WO2014000900A1 - 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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WO2014000900A1
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cooling
flow guide
shell element
flow
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Bernhard Glück
Bernd Wölfer
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • B21D22/20—Deep-drawing
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • 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 Blechmateriais, according to, in the preamble of claim 1 specified type.
  • the invention further relates to a method for producing a cooling device for such a tool.
  • hot forming is generally understood 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 shape of the Blechmateriais also an increase in strength is brought about.
  • Various process variants for hot forming and press hardening for example direct and indirect press hardening are known from the prior art.
  • Hot forming tools and press hardening tools are typically formed with integrated cooling devices to actively cool the tooling surfaces that come into contact with the heated bending material and to purposely remove the thermal energy introduced into the tool by the heated bending material from the tool.
  • 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 horrwirk surfaces.
  • a cooling medium in particular water-based
  • a tool for press hardening a sheet metal material in which a cooling device consists of a KOhtrus with incorporated cooling channels and a patch on this cooling insert cover (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 cooling device integrated in the tool, which can be produced easily and inexpensively.
  • the tool according to the invention has a plurality of integrated into the tool and with a coolant through ström bare cooling devices, but at least such a cooling device so that at least partially active to cool the tool contact surfaces coming into contact with the sheet material in contact, or to derive heat from the tool to be able to.
  • 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 surface section, said shell element having a plurality of separate cooling chambers through which coolant can flow on a backslat remote from a tool active surface and at least one in each of these cooling chambers Flow guide for 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 cooling medium 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 spatial contour or shape.
  • the flow control elements arranged in the cooling chambers therefore have a uni- different design or shaping.
  • 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. Extensive machining or machining operations, as is required in the known from the prior art tools and their cooling devices, thus largely accounts. With the idea according to the invention, without limiting the geometrical shaping possible chains for the sheet metal material to be formed compared to the concepts known from the prior art, the production costs and costs (in particular also the material costs) are considerably reduced. Furthermore, there are also time savings in the manufacturing process. Also, repair and maintenance processes are shorter and cheaper.
  • 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 shaver element on a tool base (or the like) to which the sheath element is attached. As a result, the shell stability and the compressive strength are significantly improved.
  • each cooling chamber of the Schaienelements as a one-piece body (hereinafter also referred to as flow guide) trained flow guide provided or disposed therein.
  • 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 At least in sections, a gap (hereinafter also referred to as a flow gap) exists or exists, through which the coolant can flow in a defined manner or through which a coolant volume flow can be passed.
  • a gap hereinafter also referred to as a flow gap
  • the flow guide body can be provided at least in regions with an oil surface reducing and / or increasing the surface friction and / or charge.
  • 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.
  • a flow-guiding body can also be formed in several pieces or composed of a plurality of tubular bodies.
  • the flow can be influenced by a cooling chamber specifically with so-called turbulence promoters, for example, to set a turbulent or laminar flow.
  • the flow guide body arranged within a cooling chamber extends everywhere from the cooling center. can be flowed around, whereby, inter alia, overheating the flow guide 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 or of a plastic composite material (this should also include resin materials and resin-like materials or composite materials).
  • the Strömungsleitkörpar is a plastic casting.
  • the flow guide body can also consist of an aluminum material or a similar metal material.
  • Plastic materials and aluminum materials are characterized by a low weight and easy Verarbeif sadness and Bearbelt sadness, whereby the Strömungsieit stresses can be easily adapted to the associated cooling chamber individually.
  • the arranged in different cooling chambers of a shell element Strömungsieit analyses can be connected to at least one support rail (or Haiteang or the like) to form a unit or summarized.
  • An attachment and position fixing of the flow body 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).
  • D, h. the shell element provided as a metal casting has largely unprocessed cooling chambers.
  • the cooling chamber walls can be provided with a coating, for example with a sprayed-on 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 can be a horruntertei! and a (relatively movable) upper tool, wherein both the lower tool part and in the upper tool part opposite cooling means are according to the preceding explanations, the cooling chambers, however, are arranged offset from one another. As a result, heat build-up points or heat esters can be avoided and the overall cooling performance is optimized.
  • the solution of the problem also extends to a method for producing a cooling device for use in a tool according to the invention.
  • This production process comprises at least the following production or process steps:
  • FIG. 1 shows a sectional view of a tool lower part belonging to a tool according to the invention.
  • FIG. 2 shows a section through the tool lower part of FIG. 1 according to the specified section
  • Fig. 3 shows in the same representation as Fig. 2 an alternative embodiment.
  • FIG. 1 shows a tool lower part 100 belonging to a press hardening tool (wherein a hot forming tool can be of essentially identical design).
  • 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 tool part! 100 has a plurality of cooling devices to actively cool the tool surface 120 coming into contact with the heated sheet 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 shaving elements only one cooling device with shell element can be provided on the tool according to the invention.
  • other known from the prior artdeeinric lines or Kühisysleme eg. Conventional cooling holes or cooling channels
  • the shell member 140 has a tool engaging 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 Stüizrippen 142, wherein the support ribs 142 on the (only exemplary) flat tool base 110 are supported, which improves the pressure resistance and setting behavior of the shell member 140 and leads to an increase in service life.
  • the cooling chambers 141 taking into account the shape of the Wark Wegwirk- surface portion 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 die surface portion 120 'as shown.
  • the shell thicknesses in the area of the tool-active area section 20 ' 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 in each cooling chamber 141.
  • the flow guide 143 serves to guide the coolant defined by the cooling chamber 141, as explained in more detail below.
  • the Strömungsleitelemeni is a one-piece body (hereinafter referred to as flow guide) of a plastic material (or an easy-to-work metal material such as. Aluminum).
  • a Strömungslettelement or flow guide 143 but 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 to which all the flow guide bodies 143 inserted in the shell element 0 are fastened (for example, by screwing), whereby an assembly which is easy to handle is created.
  • FIG. 2 shows a section through the shell element 140, this section passing through a cooling chamber 141 and the core-like flow guide body 143 inserted therein in accordance with the sectional profile AA indicated in FIG.
  • the one-piece flow guide body 143 is such that it has a flow gap 145 between the flow guide body 143 and the opposite cooling chamber wall with regard to its circumferential outer contour or peripheral contour the cooling chamber 141, through which the coolant can flow defined (as illustrated with flow arrows) and so a control of thedemit- tetvoiumenstroms is achieved.
  • the gap size of the flow gap 145 can be locally adjusted as required, which takes place by removal or optionally by applying plastic material to the flow control body 143.
  • a flow channel or the like may be incorporated for the coolant.
  • the flow guide 143 may touch the Kamnierwandung the front side (as shown in Fig. 1).
  • the shape of the flow guide 143 with respect to the shape of the associated or corresponding cooling chamber 141 or theirdeschwandung configured such that at any point' exists is everywhere constant or wider or locally different widths flow gap 145, so that the flow guide body 143 completely, that is, also the front side, can be flowed around by the cooling medium.
  • 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.
  • the tool upper part 200 shown only schematically in FIG. 1 can be constructed in a comparable manner as the tool lower part 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 dissolves relatively easily, inexpensively and quickly.
  • 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 conceivable.) Without an elaborate processing ofdeschandungen (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 before casting with a separating center! (or the like) coated or lined with a film (eg a wax film). 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), in particular the reworking of Kuriststoffmaterials (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 Vieizahi provided by flow fins 148a to achieve in the cooling chamber 141a, a control of thedemitteivolumenstroms.
  • 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 devices are converted into an oil- or water-operated heating device.
  • Sheet metal material as well as method for producing améeroic tupg for this tool

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug (100/200) zum Warmumformen und/oder Presshärten eines Blechmaterials, wobei dieses Werkzeug (100/200) 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. Es ist vorgesehen, dass wenigstens eine Kühleinrichtung ein Schalenelement (140) mit einer Werkzeugwirkfläche (120') umfasst, wobei 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. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kühleinrichtung für dieses Werkzeug.

Description

Beschreibung
Gekühltes Werkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten eines
Blech materials, sowie Verfahren zur Herstellung einer Kühteinrichtung
für dieses Werkzeug
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten eines Blechmateriais, gemäß, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher angegebenen Art.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Kühleinrichtung für ein solches Werkzeug.
Unter Warmumformen wird allgemein das Umformen eines Blechmaterials oberhalb seiner Rekristaliisationstemperatur verstanden. Unter Presshärten bzw. Formhärten wird das Umformen eines zuvor erwärmten Blechmaterials unter gleichzeitiger Abkühlung (innerhalb weniger Sekunden) verstanden, wodurch neben der Formgebung des Blechmateriais 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 Biechmaterial in Berührungskontakt gelangenden Werkzeugwirkflächen aktiv kühlen zu können und um die durch das erwärmte Biechmaterial in das Werkzeug eingebrachte Wärmeenergie gezielt aus dem Werkzeug abführen zu können. Bei diesen Kühleinrichiungen 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 Werkzeugwirk flächen zu bewerkstelligen. Zum Stand der Technik wird auf die DE 102007 003 745 AI verwiesen.
Aus der DE 10 2007040 013 A1 ist ein Werkzeug zum Presshärten eines Blechmaterials bekannt, bei dem eine Kühleinrichtung aus einem KOhteinsatz 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 Sässt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein ernndungsgemäßes 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 durch ström bare 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 Werkzeug- wirkflächenabschnttt umfasst, wobei dieses Schalenelement auf einer dieser Werkzeugwirkfläche abgewandten Rücksatte 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 Kühlmiitelvolumanstroms durch die Kühlkammer. Die jeweiligen Strömungsleitelemente werden in die zugehörigen Kühlkammern im Schalenelement eingesetzt und befestigt. Die Kühlkammern des Schalenelements sind typischerweise mit unterschiediicher Raumkontur bzw. Formgebung ausgebildet. Die in den Kühlkammern angeordneten Ström ungsleiteiemente weisen daher eine unier- schiedliche 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. Aufwandige 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 Formgebungsmöglichketten 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 Schaienelements auf einem Werkzeuggrundkörper (oder dergleichen), an dem das Schaieneiement befestigt ist, dienen. Dadurch werden die Schalenstabilität und die Druckfestigkeit erheblich verbessert.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass in jeder Kühlkammer des Schaienelements 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 Innen- wandung 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 Kuh!mit- telvolumenstroms quasi durch die Oberfläche des Strömungsleitkörpers erfolgt. Um die Strömungsbedingungen einzustellen, kann der Strömungsleitkörper zumindest bereichsweise mit einer die Flüssigkeitsreibung reduzierenden oder erhöhenden O- berfläche und/oder Beschickung versehen sein. Ein solcher Strömungsleitkörper hat im Übrigen keine Stütz- oder Stabilisierungsfunktion für das Schalenelement, sondern dient lediglich der Herbeiführung eines definierten Kühlmitteivolumenstroms in der betreffenden Kühlkammer. Ein solcher Strömungsleitkörper kann im Übrigen auch mehrstückig ausgebildet bzw. aus mehreren T eilkörpern zusammengesetzt sein. Im Übrigen kann die Strömung durch eine Kühlkammer gezielt mit so genannten Turbulenzpromotoren beeinfiusst werden, um bspw. eine turbulente oder laminare Strömung einzustellen.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der innerhalb einer Kühlkammer angeordnete Strömungsleitkörper überall von dem Kühlmitte! umströmt werden kann, wodurch unter anderem eine Überhitzung das Strömungsleitkörpers verhindert wird. In diesem Fall besteht ein Flächanoffset zwischen der Oberfläche des Sirömungsleit- körpers 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 oder aus einem Kunststoffverbundmaterial (hierzu sollen auch Harzmaterialien und harzähnliche Materialien bzw. Verbundmaterialien gehören). Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Strömungsleitkörpar um einen Kunststoff-Gusskörper. Alternativ kann der Strömungsleitkörper auch aus einem Aluminiummaterial oder einem ähnlichen Metallmaterial bestehen. Kunststoffmaterialien und Aluminiummaterialien zeichnen sich durch ein geringes Gewicht sowie eine einfache Verarbeifbarkeit und Bearbeltbarkeit aus, wodurch sich der Strömungsieitkörper in einfacher Weise an die zugehörige Kühlkammer individuell anpassen lässt.
Die in verschiedenen Kühlkammern eines Schalenelements angeordneten Strömungsieitkörper können mit wenigstens einer Halteschiene (oder Haiteleiste oder dergleichen) zu einer Baueinheit verbunden bzw. zusammengefasst sein. Ober die Halteschiene kann auch eine Befestigung und Lagefixierung der Strömungsieitkörper 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 Beschich- tung, 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 Werkzeuguntertei! 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 für die Verwendung 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 iypischerweise 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 Strömungsleltkörper 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 Merkmatekombinationen, 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 Werkzeug unterteil 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 Werkzeuguntertei! 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 Schaienelementen 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 Kühleinric tungen bzw. Kühisysleme (bspw. konventionelle Kühlbohrungen bzw. Kühlkanäle) vorgesehen sein.
Das Schalenelement 140 weist einen Werkzeugwirkilächenabschnitt 120' auf. Ausgehend von der dem Werkzeugwirkflächenabschnitt 120' abgewandten Rückseite, die auf dem Grundkörper 110 aufliegt, erstrecken sich mehrere Kühlkammern 141 in das Schaleneiement 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 Stüizrippen 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 Warkzeugwirk- flächenabschnitts 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 20' 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 Strömungsleitelemeni 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 Strömungslettelement 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 0 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 bezügiich 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 Kühlmit- tetvoiumenstroms erreicht wird. Die Spaltgröße des Strömungsspalts 145 kann lokal je nach Erfordernis angepasst werden, was durch Abtrag oder gegebenenfalls durch Auftrag von Kunststoffmaterial am Ström u ngsteitkörper 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 Kamnierwandung 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 lösst 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 aufwand ige Bearbeitung der Kühlkammerwandungen (Innenwandungen) kann anschließend in die Kühlkammern 141 ein flüssiges Kunststoff- oder Metalimaterial 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 Trennmitte! (oder dergleichen) beschichtet oder mit einer Folie (bspw. einer Wachsfolie) ausgekleidet werden. Femer 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 Kuriststoffmaterials (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 Vieizahi von Strömungslamellen 148a vorgesehen, um in der Kühlkammer 141a eine Steuerung des Kühlmitteivolumenstroms 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 Kühleinrich- iungen zu einer öl- oder wasserbetriebenen Heizeinrichtung umfunktioniert werden.
Bezugszetchertllst»
Gekühltes Werkzeug zum WanriumfoiTTieo ynd/oderjre
Blechmaterials, sowie Verfahren zur Herstellung einer Kühleroic tupg für dieses Werkzeug
Werkzeugunterteil
Werkzeuggrundkörper
Werkzeugwirkfläche
Schalenelement
Schslenelement
Kühlkammer
Stützrippe
Strömungsleitkörper
Strömungsspalt
Halteschiene
a Strömungslamelle
a Halteschiene
Weitzeugoberteil
Werkzeugwirkfiäche
Kühlkammer

Claims

- IS - Patentansprüche Gekühltes Werkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten eines Blechmaterials, sowie Verfahren zur Herstellung einer Kühleinrichtunq für dieses Werkzeug
1. Werkzeug (100/200) zum Warmumformen und/oder Presshärten eines Blechmaterials, wobei dieses Werkzeug ( 00/200) 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,
dadurch gekennzeichnet, das«
wenigstens eine Kühleinrichtung ein Schalenelement (140) mit einer Werkzeugwirkfläche (120') umfasst, wobei 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, 148) für das Kühlmittel angeordnet ist.
2. Werkzeug (100/200) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dm
zwei benachbarte Kühlkammern (141) durch eine dazwischen angeordnete Stützrippe ( 42) unterteilt sind.
3. Werkzeug (100/200) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, clsss
in jeder Kühlkammer (141) ein als einstückiger Strömungsleitkörper (143) ausgebildetes Strömungsleitelement angeordnet ist
4. Werkzeug (100/200) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungsleitkörper (143) aus einem Kunststoffmaterial oder einem Kunststoffverbundmaterial gebildet ist.
5. Werkzeug (100/200) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dase
der Strömungsleitkörper (143) aus einem Aluminiummaterial gebildet ist,
6. Werkzeug (100/200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet class
die in verschiedenen Kühlkammern (141) angeordneten Strömungsleitkörper (143) mit wenigstens einer Halteschiene (147) zu einer Baueinheit zusam- mengefasst sind.
7. Werkzeug (100/200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schalenelement (140) ein Metallgussteil ist.
8. Werkzeug (100/200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dsss
das Schalenelement (140) nur eine einzelne Kühlkammer (141) aufweist. Werkzeug (100/200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, tiass
dieses ein Werkzeugunterteil (100) und ein Werkzeugoberteil (200) umfasst, wobei sich sowohl im VVerkzeugunterteil (100) als auch im Werkzeugoberteii (200) gegenüberliegende Kühleinrichtungen gemäß den Merkmalen in wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche befinden, deren Kühlkammern (141 , 242) versetzt zueinander angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Kühleinrichtung zur Verwendung in einem Werkzeug (100/200) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche;
- Herstellen des Schalenelements (140) als Metallfrästeil oder als Metallgussteil;
- Eingießen eines flüssigen Kunststoff- oder Metallmaterials in die Kühlkammern (141 ) des Schalenelements (140) und Aushärten lassen des eingegossenen Kunststoff- oder Metallmaterials; und
- Entfernen der durch das Aushärten gebildeten Strömungslertkörper (143) aus den Kühlkammern (140) und gegebenenfalls individuelles Nachbearbeiten dieser Strömungsleitkörper (143).
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