausgebildetes Strömungsleitelement (143) angeordnet ist, wobei diese Strömungsleitkörper (143) aus einem Kunststoffmaterial gebildet sind und jeder Strömungsleitkörper (143) in seiner Formgebung individuell an die zugehörige Kühlkammer (141) angepasst ist.
  2. Werkzeug (100/200) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwei benachbarte Kühlkammern (141) durch eine dazwischen angeordnete Stützrippe (142) unterteilt sind.
  3. Werkzeug (100/200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die in verschiedenen Kühlkammern (141) angeordneten Strömungsleitkörper (143) mit wenigstens einer Halteschiene (147) zu einer Baueinheit zusammengefasst sind.
  4. Werkzeug (100/200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Schalenelement (140) ein Metallgussteil ist.
  5. Werkzeug (100/200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dieses ein Werkzeugunterteil (100) und ein Werkzeugoberteil (200) umfasst, wobei sich sowohl im Werkzeugunterteil (100) als auch im Werkzeugoberteil (200) gegenüberliegende Kühleinrichtungen gemäß den Merkmalen in wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche befinden, deren Kühlkammern (141, 242) versetzt zueinander angeordnet sind.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinrichtung in einem Werkzeug (100/200) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte:
    - Herstellen des Schalenelements (140) als Metallfrästeil oder als Metallgussteil;
    - Eingießen eines flüssigen Kunststoffmaterials in die Kühlkammern (141) des Schalenelements (140) und Aushärten lassen des eingegossenen Kunststoffmaterials; und
    - Entformen der durch das Aushärten gebildeten Strömungsleitkörper (143) aus den Kühlkammern (140) und gegebenenfalls individuelles Nachbearbeiten dieser Strömungsleitkörper (143).
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