WO2007028641A1 - Formwerkzeug - Google Patents

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WO2007028641A1
WO2007028641A1 PCT/EP2006/008793 EP2006008793W WO2007028641A1 WO 2007028641 A1 WO2007028641 A1 WO 2007028641A1 EP 2006008793 W EP2006008793 W EP 2006008793W WO 2007028641 A1 WO2007028641 A1 WO 2007028641A1
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WO
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mold
workpiece
cooling
shaping
channels
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/008793
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English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Vehof
Armin Meier
Dieter Hartmann
Falk Leitner
Mathieu Brand
Reiner Kelsch
Peter Weber
Original Assignee
Voestalpine Automotive Gmbh
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Publication date
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Priority to US11/991,512 priority patent/US8047037B2/en
Priority to PL06791945T priority patent/PL1922162T3/pl
Priority to DE502006002967T priority patent/DE502006002967D1/de
Priority to EP06791945A priority patent/EP1922162B1/de
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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
    • B21D22/02—Stamping using rigid devices or tools
    • 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
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49805—Shaping by direct application of fluent pressure

Definitions

  • the invention relates to a molding tool for forming and / or cooling a component, in particular made of sheet steel.
  • mold halves consist of cast or forged materials, the mold halves each having a shaping surface.
  • a plurality of bores is generated, which are substantially parallel to the contoured contoured surface of the respective half of the mold of a Take side to the opposite side.
  • a connection channel to the cooling channel in a second step from the opposite surface of the contoured surface drilled in the region of one end of the previously drilled cooling channel a connection channel to the cooling channel, so that the cooling channel from the back the mold half can be acted upon by a bore with cooling medium, which is discharged through the other bore to the back of the mold half.
  • the open ends or the open end of the cooling channel is usually closed with corresponding plugs or shutters to prevent leakage of cooling medium on the side of the mold.
  • the object of the invention is to provide a mold which is easy and quick to produce, and has a high effective cooling capacity.
  • each mold half each has a mold surface shell.
  • the mold surface shell is the component closest to the workpiece and has a mold surface for molding the tool, which has a contoured mold surface corresponding to the desired contour of the workpiece or corresponding to the forming.
  • the mold surface shell according to this contour three-dimensional. This means that a concave configuration of the molding surface on the rear side, referred to the surface of the tray surface or plane, is a correspondingly convex formation.
  • the mold surface shell has a, preferably homogeneous thickness of, for example, 10 to 40 mm.
  • the mold surface bowl has a back surface, with the back side having milled cooling grooves.
  • the cooling grooves for example, have a width of 8 to 20 mm, wherein the cooling channels, for example, have a u- or rectangular cross-section and are formed between the cooling channels parallel to each other extending webs.
  • the webs have for example a width of 3 to 15 mm.
  • the cooling channels have a depth of 3 to 10 mm, in particular 5 to 6 mm.
  • the mold surface shells extend on both sides of the actual shape contour plate-like beyond this and have in these flange at regular or irregular intervals holes or corresponding recesses to screw these mold surface shells with the respective support forms can.
  • these screw holes are surrounded on the back by dome-like or frustoconical continuations, which engage in corresponding recesses of a carrier mold and center the mold surface on the carrier mold.
  • the supporting form is a respective block-like structure which has a receiving surface which corresponds to the molding surface shell rear and receives the molding surface shell in a form-fitting manner.
  • the receiving surface of the supporting form and the cooling grooves form closed channels, wherein the webs abut against the receiving surface and separate the channels from each other.
  • the support form has a hole or free savings which runs continuously from a back surface to the receiving surface and thus connects the cooling channels liquid-conducting with a rear side of the supporting form.
  • each cooling channel inlet channel or cooling channel outlet is connected to one another each correspondingly extending water chambers, which is acted upon from the outside with water and this water distributed in the feed channels and thus in the cooling channels.
  • the support form is screwed with its back on a mold plate which carries the shape.
  • the cooling channels follow the contour of the molding surface and thus also the contour of the workpiece.
  • such cooling is not possible because it is not possible at all points of a form to produce corresponding cooling channels by drilling.
  • the cooling channels must be drilled away from the contour.
  • such cooling channels according to the prior art are at different distances from the contour of the workpiece. This leads to thermal stresses in the mold itself but also in the workpiece, which does not cool evenly at all points.
  • the molding surfaces can be produced in trays in a simple manner, wherein on the Rear of the mold surface shell, the grooves can be easily generated by milling.
  • the rectangular cross-section of the grooves increases the flow-through cross section, in contrast to round holes, and as a result the cooling capacity can be effectively increased.
  • turbulences occur in the region of the boundary layer between the flowing cooling medium and the wall, so that a laminar boundary layer which builds up breaks off relatively quickly and therefore the mass flow but also the flow velocity can increase.
  • the construction of a laminar boundary layer impedes the heat transfer between the wall and the cooling medium.
  • the milled grooves can be left rough or be equipped by ball or sand blasting with a defined surface so that the tearing of the laminar boundary layer is provoked.
  • a tool steel or gray cast iron or steel investment cast can be used as material for the mold surface shells.
  • a material is selected for the Form vomschalen, which has a higher thermal conductivity.
  • These are, for example, bronze alloys such as those sold by the company Ampco with the name Ampcoloy 940 or Ampcoloy 972.
  • These are mainly copper-based materials, which contain chromium, nickel and silicon and possibly other accompanying metals in addition to copper.
  • the chromium contents of such special materials are between 0.4 and 1.0%, the nickel content between 0 and 2.5% and the Si content between 0 and 0.7%, with zirconium still in a content of 0.12 % may be included.
  • Figure 1 the mold surface shell of a mold according to the invention or a mold half according to the invention in a plan view of the mold surface;
  • FIG. 2 shows the mold surface shell of a mold according to the invention or of a mold half according to the invention in a view onto the rear side;
  • FIG. 3 shows a mold according to the invention with a pressed workpiece in a schematic cross section
  • FIG. 4 shows a further schematic cross section through a molding tool according to the invention
  • Figure 5 a schematic longitudinal section through the molding tool according to the invention.
  • the mold 1 according to the invention (FIG. 5) has an open mold half 2 and a lower mold half 3. Each mold half has a mold surface shell 4 facing the workpiece and a carrier mold half 5 carrying the mold surface shell 4.
  • a molding surface shell 4 is a plate-like member having a thickness of, for example, 10 to 50 mm, each molding surface shell 4 having a contour region 6 in which the molding surface shell 4 substantially corresponds to the contour of a workpiece to be reshaped and one Flange region 7 adjacent to the contour region 6 with which the mold surface shell 4 is attached to a carrier mold half 5.
  • each mold surface shell 4 has a molding surface 8, which faces a workpiece to be reshaped and a correspondingly contoured back side 9 (FIG. 2).
  • cooling channels 10 which are milled into the material of the mold surface shell 4 or introduced in another suitable manner.
  • the cooling channels 10 have a substantially rectangular or U-shaped cross-section and may extend transversely or longitudinally in the contoured region.
  • the mold surface shell 4 may have a clamping region 11.
  • the clamping area 11 has the task to hold the workpiece as firmly as possible on all sides to ensure that the workpiece in certain areas at a shrinkage to the respective mold surfaces 8 creates without, however, nachzug material from the flange 11.
  • the clamping region 11 is preferably free of cooling channels, but cooling channels 10a adjacent to the clamping region 11 may be arranged such that the clamping region is delimited by the actual cooling channels 10 in the contoured region and cooling channels 10a from the flange region 7.
  • bores 12 for receiving bolts 13 are provided in the flange region 7. 'Accordingly, these screw holes have in the region of the mold surface 8 via countersinks which are designed so that a screw head in the countersink or can be accommodated in a corresponding shape so that it does not project beyond the molding surface.
  • the screw holes 12 can be provided dom-domed or dome-shaped or cylinder-like protrusions 14.
  • the projections 14 can engage in corresponding recesses 15 m the Tragformhalften 5 ( Figure 4) and thus cause a centering and support the Formflachenschale on the Tragformhalfte.
  • it can also be provided outside of fferlochern centering projections or corresponding Zent ⁇ er recesses.
  • the Tragformhalften 5 ( Figure 3) are for example block-shaped and have in the closed state of the form ( Figure 3) toemander dode receiving surfaces 16 for receiving the Formflachenschalen and these opposite jerky sides 17th
  • the recording surfaces 16 have a contour which corresponds to the back contour of the mold surface shells 4. This means that the molded-surface shells 4 in the assembled state rest on the receiving surfaces 16 in a form-fitting manner. In this way, the Kuhlkanale 10 and the grooves in the back of the Formflachenschalen 4 and the receiving surfaces 16 Kuhlkanale. In order to allow the Kuhlkanale 10 to flow through with a Kuhlmedium, is the longitudinal extension of the Kuhlkanale 10 in an initial region 18 of each Kuhlkanals from the back 17 of Tragformhalfte 5 to the receiving surface 16 continuously introduced an inlet channel 19 which einmundet in the Kuhlkanal 10.
  • a drainage channel 21 is introduced in each case in an end region 20 from the rear side 17 of the carrier half-mold 5.
  • a continuous inflow chamber 22 or outflow chamber 23 which is adjacent to each other and parallel to one another is arranged from the rear side 17 of the support half 5 are, introduced, in particular milled or freed.
  • the inlet channels 19 and drainage channels 21 extend from the bottom of these chambers 22, 23 to the receiving surface 16.
  • one inlet or outlet channel 19 or 21 can be provided for each channel 10.
  • drainage channels 19, 21 may also be formed wide slot-like and each act on a plurality of channels with cooling medium.
  • each support half 5 has corresponding threaded holes 24 for receiving the screws 13.
  • each support half 5 has also corresponding screw holes 25 to bolt each support half 5 with a mold base 26 firmly, the mold base plates 26 carry the molds and are connected to corresponding movement devices such that the support mold halves 5 with the mold surface shells mounted thereon 4 each other can be moved to and away from each other.
  • the chambers 22, 23 from which the inlet channels 19 and drainage channels 21 originate, are led out in the region of side walls of the carrier mold halves 5 from the respective carrier mold halves 5 with corresponding connection elements 27 in order to connect the carrier mold halves correspondingly to the water supply or coolant supply and the coolant discharge (FIG 5).
  • temperature sensors Figure 5
  • circumferential seals may be present in the area of all screw connections in order to produce the tightness of the system.
  • the mold surface shells 4 are formed of a tool steel or a cast material. Preferably, these mold surface shells are formed of a copper alloy, a bronze or a pure copper.
  • the support mold halves 5 are formed from a cast material such as gray cast iron or cast steel. However, since the carrier mold halves themselves do not experience a particularly high thermal load, it is also possible with appropriate dimensioning to form the carrier mold halves 5 made of plastic material, for example polyamide, polyethene or polypropylene. In addition, fiber-reinforced plastic composite materials can be used. This allows a particularly easy but also stable training.
  • the length of the cooling channels is relatively short and in particular limited to the contoured region 6.
  • Conventional cooling channels that run through the entire shape are considerably longer.
  • a short cooling length or channel length is achieved in the invention, which also achieves a low pressure drop becomes.
  • the dimension or dimensions of the Kuhlkanale are exactly calculated on the energy required for an effective dissipation of heat.
  • the fact that a short Kuhllange the channels is reached, the temperature distribution in the cooled area is very homogeneous, so that component distortion but also mold distortion is avoided.
  • the cooling system according to the invention has proved to be so efficient in experiments that the cooling water does not have to be cooled down very far as in the case of conventional molds, but can be readily used, for example, at temperatures of 20 to 50 ° C.
  • a stable process temperature ie, a temperature which permanently sets in the mold when the workpieces are formed, is reached after the first five forming passes.
  • This means that a stable desired process is brought about very quickly, so that here too a very good homogeneity is achieved from component to component.
  • the use of a relatively warm Kuhlwassers Kuhlaufwand and thus the energy consumption is reduced to a very large extent.
  • relatively simple cooling systems can be used, for example, powered water coolers (radiators) or small cooling tower units.
  • the mold surface shell is relatively thin, in contrast to conventional molds and also on the back of a plurality of Kuhlnuten is framed, wherein between the Kuhlnuten the remaining webs form Kuhlrippen, the heat capacity is relatively low.
  • an operating temperature is reached very quickly, which is determined only by the amount and the temperature of the water flowing through. This makes it possible to achieve the desired stable Be ⁇
  • shell molds on the upper and lower part of an ampule or, depending on the requirements, also made of tool steel are screwed.
  • Cooling channels are milled into the mold shells at a uniform distance from the rear, the cooling channels in the shells are connected to the water chambers through holes in the base support.
  • the cooling channels can, in contrast to cooling holes in the known form and hardness tools, in a parallellem distance to the surface geometry (even with NEGATIVRADIEN) are introduced, with a uniform temperature dissipation and thus a uniform Hardening of the steel part can be done.
  • the milled cooling channels in the cooling shells it is possible that the coolant can flow through as close as necessary (depending on the sheet thickness of the steel part to be hardened) on the part surface geometry to be cooled. Due to the proximity of the cooling channels on the part geometry surface, the heat can be released very quickly to the cooling water, which, in contrast to conventional mold and press hardening tools during press hardening a lower holding time can be achieved, resulting in a shorter cycle time and thus a cheaper production of the to be cured Steel parts possible!
  • the cooling / shaping shells can be made from one Ampole alloy:
  • the shell thickness can be determined individually, depending on the sheet thickness and requirements for the steel part to be cooled

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Abstract

Die Erfindung betrifft Formwerkzeug zum Formen eines Werkstücks, insbesondere eines Stahlblechbauteils mit zumindest zwei Formwerkzeughälften (2, 3), wobei im Bereich der Formwerkzeughälften (2, 3) konturierte Bereich (6) vorhanden sind um dem Werkstück zumindestens teilbereichsweise eine korrespondierende Kontur zu verleihen, wobei jede Formwerkzeughälfte (2, 3) eine dem Werkstück zugewandte Formflächenschale (4) und eine Tragformhälfte (5) besitzt, wobei die Formflächenschale (4) an der Tragformhälfte (5) angeordnet ist und die Formflächenschale (4) eine dem Werkstück zugewandte Formfläche und eine dem Werkstück abgewandte Rückseite (9) besitzt, wobei die Tragformhälfte (5) über einen konturierten Bereich (6) verfügt der der Kontur eines herzustellenden Werkstücks im Wesentlichen entspricht und der konturierte Bereich (6) von einem Flanschbereich (7) umgeben wird, wobei im konturierten Bereich (6) im Bereich der Rückseite (9) der Formflächenschale (4) Nuten (10) vorhanden sind, wobei die Tragformhälften (5) über Aufnahmeflächen (16) verfügen, welche die Formflächenschalen (4) formschlüssig aufnehmen und die Aufnahmeflächen (16) und die Nuten (10) Kühlkanäle (10) bilden, wobei die Tragformhälften (5) über Zuführkanäle (19) und Ablaufkanäle (21) verfügen derart, dass durch die Kanäle (10) ein Kühlmedium leitbar ist.

Description

Formwerkzeug
Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zum Umformen und/oder Kuhlen eines Bauteils insbesondere aus Stahlblech.
Es ist bekannt, Formwerkzeuge, d. h. eine Ober- und eine Un- terformwerkzeughalfte die miteinander korrespondierend einem eingelegten Vorformling oder einer eingelegten Platine durch das Zusammenfahren der Werkzeughalften eine Form geben, beispielsweise durch Tiefziehen, mit Wasser zu kühlen, so dass ein eingelegter heißer Vorformling oder eine eingelegte heiße Platine insbesondere aus Stahlblech, umgeformt und gekühlt wird. Durch die Kühlung wird bei hartbaren Stahlblechen eine erwünschte Härtung herbeigeführt.
üblicherweise bestehen derartige Formwerkzeughalften aus gegossenen oder geschmiedeten Materialien, wobei die Formwerk- zeughalften je eine formgebende Flache besitzen.
Um eine Kühlung herbeizufuhren ist es bekannt, in derartige Formwerkzeughalften Locher einzubringen um hierdurch Kuhlkana- Ie zu erzeugen.
Hierzu wird beispielsweise eine Mehrzahl von Bohrungen erzeugt, die im Wesentlichen parallel zur an sich konturierten formgebenden Flache die jeweilige Formwerkzeughalfte von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite durchgreifen. Um diese Kühlkanäle mit einem entsprechenden Kühlmedium beaufschlagen zu können, wird in einem zweiten Schritt von der der kontu- rierten Fläche gegenüberliegenden Rückseite der Formwerkzeughälfte jeweils im Bereich eines Endes des zuvor eingebohrten Kühlkanals ein Anschlusskanal bis zum Kühlkanal gebohrt, so dass der Kühlkanal von der Rückseite der Formwerkzeughälfte durch eine Bohrung mit Kühlmedium beaufschlagt werden kann, welches durch die andere Bohrung zur Rückseite der Formwerkzeughälfte abgeführt wird. Die offenen Enden oder das offene Ende des Kühlkanals wird üblicherweise mit entsprechenden Stopfen bzw. Schließen verschlossen, um ein Austreten von Kühlmedium an der Seite des Formwerkzeugs zu verhindern.
Bei derartigen bekannten Formwerkzeugen ist von Nachteil, dass die Herstellung dieser gekühlten Werkzeughälften teuer und aufwändig ist, wobei jedoch die erzielbare Kühlfläche nicht sehr groß ist und insofern die Kühlung nicht immer ausreichend effektiv ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Formwerkzeug zu schaffen, welches einfach und schnell herstellbar ist, und über eine hohe effektive Kühlleistung verfügt.
Die Aufgabe wird mit einem Formwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß werden die Formwerkzeughälften mehrteilig schalenartig ausgebildet. Hierzu besitzt eine jede Formwerkzeughälfte je eine Formflächenschale. Die Formflächenschale ist das dem Werkstück am nächsten liegende Bauteil und besitzt eine Formfläche zum Formen des Werkzeugs, welche eine der gewünschten Kontur des Werkstücks entsprechende oder der Umformung entsprechende konturierte Formfläche besitzt. Hierbei ist die Formflächenschale entsprechend dieser Kontur dreidimensional ausgebildet. Dies bedeutet, dass eine bezüglich der Form- flächenschalenflache bzw. -ebene bezogene konkave Ausformung der Formfläche auf der Rückseite eine entsprechend konvexe Ausformung ist. Die Formflächenschale besitzt eine, vorzugsweise homogene Dicke von beispielsweise 10 bis 40 mm. Der Formfläche gegenüberliegend besitzt die Formflächenschale eine Rückseite, wobei die Rückseite über eingefräste Kühlnuten verfügt. Die Kühlnuten besitzen beispielsweise eine Breite von 8 bis 20 mm, wobei die Kühlkanäle beispielsweise einen u- bzw. rechteckförmigen Querschnitt haben und zwischen den Kühlkanälen parallel zueinander verlaufende Stege ausgebildet sind. Die Stege besitzen beispielsweise eine Breite von 3 bis 15 mm. Je nach Dicke des Materials der Formflächenschale besitzen die Kühlkanäle eine Tiefe von 3 bis 10 mm, insbesondere 5 bis 6 mm.
Die Formflächenschalen erstrecken sich beidseitig der eigentlichen Formkontur plattenartig über diese hinaus und besitzen in diesen Flanschbereichen in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen Löcher bzw. entsprechende Vertiefungen um diese Formflächenschalen mit den jeweiligen Tragformen verschrauben zu können. Vorzugsweise sind diese Schraublöcher auf der Rückseite von kuppelartigen oder zylinderstumpfartigen Fortsetzen umgeben, die in entsprechende Ausnehmungen einer Trägerform eingreifen und die Formfläche an der Trägerform zentrieren.
Die Tragform ist ein jeweils blockartiges Gebilde, welches eine zur Formflächenschalenrückseite korrespondierende Aufnahmefläche besitzt, welche die Formflächenschale formschlüssig aufnimmt. Die Aufnahmefläche der Tragform und die Kühlnuten bilden geschlossene Kanäle, wobei die Stege an der Aufnahmefläche fest anliegen und die Kanäle voneinander trennen. Im Bereich des Beginns und des Endes der jeweiligen Nuten die die Kanäle bilden, besitzt die Tragform je eine Bohrung oder Frei- sparung die von einer Rückseitenfläche durchgehend bis zur Aufnahmefläche verläuft und somit die Kühlkanäle flüssigkeitsleitend mit einer Rückseite der Tragform verbindet. Im Bereich der Rückseite der Tragform ist jeweils alle Kühlkanalzulaufka- näle oder Kühlkanalablaufe miteinander verbindend je eine sich dementsprechend erstreckende Wasserkämmer vorhanden, welche von Außen mit Wasser beaufschlagt wird und dieses Wasser in die Zuführkanäle und damit in die Kühlkanäle verteilt. Die Tragform ist mit ihrer Rückseite auf eine Formplatte aufgeschraubt, welche die Form trägt. Durch diese Konstruktion wird also jeweils eine Formwerkzeughälfte geschaffen, welches eine Formflächenschale besitzt, wobei die Formflächenschale eine Formfläche und rückseitig Kühlkanalnuten umfasst, welche dem Verlauf der Kontur des zu kühlenden Werkstücks folgen. Diese Nuten werden in einfacher Weise durch Fräsen erzeugt und in ebenso einfacher Weise durch die Tragform hindurch mit Kühlmedium, insbesondere Wasser beaufschlagt.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass die Kühlkanäle der Kontur der Formfläche und damit auch der Kontur des Werkstücks folgen. Im Gegensatz hierzu ist bei dem Stand der Technik eine solche Kühlung nicht möglich, da es nicht an allen Stellen einer Form möglich ist entsprechende Kühlkanäle durch Bohren zu erzeugen. Insbesondere bei komplizierten dreidimensionalen Formen müssen die Kühlkanäle entfernt von der Kontur gebohrt werden. Dies führt dazu, dass derartige Kühlkanäle nach dem Stand der Technik von der Kontur des Werkstücks unterschiedlich weit entfernt sind. Hierdurch kommt es zu Wärmeverspannungen in der Form selber aber auch im Werkstück, was nicht an allen Stellen gleichmäßig schnell abkühlt.
Darüber hinaus ist von Vorteil, dass die Formflächen in Schalen in einfacher Weise erzeugt werden können, wobei auf der Rückseite der Formflächenschale die Nuten in einfacher Weise durch Einfräsen erzeugt werden können. Darüber hinaus ist von Vorteil, dass durch die rechteckige Formgebung der Nuten der durchströmte Querschnitt im Gegensatz zu runden Bohrungen steigt und hierdurch die Kühlleistung effektiv erhöht werden kann.
Darüber hinaus ist von Vorteil, dass bei rechteckigen Nuten es im Bereich der Grenzschicht zwischen dem fließenden Kühlmedium und der Wandung zu Verwirbelungen kommt, so dass eine sich aufbauende laminare Grenzschicht relativ schnell abreißt und deshalb der Massenstrom aber auch die Strömungsgeschwindigkeit steigen können. Darüber hinaus behindert der Aufbau einer laminaren Grenzschicht den Wärmeübergang zwischen Wand und Kühlmedium. In einfacher Weise können die eingefrästen Nuten rau belassen werden oder durch kugel- oder sandstrahlen mit einer definierten Oberfläche so ausgestattet werden, dass das Abreißen der laminaren Grenzschicht provoziert wird.
Erfindungsgemäß kann als Material für die Formflächenschalen ein Werkzeugstahl oder Grauguss bzw. Stahlfeinguss verwendet werden. In bevorzugter Weise wird für die Formflächenschalen jedoch ein Material gewählt, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt. Dies sind beispielsweise Bronzelegierungen wie sie insbesondere von Firma Ampco mit dem Namen Ampcoloy 940 oder Ampcoloy 972 verkauft werden. Es handelt sich hierbei um Werkstoffe, die im Wesentlichen aus Kupfer bestehen, wobei zusätzlich zum Kupfer Chrom, Nickel und Silizium und ggf. andere Begleitmetalle enthalten sind. Beispielsweise bewegen sich die Chromgehalte derartiger Spezialwerkstoffe zwischen 0,4 und 1,0 %, der Nickelgehalt zwischen 0 und 2,5 % und der Si-Gehalt zwischen 0 und 0,7 %, wobei beispielsweise noch Zirkonium in einem Gehalt von 0,12 % enthalten sein kann. Denkbar sind aber auch andere Kupferlegierungen insbesondere Bronze oder reines Kupfer.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen hierbei :
Figur 1: die Formflächenschale eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs bzw. einer erfindungsgemäßen Formwerkzeughälfte in einer Draufsicht auf die Formfläche;
Figur 2: die Formflächenschale eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs bzw. einer erfindungsgemäßen Formwerkzeughälfte in einer Ansicht auf die Rückseite;
Figur 3: ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug mit einem gepress- ten Werkstück in einem schematisierten Querschnitt;
Figur 4 : einen weiteren schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug;
Figur 5: einen schematisierten Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Formwerkzeug.
Das erfindungsgemäße Formwerkzeug 1 (Figur 5) besitzt eine o- bere Formwerkzeughälfte 2 und eine untere Formwerkzeughälfte 3. Jede Formwerkzeughälfte besitzt eine dem Werkstück zugewandte Formflächenschale 4 und eine die Formflächenschale 4 tragende Tragformhälfte 5.
Eine Formflächenschale 4 ist ein plattenartiges Bauteil mit einer Dicke von beispielweise 10 bis 50 mm, wobei jede Formflächenschale 4 einen Konturbereich 6 besitzt, in dem die Formflächenschale 4 der Kontur eines Werkstücks, welches umgeformt werden soll im Wesentlichen entspricht und einen Flanschbereich 7 benachbart zum Konturbereich 6 mit dem die Formflächenschale 4 an einer Tragformhälfte 5 befestigt wird.
Dementsprechend besitzt jede Formflächenschale 4 eine Formfläche 8, welche einem umzuformenden Werkstück zugewandt ist und eine entsprechend konturierte Rückseite 9 (Figur 2).
Im Bereich der Rückseite 9 und dort im konturierten Bereich 6 besitzt die Formflächenschale 4, Kühlkanäle 10 die in das Material der Formflächenschale 4 eingefräst oder in anderer geeigneter Weise eingebracht sind. Die Kühlkanäle 10 besitzen ein im Wesentlichen rechteckigen oder u-förmigen Querschnitt und können sich quer oder längs im konturierten Bereich erstrecken.
Zwischen dem konturierten Bereich 6 und dem Flanschbereich 7 kann die Formflächenschale 4 einen Klemmbereich 11 besitzen. Der Klemmbereich 11 hat die Aufgabe, das Werkstück allseitig möglichst fest zu halten um sicherzustellen, dass das Werkstück in bestimmten Bereichen sich bei einer Schrumpfung an die jeweiligen Formflächen 8 anlegt ohne jedoch Material aus dem Flanschbereich 11 nachzuziehen. Dementsprechend ist der Klemmbereich 11 vorzugsweise frei von Kühlkanälen, es könne jedoch Kühlkanäle 10a benachbart zum Klemmbereich 11 derart angeordnet sein, dass der Klemmbereich von den eigentlichen Kühlkanälen 10 im konturierten Bereich und Kühlkanälen 10a vom Flanschbereich 7 her begrenzt wird.
Um die Formflächenschale 4 an den Tragformhälften 5 zu befestigen sind im Flanschbereich 7 Bohrungen 12 zur Aufnahme von Schraubbolzen 13 vorhanden. 'Dementsprechend verfügen diese Schraublöcher im Bereich der Formfläche 8 über Ansenkungen die so ausgeführt sind, dass ein Schraubenkopf in der Ansenkung oder in einer entsprechenden Ausformung so untergebracht werden kann, dass er nicht über die Formflache vorsteht.
Auf der Ruckseite 9 können die Schraublocher 12 umgebend dom- bzw. kuppel- oder zylinderstumpfartige Vorsprunge 14 vorgesehen sein. Die Vorsprunge 14 können in entsprechende Ausnehmungen 15 m den Tragformhalften 5 (Figur 4) eingreifen und so eine Zentrierung und Stutzung der Formflachenschale an der Tragformhalfte bewirken. Es können jedoch auch Zentrier- Vorsprunge bzw. korrespondierende Zentπer-Ausnehmungen auch außerhalb von Schraublochern vorgesehen sein.
Die Tragformhalften 5 (Figur 3) sind beispielsweise blockartig ausgebildet und besitzen im geschlossenen Zustand der Form (Figur 3) zuemanderweisende Aufnahmeflachen 16 zur Aufnahme der Formflachenschalen und diesen gegenüberliegend Ruckseiten 17.
Die Aufnahmeflachen 16 besitzen eine Kontur die der Ruckseitenkontur der Formflachenschalen 4 entspricht. Das bedeutet, dass die Formflachenschalen 4 im montierten Zustand auf den Aufnahmeflachen 16 formschlussig anliegen. Hierdurch bilden die Kuhlkanale 10 bzw. die Nuten in der Ruckseite der Formflachenschalen 4 und die Aufnahmeflachen 16 Kuhlkanale. Um die Kuhlkanale 10 mit einem Kuhlmedium durchströmen lassen zu können, ist bezuglich der Langserstreckung der Kuhlkanale 10 in einem Anfangsbereich 18 eines jeden Kuhlkanals von der Ruckseite 17 der Tragformhalfte 5 bis zur Aufnahmeflache 16 durchgehend ein Zulaufkanal 19 eingebracht, der in den Kuhlkanal 10 einmundet. Bezogen auf die Langserstreckung des Kanals 10 ist in einem Endbereich 20 von der Ruckseite 17 der Tragformhalfte 5 je ein Ablaufkanal 21 eingebracht. Um alle Zulaufkanäle 19 bzw. alle Ablaufkanäle 21 gleichmäßig mit Wasser versorgen zu können bzw. abfließendes Kühlwasser bzw. Kϋhlmedium abführen zu können, ist von der Rückseite 17 der Tragformhälfte 5 je eine durchgehende Zulaufkammer 22 oder Ablaufkammer 23 die benachbart zueinander und parallel zueinander verlaufen angeordnet sind, eingebracht, insbesondere eingefräst oder freigespart. Die Zulaufkanäle 19 bzw. Ablaufkanäle 21 verlaufen vom Boden dieser Kammern 22, 23 zur Aufnahmefläche 16. Hierbei kann je ein Zulauf- bzw. Ablaufkanal 19 bzw. 21 für jeden Kanal 10 vorgesehen sein. Die Zulaufbzw. Ablaufkanäle 19, 21 können jedoch auch breit schlitzartig ausgebildet sein und jeweils eine Mehrzahl von Kanälen mit Kühlmedium beaufschlagen.
Im Bereich der Schraublöcher 12 bzw. der Schraubbolzen 13 besitzt jede Tragformhälfte 5 entsprechende Gewindebohrungen 24 zur Aufnahme der Schrauben 13.
Im Bereich der Rückseite 17 besitzt jede Tragformhälfte 5 zudem entsprechende Schraublöcher 25 um jede Tragformhälfte 5 mit einer Formgrundplatte 26 fest zu verschrauben, die Formgrundplatten 26 tragen die Formen und sind an entsprechende Bewegungseinrichtungen derart angeschlossen, dass die Tragformhälften 5 mit den darauf montierten Formflächenschalen 4 aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden können.
Die Kammern 22, 23 von dem die Zulaufkanäle 19 bzw. Ablaufkanäle 21 ausgehen, sind im Bereich von Seitenwandungen der Tragformhälften 5 aus den jeweiligen Tragformhälften 5 mit entsprechenden Anschlusselementen 27 herausgeführt um die Tragformhälften entsprechend an die Wasserversorgung bzw. Kühlmittelversorgung und die Kühlmittelabfuhr anzuschließen (Figur 5) . Um die Temperaturen des Werkstücks bzw. der Formflächenschalen 4 erfassen, können Temperaturfühler (Figur 5) vorhanden sein. Zudem können im Bereich aller Verschraubungen umlaufende Dichtungen vorhanden sein, um die Dichtigkeit des Systems herzustellen.
Die Formflächenschalen 4 werden aus einem Werkzeugstahl oder aus einem Gussmaterial ausgebildet. Vorzugsweise sind diese Formflächenschalen aus einer Kupferlegierung, aus einer Bronze oder einem reinen Kupfer ausgebildet. Die Tragformhälften 5 sind aus einem Gussmaterial wie Grauguss oder Stahlguss ausgebildet. Da die Tragformhälften jedoch selbst keine besonders hohe thermische Belastung erleiden, ist es bei entsprechender Dimensionierung auch möglich, die Tragformhälften 5 aus Kunst- stoffmaterial beispielsweise Polyamid, Polyethen oder Polypro- pen auszubilden. Zudem können faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe verwendet werden. Dies ermöglicht eine besonders leichte aber auch stabile Ausbildung.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass in einfacher kostengünstiger Weise eine Form mit einer erheblich verbesserten Wärmeabfuhr herstellbar ist. Dies führt zu Formteilen mit gleichmäßigen Eigenschaften und zu erheblich höheren Taktzeiten, da die Abkühlung schneller vonstatten geht. Ferner werden sowohl die Form als auch das Bauteil selber weniger durch Wärmespannungen beaufschlagt die durch unterschiedliche Kühlleistungen im Querschnitt der Form hervorgerufen werden.
Wie man aus den Zeichnungen ersehen kann, ist die Länge der Kühlkanäle relativ kurz und insbesondere auf den konturierten Bereich 6 beschränkt. Herkömmliche Kühlkanäle die durch die gesamte Form laufen, sind erheblich länger. Hierdurch wird bei der Erfindung eine kurze Kühllänge bzw. Kanallänge erreicht, wodurch darüber hinaus ein geringer Druckverlust erreicht wird. Die Dimension bzw. Abmessungen der Kuhlkanale sind exakt ausgerechnet auf den Energieaufwand der für eine effektive Abfuhrung der Warme notwendig ist, abgestimmt. Dadurch das eine kurze Kuhllange der Kanäle erreicht wird, ist auch die Temperaturverteilung im gekühlten Bereich sehr homogen, so dass Bauteilverzug aber auch Formenverzug vermieden wird.
Das erfindungsgemaße Kuhlsystem hat sich in Versuchen als so effizient herausgestellt, dass das Kuhlwasser nicht wie bei herkömmlichen Formen sehr weit heruntergekühlt werden muss, sondern beispielsweise mit Temperaturen von 20 bis 500C ohne weiteres verwendbar ist. Selbst mit derart warmen Wasser wird nach dem ersten Einlegen eines warmen Formstucks eine stabile Prozesstemperatur, d. h. eine Temperatur die beim Umformen der Werkstucke sich in der Form auf Dauer einstellt, schon nach den ersten fünf Umformgangen erreicht. Dies bedeutet, dass sehr rasch ein stabiler gewünschter Prozess herbeigeführt wird, so dass auch hier eine sehr gute Homogenitat von Bauteil zu Bauteil erzielt wird. Zudem wird durch die Verwendung eines relativ warmen Kuhlwassers der Kuhlaufwand und damit der Energieaufwand in einem sehr großen Umfang reduziert. Zur Herab- kuhlung des Kuhlwassers bzw. des Kuhlmediums können relativ einfache Kuhlanlagen verwendet werden, beispielsweise angeströmte Wasserkuhler (Radiatoren) oder kleine Kuhlturmeinheiten.
Dadurch, dass die Formflächenschale relativ dünn ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Formwerkzeuge und zudem auf der Ruckseite eine Vielzahl von Kuhlnuten eingefrast ist, wobei zwischen den Kuhlnuten die verbleibenden Stege Kuhlrippen ausbilden, ist die Wärmekapazität relativ gering. Damit wird sehr schnell eine Betriebstemperatur erreicht, die nur durch die Menge und die Temperatur des durchströmenden Wassers bestimmt wird. Hierdurch ist es möglich, die angestrebte stabile Be¬
ll triebs- bzw. Prozesstemperatur schnell zu erreichen und somit schon von Anfang an für eine gleichmäßige Produktion zu sorgen. Dies wird noch verstärkt, wenn ein Werkstoff (Bronze, Kupfer, Apcoloy) mit geringerer Wärmekapazität und höherer Wärmeleitfähigkeit als die herkömmlichen Werkstoffe (Stahl, Stahlguss) verwendet wird.
Die Stege bzw. Kühlrippen zwischen den Nuten liegen zwar an der Aufnahmewandung der Tragformhälfte 5 an, da hier jedoch das Material nicht homogen verläuft sondern die Stege auf der Aufnahmewandung aufstehen, erfolgt hier ein Bruch in der Wärmeleitung, so dass die Wärme aus der Formflächenschale nur sehr schlecht an die Tragformhälfte weitergegeben wird. Dies bedeutet, dass die Tragformhälfe thermisch wenig belastet wird und deswegen auch aus weniger temperaturbeständigen Materia¬ lien ausgebildet werden kann. Dieser Effekt kann noch ver¬ stärkt werden, wenn zwischen der Formflächenschale und der Tragformhälfte eine Dichtung vorgesehen wird.
Werkzeugbeschreibung :
Auf einen Trägerguss aus Grau- oder Stahlguss, in dem die Wasserkammern schon mit eingegossen sind, werden Formschalen auf Ober und Unterteil aus einer Ampcolegierung oder, je nach Anforderung, auch aus Werkzeugstahl aufgeschraubt. Material Dicke der Schalen zwischen 10 mm und 40 mm, je nach Anforderung und Blechdicke des zu härtenden Stahlteiles.
In die Formschalen werden von hinten Kühlkanäle in gleichmäßigem Abstand zueinander eingefräst, die Kühlkanäle in den Schalen werden durch Bohrungen in dem Grundträger mit den Wasserkammern verbunden.
Wasserkreislauf : An die Kühlkammern im Trägerwerkzeug werden Wasserschläuche an Zu- und Abflusskammern angeschlossen, dann wird das Wasser mittels Druck in die Zuflusskammern, über die Zuflussbohrungen weiter in die gefrästen Kühlnuten, durch die Abflussbohrungen in die Αbflusskammer und wieder zurück in den Kühltank geleitet, wobei die Wärmeabfuhr des zu Härtenden Stahlteiles in sehr schnellen Intervallen und sehr gleichmäßig erfolgen kann, und dadurch auch die optimale Presshärtung des Stahlteiles gewährleistet ist.
Vorteile gegenüber den bekannten Form / Presshärte / und Werkzeugvarianten :
• In die Form / Kühlschalen werden von hinten Kühlkanäle eingefräst, die Kühlkanäle können, im Gegensatz zu Kühlbohrungen bei den bekannten Form und Härtewerkzeugen, in einem paralellem Abstand zur Oberflächengeometrie (AUCH BEI NEGATIVRADIEN) eingebracht werden, wobei eine gleichmäßige Temperaturableitung und somit auch eine gleichmäßige Härtung des Stahlteiles erfolgen kann.
Durch die eingefrästen Kühlkanäle in den Kühlschalen ist es möglich, dass das Kühlmittel so nah wie nötig (je nach Blechdicke des zu härtenden Stahlteiles) an der zu kühlenden Teiloberflächengeometrie durchfließen kann. Aufgrund der Nähe der Kühlkanäle an der Teilgeometrieoberfläche kann die Wärme hier sehr schnell an das Kühlwasser abgegeben werden, wodurch, im Gegensatz zu herkömmlichen Formund Presshärtewerkzeuge beim Presshärtevorgang eine geringere Haltezeit erreicht werden kann, was eine kürzere Taktzeit und somit auch eine kostengünstigere Anfertigung der zu härtenden Stahlteile ermöglicht !
Je nach Anforderung und Materialdicke können die Kühl / Formschalen aus einer Ampcolegierung :
-> sehr gute Wärmeleitfähigkeit, optimale Taktzeit <- oder aus Werkzeugstählen
-> hohe Standzeit, durch Kühlkanäle gute Wärmeabfuhr <- angefertigt werden!
• Die Schalendicke kann, je nach Blechdicke und Anforderungen an das zu kühlende Stahlteil, individuell festgelegt werden
• Da die Schalen aus mehreren Schalensegmenten hergestellt werden können, ist es möglich, bei Werkzeugverschleiß oder Reparaturen sehr schnell Ersatzschalen anzufertigen
• Bei der Wasserführung durch die gefrästen Kühlkanäle kann aufgrund optimaler Strömungsgeschwindigkeiten und Wasserturbulenzen mit sehr geringem Wasserdruck gearbeitet werden, wodurch ebenso Kosten eingespart werden können

Claims

PatentanSprüche
1. Formwerkzeug zum Formen eines Werkstücks, insbesondere eines Stahlblechbauteils mit zumindest zwei Formwerkzeughälften (2, 3), wobei im Bereich der Formwerkzeughälften (2, 3) konturierte Bereich (6) vorhanden sind um dem Werkstück zumindestens teilbereichsweise eine korrespondierende Kontur zu verleihen, wobei jede Formwerkzeughälfte (2, 3) eine dem Werkstück zugewandte Formflächenschale (4) und eine Tragformhälfte (5) besitzt, wobei die Formflächenschale (4) an der Tragformhälfte (5) angeordnet ist und die Formflächenschale (4) eine dem Werkstück zugewandte Formfläche und eine dem Werkstück abgewandte Rückseite (9) besitzt, wobei die Tragformhälfte (5) über einen kontu- rierten Bereich (6) verfügt der der Kontur eines herzustellenden Werkstücks im Wesentlichen entspricht und der konturierte Bereich (6) von einem Flanschbereich (7) umgeben wird, wobei im konturierten Bereich (6) im Bereich der Rückseite (9) der Formflächenschale (4) Nuten (10) vorhanden sind, wobei die Tragformhälften (5) über Aufnahmeflächen (16) verfügen, welche die Formflächenschalen (4) formschlüssig aufnehmen und die Aufnahmeflächen (16) und die Nuten (10) Kühlkanäle (10) bilden, wobei die Tragformhälften (5) über Zuführkanäle (19) und Ablaufkanäle (21) verfügen derart, dass durch die Kanäle (10) ein Kühlmedium leitbar ist.
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