WO2008014851A1 - Verfahren und formwerkzeug zur herstellung von metallischen werkstücken durch kalt-oder halbwarmumformen - Google Patents

Verfahren und formwerkzeug zur herstellung von metallischen werkstücken durch kalt-oder halbwarmumformen Download PDF

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WO2008014851A1
WO2008014851A1 PCT/EP2007/005551 EP2007005551W WO2008014851A1 WO 2008014851 A1 WO2008014851 A1 WO 2008014851A1 EP 2007005551 W EP2007005551 W EP 2007005551W WO 2008014851 A1 WO2008014851 A1 WO 2008014851A1
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WO
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core
reinforcement
heating
workpieces
cooling
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PCT/EP2007/005551
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Hilmar Gensert
Günter ROHWERDER
Original Assignee
Sieber Forming Solutions Gmbh
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C3/00—Profiling tools for metal drawing; Combinations of dies and mandrels
    • B21C3/02—Dies; Selection of material therefor; Cleaning thereof
    • B21C3/06—Dies; Selection of material therefor; Cleaning thereof with adjustable section
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C25/00—Profiling tools for metal extruding
    • B21C25/08—Dies or mandrels with section variable during extruding, e.g. for making tapered work; Controlling variation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J13/00—Details of machines for forging, pressing, or hammering
    • B21J13/02—Dies or mountings therefor
    • B21J13/03—Die mountings

Definitions

  • the invention relates to a method for producing metallic workpieces by cold or warm forging, in particular pressing, of blanks in a mold comprising at least one core with a working cavity and at least one reinforcement biasing the core and a suitable molding tool.
  • any changes or corrections to the dimensions of the mold cavity may be due to different influencing factors. On the one hand, these result directly from the forming process or result from subsequent processes for the aftertreatment of the workpieces. Such factors are z. B. Auffedern the working cavity, the process-related heating of the tool and / or the workpiece. During the subsequent hardening of the workpiece dimensional changes can occur, which are often batch-dependent, and lead to quality defects. In order to ensure the required dimensional accuracy of the workpieces, it is thus necessary to make changes to the dimensions of the mold cavity. These are often only corrections by a few hundredths of a millimeter.
  • the invention has for its object to provide a method for producing metallic workpieces by cold or warm forging, in particular pressing, of blanks, in a mold, with which it is possible longer interruptions in production, due to an exchange of core and / or reinforcement, to avoid. Furthermore, a suitable mold is to be created.
  • the core is heated to a predetermined temperature by direct or indirect heating to set the working cavity to the specified size for the workpiece to be produced.
  • any deviations between actual and nominal dimensions of the workpieces are adjusted to the nominal size by further heating of the core and / or cooling, at least the reinforcement, the size of the working cavity and, if necessary, the prestressing of the reinforcement.
  • the height of the predetermined temperature for the core is determined based on calculations and / or empirical values, which ensures that the working cavity is preset in its dimensions over the composite of core, reinforcement and possibly intermediate ring, the longest possible dimensional stability of the workpieces can be maintained during the production process.
  • the core When the core is heated by direct heating, it is provided either to arrange a heater in the core or to design the heater so that it surrounds the core or bears against at least one side of the core. In special cases of application, it may also be possible to combine several of these variants, for example a heater surrounding the core and additionally a heater applied to the underside of the core. Also possible is a combination of direct and indirect heating of the core. In individual cases, this depends on the geometry of the workpieces to be reshaped.
  • a heatable metallic or ceramic intermediate ring is installed between the core and the reinforcement.
  • a ceramic intermediate ring with integrated heating, such as electrical resistance heating additionally provides thermal insulation between the core and the reinforcement.
  • the heater should be located in the intermediate ring in close proximity to the core.
  • a metallic intermediate ring is preferably used when mixed with a liquid heating or tempering medium, e.g. Oil, is being worked. In a conductive, metallic intermediate ring can be used as heating and an induction coil with or without insulation of the windings.
  • heating the core different heating methods can be used, preferably as inductive heating, as electrical resistance heating or by means of liquid tempering media.
  • the entire mold can be cooled by air cooling and / or the reinforcement is selectively cooled, z. B. by means of a liquid cooling or tempering.
  • the temperature of at least one of the components (core, intermediate ring, reinforcement) and / or the workpiece should be measured continuously.
  • the produced workpiece should after the forming process and / or after a final aftertreatment, for. B. by hardening, to be measured.
  • the nominal size of the workpieces is stored in a computer unit which as electrical signals the current measured values of the actual dimensions of the workpieces and the current, measured temperature values are transmitted.
  • a suitable software actual size and nominal size of the produced workpieces are compared and determined deviations occurring the required change of the predetermined or preset temperature for the core to correct the current dimensions of the working cavity and / or the bias to the effect that actual and nominal dimensions the workpieces match and the required heating or cooling process is triggered.
  • the composite or the mold can consist of both core and reinforcement or core, intermediate ring and reinforcement.
  • additional influencing factors such as the process heat, the heating of the workpieces during the production process, the coefficients of expansion of the materials used in the composite, are taken into account.
  • a suitable mold for carrying out the method is designed so that at least one heater is arranged to influence the dimensions of the working cavity and / or the prestressing of the reinforcement in the core or between the core and reinforcement and the reinforcement is designed to be cooled or tempered.
  • the heater may for example also be integrated in a metallic or ceramic intermediate ring, which is arranged between the core and reinforcement.
  • the material of the intermediate ring should have a high coefficient of thermal expansion.
  • core and / or intermediate ring are heated, depends on the size of the workpieces to be produced and the geometry of the working cavity. Intermediate ring or core can be heated up to a temperature of about 300 0 C. In certain applications, temperatures above 300 0 C up to 600 0 C may be required depending on the material of the core.
  • the heating of the core serves exclusively to influence the size of the working cavity and does not affect the actual forming process, which usually produces a certain process heat.
  • the heating as such or parts thereof may be equipped with suitable insulation.
  • the arrangement of the heater between the core and reinforcement is designed as inductive heating.
  • the induction coil is adapted to the geometry of the core serving as a conductor and is inserted either in a recess provided on the outer circumference of the core or in a recess provided on the inner circumference of the reinforcement, such that the prestressing force to be applied by the reinforcement is not transmitted to the induction coil.
  • the windings of the induction coil may be sheathed with insulation.
  • This embodiment has the advantage that it can be dispensed with the arrangement of an intermediate ring. By flowing through a current with a low-loss frequency spectrum coil an electromagnetic alternating field is generated.
  • the core which serves as an electrically conductive heating material, eddy currents are generated in the surface area, which lead in the core due to the specific resistance to a Joule'schem heating. This ensures a very fast, direct heating of the core.
  • the heater can also be designed as electrical resistance heating, which is used in particular when working with an intermediate ring. Heating by means of a liquid tempering medium, preferably oil, requires a corresponding space requirement for introducing the required circulating bores. This can therefore only be used if core or intermediate ring have a certain size.
  • a liquid tempering medium preferably oil
  • cooling takes place by means of air, depending on the required cooling requirement.
  • a separate cooling device can be used, via which a cooling medium, for. As air is passed to the reinforcement and / or the intermediate ring.
  • air cooling is insufficient, it is planned to cool the reinforcement separately.
  • the intermediate ring has no separate heater.
  • the heating or cooling takes place exclusively via the circulating tempering, but the installation of an additional temperature control is required. Cooling can also be done by using a Peltier element.
  • it is useful to measure the temperature of the core and / or the reinforcement which can be done by means of temperature sensor or infrared sensor. A measurement of the workpiece temperatures can be made in a conventional manner also by means of an infrared sensor.
  • Fig. 2 is a block diagram of the procedure
  • Fig. 3 is a diagram of the temperature profile of the core
  • Fig. 4 shows a mold with direct heating of the core, in a simplified representation as
  • Cross-section and Fig. 5 shows another embodiment of a mold with direct heating of the core, in a simplified representation as a cross section.
  • the mold 1 shown in FIG. 1 consists of a core 2, a reinforcement 6 and an intermediate ring 5 arranged between core 2 and reinforcement 6 with integrated electrical resistance heating 7 for indirect heating of the core 2.
  • the core 2 has a working cavity 3 with a diameter D, in which a blank 4 is inserted from metal and pressed by cold or warm forging to a workpiece.
  • the core 2 may consist of steel, carbide or ceramic and is of an intermediate ring 5, the z. B. ceramic, enclosed.
  • the intermediate ring 5 is surrounded by a reinforcement 6, which biases the core 2.
  • the composite of core 2, intermediate ring 5 and reinforcement 6 represents a structural unit as a molding tool, wherein core 2 and intermediate ring 5, to generate the required bias, are pressed into the reinforcement 6.
  • an electrical heating element 7 is embedded at a small distance from the lateral surface of the core 2, which is connected to a power supply unit.
  • a temperature sensor 8 for measuring the temperature in the intermediate ring 5 is arranged in the intermediate ring 5.
  • cooling holes 9 are arranged, which are in communication with a liquid cooling device 10 through which, if necessary, a liquid cooling or tempering medium is passed.
  • the mold is arranged in a conventional manner in a housing which is not shown in the drawing.
  • the intermediate ring 5 of the mold 1 is heated to a predetermined or predetermined temperature T v .
  • this temperature T v is determined on the basis of calculations or empirical values. As a rule, this is the mean value between the minimum (T min ) and maximum (T max ) possible temperature for the fine adjustment of the diameter D of the working cavity.
  • the predetermined temperature T v is set to such a value that allows the production of dimensionally accurate workpieces with production recording.
  • the temperature range between T min and T max defines the possible change in the diameter D of the working cavity 3.
  • the working range for fine adjustment is between D min and D max and is eg 0.06 mm. This is entered in Fig. 3 on the ordinate.
  • the workpieces produced in the current production process from the blank 4 are measured by means of a suitable measuring device 11 and the measurement result is transmitted as an electrical signal to a control and regulating unit 12 in which a comparison is made between actual and desired value.
  • the setpoint value D so n for the diameter of the workpieces is stored in advance in the control and regulation unit 12, to which also the values for the temperatures in the intermediate ring 5 measured continuously by means of the temperature sensor 8 are transmitted.
  • the associated measuring device is marked in Fig. 2 with 13.
  • the intermediate ring 5 is heated to a higher temperature. Due to the higher temperature of the intermediate ring 5, the temperatures of reinforcement 6 and core 2 increase, whereby the diameter D of the working cavity 3 of the core 2 is increased to the required extent. In the opposite case, with an occurring oversize, a lowering of the temperature of the composite of core, intermediate ring and reinforcement, by a corresponding cooling. As a result, the diameter D of the working cavity 3 of the core 2 is reduced to the required extent.
  • the degree of change depends, among other things, on the materials used for core, intermediate ring and reinforcement.
  • FIGS. 4 and 5 embodiments of the molding tool 1 with direct heating of the core 2 are shown. These are used when the size of the core and the reinforcement allows the required installations.
  • the core 2 must be sufficiently large or have enough "meat” to accommodate the holes for the circulation of the heating medium in the core 2.
  • Direct heating of the core 2 has the advantage that it can be dispensed with the use of an intermediate ring.
  • Fig. 4 shows an embodiment of the mold 1 with a working cavity 3 and a heating of the core 2 by means of a liquid heating medium, such as oil.
  • a liquid heating medium such as oil.
  • Flow 7b and return 7c for the heating medium are connected to a controllable temperature control unit.
  • cooling holes 9 are incorporated for a liquid cooling medium, which are connected as a cooling circuit with a controllable cooling device. Oil is used as the cooling medium.
  • a temperature sensor 8 is arranged in the reinforcement 6, a temperature sensor 8 is arranged.
  • the embodiment of Fig. 5 differs from the mold shown in Fig. 4 only by a different way of heating the core 2.
  • the induction coil 7 d of an induction heater is arranged between the core 2 and the reinforcement 6, the induction coil 7 d of an induction heater is arranged.
  • the windings of the coil 7d are housed in precisely fitting recesses 15 of the reinforcement.
  • the recesses 15 must be sufficiently large so that the force acting from the reinforcement 6 on the core 2 bias is not transmitted to the windings of the induction coil 7 d.
  • the induction heater corresponds in its other construction to conventional heaters of this type.
  • the induction coil can also be in corresponding recesses of the core 2 are arranged. An insulation of the windings of the induction coil is dependent on the height of the occurring temperatures, since the usual insulating material has only a limited temperature stability.
  • control and regulation process is analogous as in the previously described indirect heating of the core. It should be noted that not the intermediate ring but the core is heated. Instead of the temperature of the intermediate ring, the temperature values measured in the reinforcement are transmitted as corrected values to the control unit. A correction of the measured temperature values is necessary due to the cooling of the reinforcement.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Werkstücken durch Kalt-oder Halbwarmumformen, insbesondere Pressen, von Rohlingen in einem Formwerkzeug, das mindestens einen Kern mit einem Arbeitshohlraum und mindestens eine Armierung umfasst, die den Kern vorspannt, sowie ein geeignetes Formwerkzeug. Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik soll ein Verfahren geschaffen werden, mit dem es möglich ist, längere Produktionsunterbrechungen, bedingt durch einen Austausch von Kern und/oder Armierung zur Veränderung des Arbeitshohlraumes, zu vermeiden. Ferner soll ein dafür geeignetes Formwerkzeug geschaffen werden. Hierzu wird als Lösung vorgeschlagen, dass der Kern (2) durch direkte und/oder indirekte Beheizung zur Einstellung des Arbeitshohlraumes (3) auf Sollmaß für das herzustellende Werkstück (4) auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird und bei auftretenden Abweichungen zwischen Ist- und Sollmaß der Werkstücke (4) während des Produktionsprozesses durch weitere Erwärmung des Kerns (2) und/oder Kühlung, mindestens der Armierung (6), die Größe des Arbeitshohlraumes (3) und erforderlichenfalls die Vorspannung der Armierung (6) an das Sollmaß angepasst werden. Mit dieser Verfahrensweise lassen sich Veränderungen des Arbeitshohlraumes im Bereich von mehreren Hundertstel mm erzielen, wobei es praktisch zu keinen Unterbrechungen des Produktionsprozesses kommt. Bei auftretenden Maßabweichungen der Werkstücke kann auf einen aufwendigen Austausch des Kerns verzichtet werden.

Description

Verfahren und Formwerkzeug zur Herstellung von metallischen Werkstücken durch Kaltoder Halbwarmumformen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Werkstücken durch Kalt- oder Halbwarmumformen, insbesondere Pressen, von Rohlingen in einem Formwerkzeug, das mindestens einen Kern mit einem Arbeitshohlraum und mindestens eine Armierung umfasst, die den Kern vorspannt, sowie ein geeignetes Formwerkzeug. Eine wirtschaftliche Fertigung von durch Kalt-Pressen hergestellten Werkstücken erfordert hohe Stückzahlen, wobei insbesondere die Dimensionierung des Arbeitshohlraumes und die Vorspannung des Kerns entscheidend für die Maßgenauigkeit der herzustellenden Werkstücke ist.
Zum Ausgleich von auftretenden Maßabweichungen des im Kern bzw. in der Matrize angeordneten Arbeits- bzw. Formhohlraumes von Formwerkzeugen oder zu dessen Voreinstellung ist es bereits bekannt (DE 42 07 778 A1), den Kern bzw. die Matrize mittels eines durch ein Druckmedium beaufschlagbaren, konischen Verstellelementes elastisch zu verformen. Aus der DE 198 04 700 A1 ist ein Formwerkzeug bekannt, bei dem die Matrize bzw. der Kern mit radialer Vorspannung von einem Spannring umgeben ist, an dem die Armierung anliegt, wobei Spannring und Armierung ortsfest an einem Träger angebracht sind. Spannring und Matrize besitzen konische Berührungsflächen. Die Matrize ist mittels eines Druckkolbens relativ zum Träger verschiebbar, um aufgetretene Maßabweichungen aufgrund elastischer Verformungen der Matrize auszugleichen, und kann in unterschiedlichen Stellungen am Träger arretiert werden.
Die vorgenannten Maßnahmen mittels mechanischer Verstellvorrichtungen die Dimensionierung des Formhohlraumes zu verändern sind kostenaufwendig und erfordern umfangreiche Einstellarbeiten durch das Bedienungspersonal.
Vorzunehmende Veränderungen oder Korrekturen der Abmessungen des Formhohlraumes können sich aufgrund unterschiedlicher Einflussfaktoren ergeben. Einerseits resultieren diese unmittelbar aus dem Umformprozess oder ergeben sich aus Folgeprozessen zur Nachbehandlung der Werkstücke. Derartige Einflussfaktoren sind z. B. Auffedern des Arbeitshohlraumes, die prozessbedingte Erwärmung des Werkzeuges und/oder des Werkstückes. Beim nachfolgenden Härten des Werkstückes können Maßveränderungen auftreten, die häufig chargenabhängig sind, und zu Qualitätsmängeln führen. Um die geforderte Maßgenauigkeit der Werkstücke zu gewährleisten, ist es somit erforderlich, Veränderungen an den Abmessungen des Formhohlraumes vorzunehmen. Dabei handelt es sich oft nur um Korrekturen um wenige hundertstel mm. In der Praxis ist es daher üblich, zur Korrektur von Maßabweichungen der Werkstücke im Hundertstelbereich das Formwerkzeug auszubauen und die Bauteile Kern und/oder die Armierung auszutauschen. Dazu ist es erforderlich, den Kern auszupressen und wieder in eine andere Armierung einzupressen oder einen neuen Kern in die vorhandene Armierung einzupressen. Diese Umrüstarbeiten sind sehr zeit- und kostenaufwendig. Dabei muss der laufende Produktionsprozess unterbrochen werden. Während einer Produktionsserie für ein Werkstück muss üblicherweise damit gerechnet werden, dass mehrmals Korrekturen am Kern bzw. der Armierung vorgenommen werden müssen. Dies erfordert die Vorhaltung einer entsprechenden Anzahl an Kernen und Armierungen unterschiedlicher Größenordnungen. Diese Aufwendungen wirken sich nachteilig auf die Produktionskosten aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Werkstücken durch Kalt- oder Halbwarmumformen, insbesondere Pressen, von Rohlingen, in einem Formwerkzeug, zu schaffen, mit dem es möglich ist, längere Produktionsunterbrechungen, bedingt durch einen Austausch von Kern und/oder Armierung, zu vermeiden. Ferner soll ein dafür geeignetes Formwerkzeug geschaffen werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 11 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Verfahrensweise sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10. Die Ansprüche 12 bis 22 beziehen sich auf Ausgestaltungen eines Formwerkzeuges zur Durchführung des Verfahrens.
Unmittelbar vor Produktionsbeginn wird der Kern durch direkte oder indirekte Beheizung zur Einstellung des Arbeitshohlraumes auf Sollmaß für das herzustellende Werkstück auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Im laufenden Produktionsprozess werden bei auftretenden Abweichungen zwischen Ist- und Sollmaß der Werkstücke durch weitere Erwärmung des Kerns und/oder Kühlung, mindestens der Armierung, die Größe des Arbeitshohlraumes und erforderlichenfalls die Vorspannung der Armierung an das Sollmaß angepasst. Die Höhe der vorbestimmten Temperatur für den Kern wird anhand von Berechnungen und/oder Erfahrungswerten ermittelt, wobei diese sicherstellt, dass über den Verbund aus Kern, Armierung und gegebenenfalls Zwischenring der Arbeitshohlraum in seinen Abmessungen so voreingestellt wird, das eine möglichst lang anhaltende Maßhaltigkeit der Werkstücke während des Produktionsablaufes eingehalten werden kann. Dabei wird versucht, bestimmte Einflussfaktoren, wie die entstehende Prozesswärme und/oder die Erwärmung der Werkstücke soweit wie möglich mit zu berücksichtigen. Dadurch lässt sich der Toleranzbereich für erforderliche Korrekturen im laufenden Produktionsprozess minimieren, sodass ein Bereich von einigen hundertstel mm nach oben bzw. unten vollkommen ausreichend ist, um die gewünschte Maßhaltigkeit der herzustellenden Werkstücke zu gewährleisten.
Treten während der Produktion der metallischen Werkstücke Veränderungen an den Abmessungen der Werkstücke auf - Abweichungen zwischen Ist- und Sollmaß -, so wird der Kern gezielt erwärmt und/oder die Armierung gekühlt. Entsprechend den jeweiligen Erfor- dernissen können Erwärmung bzw. Kühlung einzeln oder in Kombination durchgeführt werden. Dadurch kommt es zu einer Veränderung der Größe des Arbeitshohlraumes und/oder zu einer Beeinflussung der Vorspannung der Armierung. Im laufenden Produktionsprozess ist es von großem wirtschaftlichem Vorteil, wenn bei auftretenden Maßabweichungen sofort reagiert werden kann, ohne längere Produktionsunterbrechungen, die ansonsten bei einem Austausch von Kern und/oder Armierung erforderlich wären.
Wird im laufenden Produktionsprozess festgestellt, dass Werkstücke ein Über- oder Untermaß aufweisen, so wird im Falle eines Untermaßes mittels der Heizung der Kern auf eine höhere Temperatur erwärmt, wodurch der Verbund Armierung/Kern eine höhere Temperatur erreicht. Dadurch wird der Arbeitshohlraum geringfügig vergrößert.
Im umgekehrten Fall, bei einem auftretenden Übermaß, erfolgt eine Absenkung der Temperatur des Kerns durch eine entsprechende Kühlung der Armierung. Dadurch wird der Arbeitshohlraum geringfügig verkleinert.
Bei einer Erwärmung des Kerns durch direkte Beheizung ist vorgesehen, entweder im Kern eine Heizung anzuordnen oder die Heizung so auszuführen, dass diese den Kern umgibt oder an mindestens einer Seite des Kerns anliegt. In speziellen Anwendungsfällen kann es auch möglich sein, mehrere dieser Varianten zu kombinieren, beispielsweise eine den Kern umgebende Heizung und zusätzlich eine an der Unterseite des Kerns anliegende Heizung. Möglich ist auch eine Kombination von direkter und indirekter Beheizung des Kerns. Dies ist im Einzelfall abhängig von der Geometrie der umzuformenden Werkstücke. Zur indirekten Beheizung wird zwischen Kern und Armierung ein beheizbarer metallischer oder keramischer Zwischenring installiert. Ein keramischer Zwischenring mit integrierter Heizung, wie einer elektrischen Widerstandsheizung, bewirkt zusätzlich eine thermische Isolierung zwischen Kern und Armierung. Die Heizung sollte im Zwischenring in unmittelbarer Nähe zum Kern angeordnet sein. Ein metallischer Zwischenring wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn mit einem flüssigen Heiz- bzw. Temperiermedium, wie z.B. Öl, gearbeitet wird. In einem leitenden, metallischen Zwischenring kann als Heizung auch eine Induktionsspule mit oder ohne Isolierung der Wicklungen eingesetzt werden.
Zur Erwärmung des Kern können unterschiedliche Heizmethoden zur Anwendung kommen, vorzugsweise als induktive Heizung, als elektrische Widerstandheizung oder mittels flüssiger Temperiermedien.
Ist eine Absenkung der Temperatur des Kerns erforderlich, so kann das gesamte Formwerkzeug durch Luftkühlung gekühlt werden und/oder die Armierung wird gezielt gekühlt, z. B. mittels eines flüssigen Kühl- oder Temperiermediums.
Mit Produktionsbeginn sollte die Temperatur mindestens eines der Bauteile (Kern, Zwischenring, Armierung) und/oder des Werkstückes kontinuierlich gemessen werden. Das hergestellte Werkstück sollte nach dem Umformprozess und/oder nach einer abschließenden Nachbehandlung, z. B. durch Härten, vermessen werden.
Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Verfahrensweise wird das Sollmaß der Werkstücke in einer Rechnereinheit gespeichert, der als elektrische Signale die aktuel- len Messwerte der Istmaße der Werkstücke und die aktuellen, gemessenen Temperaturwerte übermittelt werden. Mittels einer geeigneten Software werden Istmaß und Sollmaß der hergestellten Werkstücke verglichen und bei auftretenden Abweichungen die erforderliche Änderung der vorbestimmten bzw. voreingestellten Temperatur für den Kern ermittelt, um die aktuellen Abmessungen des Arbeitshohlraumes und/oder der Vorspannung dahingehend zu korrigieren, dass Ist- und Sollmaß der Werkstücke übereinstimmen und der hierzu erforderliche Erwärmungs- oder Kühlvorgang ausgelöst wird.
In der Praxis ist es sinnvoll, die Verfahrensweise in ein automatisches Steuer- und Regelungssystem einzubinden, wobei es zweckmäßig ist, auch die Temperatur mindestens eines der Bauteile des Verbundes und/oder des Werkstückes zu messen. Der Verbund bzw. das Formwerkzeug kann sowohl aus Kern und Armierung oder aus Kern, Zwischenring und Armierung bestehen. Dabei werden regelungstechnisch weitere Einflussfaktoren, wie die Prozesswärme, die Erwärmung der Werkstücke während des Produktionsprozesses, die Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien des Verbundes, berücksichtigt. Ein geeignetes Formwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens ist so ausgelegt, dass zur Beeinflussung der Abmessungen des Arbeitshohlraumes und/oder der Vorspannung der Armierung im Kern oder zwischen Kern und Armierung mindestens eine Heizung angeordnet ist und die Armierung kühl- oder temperierbar ausgebildet ist.
Die Heizung kann beispielsweise auch in einem metallischen oder keramischen Zwischenring integriert sein, der zwischen Kern und Armierung angeordnet ist. Vorzugsweise sollte das Material des Zwischenringes einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.
Ob Kern und/oder Zwischenring beheizt werden, ist abhängig von der Größe der herzustellenden Werkstücke und der Geometrie des Arbeitshohlraumes. Zwischenring oder Kern können bis auf eine Temperatur von ca. 300 0C erwärmt werden. In bestimmten Anwendungsfällen können in Abhängigkeit vom Material des Kerns auch Temperaturen oberhalb von 300 0C bis zu 600 0C erforderlich sein. Die Erwärmung des Kerns dient ausschließlich zur Beeinflussung der Größe des Arbeitshohlraumes und wirkt sich nicht auf den eigentlichen Umformprozess aus, bei dem üblicherweise eine bestimmte Prozesswärme entsteht. Die Heizung als solche oder auch Teile davon können mit einer geeigneten Isolierung ausgerüstet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführung, der Anordnung der Heizung zwischen Kern und Armierung, ist die Heizung als induktive Heizung ausgebildet. Die Induktionsspule ist an die Geometrie des als Leiter dienenden Kerns angepasst und entweder in einer am Außenumfang des Kerns oder in einer am Innenumfang der Armierung vorgesehenen Ausnehmung eingesetzt ist, derart, dass die von der Armierung aufzubringende Vorspannung nicht auf die Induktionsspule übertragen wird. Die Wicklungen der Induktionsspule sind ggf. mit einer Isolierung ummantelt. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass auf die Anordnung eines Zwischenringes verzichtet werden kann. Durch die von einem Strom mit einem verlustarmen Frequenzspektrum durchflossene Spule wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Innerhalb des Kerns, der als elektrisch leitendes Erwärmungsgut dient, werden im Oberflächenbereich Wirbelströme generiert, die im Kern aufgrund des spezifischen Widerstandes zu einer Joule'schen Erwärmung führen. Dadurch wird eine sehr schnelle, direkte Erwärmung des Kerns gewährleistet.
Dabei lässt sich nicht vermeiden, dass, wenn auch in geringerem Umfang, die Armierung mit erwärmt wird. Durch eine gezielte Kühlung der Armierung kann dieser entgegengewirkt werden.
Die Heizung kann auch als elektrische Widerstandsheizung ausgeführt sein, die insbesondere dann zum Einsatz kommt, wenn mit einem Zwischenring gearbeitet wird. Eine Erwärmung mittels eines flüssigen Temperiermediums, vorzugsweise Öl, erfordert einen entsprechenden Platzbedarf zur Einbringung der erforderlichen Kreislaufbohrungen. Diese lässt sich daher nur einsetzen, wenn Kern oder Zwischenring eine bestimmte Baugröße aufweisen.
Muss die Temperatur von Kern bzw. Armierung abgesenkt werden, so erfolgt in Abhängigkeit vom erforderlichen Kühlbedarf eine Kühlung mittels Luft.
Zur Kühlung des Formwerkzeuges kann auch eine separate Kühlvorrichtung eingesetzt werden, über die ein Kühlmedium, z. B. Luft, auf die Armierung und/oder den Zwischenring geleitet wird.
Falls eine Luftkühlung nicht ausreichend ist, so ist vorgesehen, die Armierung gesondert zu kühlen. In bestimmten Anwendungsfällen kann es auch ausreichend sein, wenn im Zwischenring Kanäle angeordnet werden, die von einem Temperiermedium durchströmt werden. In diesem Fall besitzt der Zwischenring keine separate Heizeinrichtung. Die Erwärmung oder Kühlung erfolgt ausschließlich über das zirkulierende Temperiermedium, wobei jedoch die Aufstellung eines zusätzlichen Temperiergerätes erforderlich ist. Eine Kühlung kann auch durch den Einsatz eines Peltierelementes erfolgen. In der Praxis ist es zweckmäßig, auch die Temperatur von Kern und/oder der Armierung zu messen, wobei dies mittels Temperaturfühler oder Infrarotsensor erfolgen kann. Eine Messung der Werkstücktemperaturen kann in an sich bekannter Weise ebenfalls mittels eines Infrarotsensors vorgenommen werden.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Formwerkzeug mit indirekter Beheizung des Kerns, in vereinfachter Darstellung als Querschnitt,
Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Verfahrensweise, Fig. 3 ein Diagramm zum Temperaturverlauf des Kerns, Fig. 4 ein Formwerkzeug mit direkter Beheizung des Kerns, in vereinfachter Darstellung als
Querschnitt und Fig. 5 eine weitere Ausführung eines Formwerkzeuges mit direkter Beheizung des Kerns, in vereinfachter Darstellung als Querschnitt. Das in Fig. 1 gezeigte Formwerkzeug 1 besteht aus einem Kern 2, einer Armierung 6 und einem zwischen Kern 2 und Armierung 6 angeordnetem Zwischenring 5 mit integrierter elektrischer Widerstandsheizung 7 zur indirekten Beheizung des Kerns 2. Der Kern 2 besitzt einen Arbeitshohlraum 3 mit einem Durchmesser D, in den ein Rohling 4 aus Metall eingelegt und durch Kalt- oder Halbwarmumformen zu einem Werkstück gepresst wird. Der Kern 2 kann aus Stahl, Hartmetall oder Keramik bestehen und ist von einem Zwischenring 5, der z. B. aus Keramik besteht, umschlossen. Der Zwischenring 5 ist von einer Armierung 6 umgeben, die den Kern 2 vorspannt. Der Verbund aus Kern 2, Zwischenring 5 und Armierung 6 stellt eine Baueinheit als Formwerkzeug dar, wobei Kern 2 und Zwischenring 5, zur Erzeugung der erforderlichen Vorspannung, in die Armierung 6 eingepresst werden. In den Zwischenring 5 ist in einem geringen Abstand zur Mantelfläche des Kerns 2 ein elektrisches Heizelement 7 eingebettet, das an eine Stromversorgungseinheit angeschlossen ist. In einem radialen Abstand zu dem Heizelement 7 ist in dem Zwischenring 5 ein Temperaturfühler 8 zur Messung der Temperatur im Zwischenring 5 angeordnet. In der Armierung 6 sind Kühlbohrungen 9 angeordnet, die mit einer Flüssigkeitskühlvorrichtung 10 in Verbindung stehen, durch die erforderlichenfalls ein flüssiges Kühl- oder Temperiermedium geleitet wird. Das Formwerkzeug ist in an sich bekannter Weise in einem Gehäuse angeordnet, das in der Zeichnung nicht mit dargestellt ist.
Mit Beginn der Produktionsaufnahme wird der Zwischenring 5 des Formwerkzeuges 1 auf eine vorgegebene oder vorbestimmte Temperatur Tv erwärmt. Ausgehend von dem herzustellenden Werkstück und den Materialeigenschaften des Verbundes Kern/Zwischenring/ Armierung wird diese Temperatur Tv aufgrund von Berechnungen oder Erfahrungswerten festgelegt. In der Regel handelt es sich dabei um den Mittelwert zwischen der minimal (Tmin) und maximal (Tmax) möglichen Temperatur für die Feineinstellung des Durchmessers D des Arbeitshohlraumes. Die vorbestimmte Temperatur Tv wird auf einen solchen Wert festgelegt, der mit Produktionsaufnahme die Herstellung maßgenauer Werkstücke ermöglicht. Durch den Temperaturbereich zwischen Tmin und Tmax ist die mögliche Veränderung des Durchmessers D des Arbeitshohlraumes 3 definiert. Der Arbeitsbereich zur Feineinstellung liegt zwischen Dmin und Dmax und beträgt z.B. 0,06 mm. Dieser ist in Fig. 3 auf der Ordinate eingetragen.
Die im laufenden Produktionsprozess aus dem Rohling 4 hergestellten Werkstücke werden mittels einer geeigneten Messeinrichtung 11 vermessen und das Messergebnis wird als elektrisches Signal an eine Steuer- und Regeleinheit 12 übermittelt, in der ein Vergleich zwischen Ist- und Sollwert vorgenommen wird. Der Sollwert Dson für den Durchmesser der Werkstücke wird vorab in der Steuer- und Regeleinheit 12 gespeichert, an die auch die kontinuierlich mittels des Temperaturfühlers 8 gemessenen Werte für die Temperaturen im Zwischenring 5 übermittelt werden. Die zugehörige Messeinrichtung ist in Fig. 2 mit 13 gekennzeichnet. Über einen mit der Regel- und Steuereinheit verbundenen Rechner und einer auf diesem installierten Software werden bei auftretenden Maßabweichungen zwischen Dis, und Ds0|| die erforderlichen Temperaturwerte für die Kühlung der Armierung 6 oder Erwärmung des Zwischenringes 5 ermittelt und hiervon ausgehend die Heizeinrichtung 14 oder Kühleinrichtung 10 in Betrieb genommen, wobei durch die vorgenommene Veränderung der Arbeitstemperatur des Verbundes Kern, Zwischenring und Armierung der Durchmesser D des Arbeitshohlraumes 3 so verändert wird, dass die zu fertigenden Werkstücke 4 wieder die geforderte Maßhaltigkeit erreichen.
Wird durch den Vergleich von Dist und DsoM der umgeformten Werkstücke festgestellt, dass ein Untermaß vorliegt, also Dist kleiner als Dson ist, so wird der Zwischenring 5 auf eine höhere Temperatur erwärmt. Durch die höhere Temperatur des Zwischenringes 5 erhöhen sich auch die Temperaturen von Armierung 6 und Kern 2, wodurch der Durchmesser D des Arbeitshohlraumes 3 des Kerns 2 auf das erforderliche Maß vergrößert wird. Im umgekehrten Fall, bei einem auftretenden Übermaß, erfolgt eine Absenkung der Temperatur des Verbundes aus Kern, Zwischenring und Armierung, durch eine entsprechende Kühlung. Dadurch wird der Durchmesser D des Arbeitshohlraumes 3 des Kerns 2 auf das erforderliche Maß verringert. Das Maß der Veränderung ist u. a. auch abhängig von den eingesetzten Werkstoffen für Kern, Zwischenring und Armierung.
Zur Veränderung der Durchmessers des Arbeitshohlraumes ist praktisch keine Unterbrechung des Produktionsprozesses erforderlich.
In den Figuren 4 und 5 sind Ausführungen des Formwerkzeuges 1 mit einer direkten Beheizung des Kerns 2 gezeigt. Diese kommen dann zum Einsatz, wenn die Baugröße von Kern und Armierung die hierzu erforderlichen Einbauten ermöglicht. Der Kern 2 muss ausreichend groß sein bzw. genügend „Fleisch" besitzen, um die Bohrungen für die Zirkulation des Heizmediums im Kern 2 unterzubringen.
Eine direkte Beheizung des Kerns 2 hat den Vorteil, dass auf den Einsatz eines Zwischenringes verzichtet werden kann.
Fig. 4 zeigt eine Ausführung des Formwerkzeuges 1 mit einem Arbeitshohlraum 3 und einer Beheizung des Kerns 2 mittels eines flüssigen Heizmediums, wie Öl. Im Kern 2 sind entsprechende Bohrungen 7a für den Durchlauf des Heizmediums angeordnet. Vorlauf 7b und Rücklauf 7c für das Heizmedium sind an ein regelbares Temperiergerät angeschlossen. In der den Kern 2 umschließenden Armierung 6 sind Kühlbohrungen 9 für ein flüssiges Kühlmedium eingearbeitet, die als Kühlkreislauf mit einem regelbaren Kühlgerät in Verbindung stehen. Als Kühlmedium wird Öl eingesetzt. In der Armierung 6 ist ein Temperaturfühler 8 angeordnet.
Die Ausführung von Fig. 5 unterscheidet sich von dem in Fig. 4 gezeigten Formwerkzeug lediglich durch eine andere Art der Beheizung des Kerns 2. Zwischen dem Kern 2 und der Armierung 6 ist die Induktionsspule 7d einer Induktionsheizung angeordnet. Die Wicklungen der Spule 7d sind in passgenauen Ausnehmungen 15 der Armierung untergebracht. Die Ausnehmungen 15 müssen ausreichend groß sein, damit die von der Armierung 6 auf den Kern 2 wirkende Vorspannung nicht mit auf die Wicklungen der Induktionsspule 7d übertragen wird. Die Induktionsheizung entspricht in ihrem sonstigen Aufbau an sich üblichen Heizungen dieser Bauart. Die Induktionsspule kann auch in entsprechenden Ausnehmungen des Kerns 2 angeordnet werden. Eine Isolierung der Wicklungen der Induktionsspule ist abhängig von der Höhe der auftretenden Temperaturen, da das übliche Isoliermaterial nur eine begrenzte Temperaturstabilität besitzt.
Der steuerungs- und regelungstechnische Ablauf ist analog wie bei der zuvor beschrieben indirekten Beheizung des Kerns. Zu berücksichtigen ist dabei, dass nicht der Zwischenring sondern der Kern erwärmt wird. Anstelle der Temperatur des Zwischenrings werden die in der Armierung gemessenen Temperaturwerte als korrigierte Werte an die Steuer- und Regeleinheit übermittelt. Eine Korrektur der gemessenen Temperaturwerte ist aufgrund der Kühlung der Armierung erforderlich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von metallischen Werkstücken durch Kalt- oder Halbwarm- umformen, insbesondere Pressen, von Rohlingen in einem Formwerkzeug (1), das mindestens einen Kern (2) mit einem Arbeitshohlraum (3) und mindestens eine Armierung (6) umfasst, die den Kern (2) vorspannt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) durch direkte und/oder indirekte Beheizung zur Einstellung des Arbeitshohlraumes (3) auf Sollmaß für das herzustellende Werkstück (4) auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird und bei auftretenden Abweichungen zwischen Ist- und Sollmaß der Werkstücke (4) während des Produktionsprozesses durch weitere Erwärmung des Kerns (2) und/oder Kühlung, mindestens der Armierung (6), die Größe des Arbeitshohlraumes (3) und erforderlichenfalls die Vorspannung der Armierung (6) an das Sollmaß angepasst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Temperatur eine Temperatur ist, durch die der Arbeitshohlraum (3) in seinen Abmessungen und/oder die Vorspannung der Armierung (6) so eingestellt wird, dass aufgrund von Berechnungen und/oder Erfahrungswerten Soll- und Istmaß der Werkstücke (4) übereinstimmen und die entsprechende Vorspannung des Kernes (2) durch die Armierung (6) hergestellt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur direkten Beheizung des Kerns im Kern (2), an mindestens einer Seite des Kerns (2) eine Heizung (7a, 7b, 7c) oder eine den Kern (2) umgebende Heizung (7d) vorgesehen ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur indirekten Beheizung zwischen Kern (2) und Armierung (6) ein beheizbarer metallischer oder keramischer Zwischenring (5) vorgesehen ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung als induktive Heizung (7d), als elektrische Widerstandheizung (7) oder als Heizung (7a, 7b, 7c) mittels flüssiger Heiz- oder Temperiermedien betrieben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (1) durch Luftkühlung gekühlt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung der Armierung (6) ein flüssiges Kühl- oder Temperiermedium eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur mindestens eines der Bauteile, Kern (2), Zwischenring (5), Armierung (6), und/oder des Werkstückes (4) gemessen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4) nach dem Umformprozess und/oder nach einer abschließenden Nachbehandlung vermessen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sollmaß der Werkstücke (4) in einer Rechnereinheit gespeichert wird, der als elektrische Signale die aktuellen Messwerte der Istmaße der Werkstücke (4) und die aktuellen, gemessenen Temperaturwerte übermittelt werden, wobei mittels einer geeigneten Software Istmaß und Sollmaß der Werkstücke (4) verglichen und bei auftretenden Abweichungen die erforderliche Änderung der vorbestimmten bzw. voreingestellten Temperatur für den Kern (2) ermittelt wird, um die aktuellen Abmessungen des Arbeitshohlraumes (3) und/oder der Vorspannung der Armierung (6) dahingehend zu korrigieren, dass Ist- und Sollmaß der Werkstücke (4) übereinstimmen, und der hierzu erforderliche Erwärmungs- oder Kühlvorgang ausgelöst wird.
11. Formwerkzeug zur Herstellung von metallischen Werkstücken durch Kalt- oder Halbwarm- umformen, insbesondere Pressen, aus Rohlingen, bestehend aus einem Kern (2) mit einem Arbeitshohlraum und mindestens einer Armierung (6), die den Kern (2) vorspannt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Abmessungen des Arbeitshohlraumes (3) und/oder der Vorspannung der Armierung (6) im Kern (2), an mindestens einer Seite des Kerns (2) oder zwischen Kern (2) und Armierung (6) mindestens eine Heizung (7, 7a, 7b, 7c, 7d) angeordnet ist und die Armierung (6) kühl- oder temperierbar ausgebildet ist.
12. Formwerkzeug nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (7) in einem metallischen oder keramischen Zwischenring (5) integriert ist, der zwischen Kern (2) und Armierung (6) angeordnet ist.
13. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung als induktive Heizung (7a, 7b, 7c), als elektrische Widerstandsheizung (7) oder als Heizung (7a, 7b, 7c) mittels flüssiger Heiz- oder Temperiermedien ausgebildet ist.
14. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (7, 7a, 7b, 7c, 7d) mit einer Isolierung ausgerüstet ist.
15. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung der Heizung zwischen Kern (2) und Armierung (6) als induktive Heizung die Induktionsspule (7d) an die Geometrie des als Leiter dienenden Kerns (2) an- gepasst und entweder in einer am Außenumfang des Kerns (2) oder in einer am Innenumfang der Armierung (6) vorgesehenen Ausnehmungen (15) eingesetzt ist, derart, dass die von der Armierung (6) aufzubringende Vorspannung nicht auf die Induktionsspule (7d) übertragen wird.
16. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenring (5) mit einem oder mehreren Kanälen ausgerüstet ist, die an eine Heizoder Temperiervorrichtung für flüssige Medien angeschlossen sind.
17. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Kern (2) und/oder der Armierung (6) ein Temperaturfühler (8) angeordnet ist.
18. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenring (5) aus einem Metall mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht.
19. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung (6) von einer Kühlvorrichtung umgeben ist, über die ein KUhlmedium auf die Armierung (6) und/oder den Zwischenring (5) gelangt.
20. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung von Armierung (6) oder Zwischenring (5) ein Peltierelement vorgesehen ist.
21. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung (6) mit Kühlkanälen (9) ausgerüstet ist, durch die ein flüssiges Kühlmedium strömt.
22. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Temperatur von Kern (2) und/oder Armierung (6) mittels eines Infrarotsensors erfolgt.
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