WO2014187852A9 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines geformten bauteils - Google Patents

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WO2014187852A9
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andockstempels
heat transfer
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Sascha Sikora
Jörg GORSCHLÜTER
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Thyssenkrupp Steel Europe Ag
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
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    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
    • B21D26/045—Closing or sealing means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
    • B21D37/16—Heating or cooling

Definitions

  • the present invention relates to a method for
  • a hollow portion having a and at least partially made of a steel material existing workpiece is introduced into a tool of the device and wherein with a Andockstempel the device under pressure, a fluid is introduced into the hollow portion of the workpiece located in the tool and the workpiece of the
  • Invention an apparatus for forming a hollow portion having and at least partially made of a steel material workpiece with a tool for receiving the workpiece and at least one
  • Andockstempel for introducing a fluid in the hollow portion of the workpiece located in the tool.
  • Geometries implemented By contrast, more complex geometries can be achieved, for example, by assembling the profiles from several parts, such as half-shells. However, the required connection of the parts to a profile, the stability, the weight and the
  • hot blow molding Another approach to fabricate components such as profiles with a more complex structure is followed by so-called hot blow molding.
  • hot-blow molding a hot, usually gaseous fluid with a
  • introduced fluid shapes the workpiece against an external forming tool (so-called hydroforming or "high pressure hydroforming”) and / or the outer forming tool is pressed against the standing under moderate pressure workpiece (so-called “low pressure hydroforming”).
  • the introduced fluid is used to fix a certain volume in the hollow region of the workpiece in order to then be able to reshape the workpiece from outside with the tool.
  • the component can be hardened in a separate process step.
  • this represents a relatively costly solution to hardened profiles with complex geometries to be able to provide. Therefore, the prior art approach has been to realize hot blow molding and curing in one device. For this purpose, suitable methods and devices are
  • the present invention has the object to provide a method and an apparatus, which or which the economical production of Components are also allowed with complex geometry while allowing a satisfactory hardening of the components.
  • the above object is achieved according to a first teaching of the present invention by a generic method in that in the area of the Andockstempels the
  • Cooling of the workpiece is counteracted, especially during hot forming.
  • the cooling can be counteracted both by additional means and by the device itself.
  • Forming straight can be reached.
  • the workpiece temperature can therefore also be kept in the region of the docking stamp above the recrystallization temperature or the Acl or even Ac3 temperature of the steel material. Only after the hot forming, for example by quenching, the workpiece is brought back below this temperature.
  • the workpieces are usually semi-finished products, which can be converted into a component, in particular to a profile.
  • the workpieces are tubular workpieces, which can be formed into a tubular profile.
  • the tubular workpieces can be
  • a docking punch may be provided for each opening of the workpiece.
  • the manufactured components are particularly suitable as body components, for example as pillars or carriers of a vehicle body. Especially in the
  • Automotive sector are the advantages achieved by the method according to the invention, such as a high rigidity of the components with low weight and economical production, desired.
  • the steel material of the workpiece may be, for example, a manganese drill steel. Depending on the alloy, these steels can reach tensile strengths of more than 1500 MPa up to 2000 MPa through hardening.
  • Workpieces which have a wall thickness between 0.5 and 3.0 mm are preferred.
  • the fluid used for molding preferably has one
  • the fluid is preferably a Gas, in principle, however, can also be a liquid
  • the fluid can also be introduced without temperature control into the workpiece, for example at room temperature.
  • fluids with low thermal conductivity are particularly well, since at least for the duration of the
  • the workpiece can be brought, for example before being introduced into the tool or even in the device itself to a temperature for hot working, ie to a temperature above the recrystallization temperature, preferably to a temperature above the Acl or Ac3 temperature of the steel material.
  • the tool preferably surrounds the workpiece at least partially.
  • the tool is designed as a die.
  • the tool includes two
  • the tool is preferably a shaping tool and has, for example at least in sections
  • the docking punch preferably has on its outer peripheral surface a sealing area over which the
  • Hollow area of the workpiece is sealed against the outside.
  • the docking punch can have the extra function during hot forming
  • the cooling of the workpiece can be counteracted in the area of all or only individual docking punches.
  • the hot forming in the device can be achieved by the fact that the pressure of the fluid introduced into the hollow region of the workpiece itself is already sufficient to achieve a deformation of the workpiece.
  • a substantially outwardly directed forming force presses the workpiece against the tool.
  • a trained as a die tool encloses the workpiece here in the rule completely before the fluid under high pressure in the
  • the pressurized fluid can also serve to fix a certain volume in the hollow region of the workpiece.
  • the deformation can then take place, for example, by the tool of the device from the outside. A trained as a die tool closes completely only after the fluid was introduced under moderate pressure. In principle, a combination of the aforementioned methods can also be used.
  • the cooling is counteracted by the workpiece being heated at least temporarily in the tool in the region of the docking punch.
  • the device may, for example, means for heating the workpiece in the region of
  • Heat dissipation through the device, such as the docking, a strong or rapid cooling of the workpiece in this area can be sufficiently counteracted.
  • the cooling is counteracted by reducing the heat transfer from the workpiece to the device in the region of the docking punch. It has been shown that even by reducing the
  • Heat transfer from the workpiece to the device can be counteracted by excessive or rapid cooling of the workpiece in the area of the docking punch. That the heat transfer is reduced to the device, for example, means that the heat transfer is reduced to the tool in the docking temple and / or on the docking itself. According to a next embodiment of the method according to the invention, the heat transfer is reduced by the thermal conductivity of the device in the region of
  • Andockst Zis the heat transfer counteracted.
  • the thermal conductivity of the docking stamp itself and / or the thermal conductivity of the tool in the area of the docking punch can be reduced.
  • this can be achieved by a device (for example, the tool or the
  • Thermal conductivity is used in the area of the docking stamp.
  • a docking stamp essentially consisting of a material with low thermal conductivity and / or a tool with a material with less
  • Thermal conductivity can be used in the area of the docking stamp.
  • the material with low thermal conductivity for example, a tool steel with less
  • Material with low thermal conductivity is understood in particular a thermal conductivity, which is lower than that of the steel material used.
  • the thermal conductivity of the material is lower
  • Thermal conductivity less than 40 preferably less than 30 or even less than 20 W / (m * K).
  • the heat transfer is reduced by a
  • Lubricant a pulp or a ceramic between the
  • the additive can, for example, with the workpiece in the device
  • the additive preferably has a low
  • Thermal conductivity as the used steel material of the workpiece and / or as the material of the device in
  • the docking temple Area of the docking temple. For example, the
  • the heat transfer is reduced by reducing the contact area between the workpiece and the device, in particular by a geometric modification of the surface of the docking punch, preferably by structuring, in particular one or more recesses.
  • the tool may also be geometrically modified in the region of the docking stamp.
  • Cooling of the workpiece in the area of Andockstempels can be counteracted. Often it is not possible to add additional substances especially between the workpiece and to position the docking stamp without the
  • a reduction of the contact surface is understood, for example, to mean that the contact surface, in comparison to a contact surface, without a geometric modification of the contact surface
  • Surface is reduced by at least 20%, preferably by at least 40%, more preferably by at least 60%.
  • the heat transfer is reduced by the temperature difference between the device and the
  • Design of the device can be achieved.
  • the area of the docking punch is therefore essentially the same during hot forming.
  • the temperature difference is reduced by tempering the device, in particular the docking punch and / or the tool, in the region of the docking punch.
  • the temperature difference in the relevant areas can be reduced particularly easily and efficiently.
  • Such tempered areas may have heating elements, for example.
  • the tempering causes the Acl or even the Ac3 temperature of the steel material
  • the docking stamp or the tool is in the area of
  • the temperature control can be done for example by inductive heating or by cartridge heaters, just to name a few examples.
  • the hardened structure can be adjusted particularly economically and an economic method for producing hardened components can be provided. This is possible because no additional heating of the formed workpiece or component to above the Acl or Ac3 temperature is necessary because the steel material has sufficiently high temperatures even after the forming in the areas of Andockstkovs. Thus, one is
  • the quenching temperature is significantly dependent on the steel material used
  • cooling medium for example, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a cooling liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display, a liquid crystal display,
  • Liquid for example water
  • other cooling media such as gaseous or solid.
  • the quenching of the workpiece preferably takes place when the docking cam is retracted.
  • the means for counteracting the cooling of the workpiece can be both additional means and
  • the funds may be determined by a particular choice of material or a particular geometric
  • Formability can also be achieved in the area of the docking stamp and a substantially completely through-hardened component can be produced, so that material committees in the end region of the components can be reduced or even avoided.
  • complex geometries can advantageously also be produced with the device according to the invention.
  • the means for counteracting the cooling of the workpiece may in particular be arranged such that, during the hot working of the workpiece, a phase transformation in the workpiece can be substantially prevented by cooling, ie the workpiece temperature also in the region of
  • a device can be provided which allows the economical production of components with complex geometry and at the same time enables a satisfactory hardening of the components.
  • the device may also comprise further means for carrying out previously described method steps.
  • the device may comprise means for heating or cooling the workpiece.
  • the device may comprise heating elements, such as induction coils, or means for introducing a cooling medium.
  • Hot forming despite a simultaneous heat dissipation through the device, such as the docking, a too strong or rapid cooling of the workpiece in this area can be sufficiently counteracted.
  • means for reducing the heat transfer from the workpiece to the device are provided as means for counteracting the cooling of the workpiece.
  • Providing the means for reducing the heat transfer can be achieved that less heat from the workpiece in the Area of Andockstempels is removed via the Andockstkov so as to counteract a cooling.
  • Corresponding means may be, for example, additives or spacer elements, which are provided in the area of the docking punch and can either be parts of the device itself or be designed as additional elements.
  • the device may be in the range of
  • Andockstempels in particular the Andockstkov and / or the tool in the docking area, as a means for
  • thermal conductivity Reduction of thermal conductivity to have a material with low thermal conductivity.
  • Possible materials with low thermal conductivity are for example a
  • Material with low thermal conductivity is understood in particular a thermal conductivity, which is lower than that of the steel material used.
  • the thermal conductivity of the material is lower Thermal conductivity less than 40, preferably less than 30 or even less than 20 W / (m * K).
  • the heat transfer can be further advantageously reduced if, according to a further embodiment of the device as an agent for reducing the heat transfer, an additive between the workpiece and the device, in particular the tool is introduced.
  • Additive may be, for example, a lubricant, which may be provided on the device or the workpiece.
  • the heat transfer can be further advantageously reduced if, according to a next embodiment of the device as means for reducing the heat transfer, the contact area between the workpiece and the device is reduced, in particular the surface of the docking stamp is geometrically modified and preferably one
  • the reduced contact area is preferably in
  • the tool can also be used in the area of
  • Andockstempels be geometrically modified so.
  • means for reducing the heat transfer according to a further embodiment of the device means for reducing the temperature difference between the device and the workpiece in the region of the Andockstkovs, heat transfer can be independent of the
  • the device can be used as means for reducing the temperature difference is particularly easy a tempered docking punches and / or in the
  • the temperature can, for example by means of
  • Induction coils or heating cartridges done. It is also possible to use fluids which can heat the docking punch and / or the tool in the region of the docking punch.
  • the docking stamp is movable.
  • the docking stamp can not only be secured against the workpiece almost independently of the workpiece geometry
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a
  • Fig. 3 shows a third embodiment of a
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of a
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment of a
  • Fig. 1 shows in a sectional view a part of a first embodiment of an apparatus 1 for molding a workpiece 2 for producing a molded component.
  • the workpiece 2 is made of a hardenable steel and in this case is a tubular workpiece which is to be formed into a tubular profile.
  • the workpiece 2 also has a hollow region 2a.
  • the device 1 comprises a tool 4, which two shaping
  • the shape of the profile to be produced is determined by the shaping inner peripheral surfaces of the die halves 4a and 4b.
  • the workpiece 2 is already introduced into the tool 4, wherein the opening of the hollow portion 2 a of the workpiece 2 is sealed by the docking punch 6.
  • the docking punch 6, with its surface 6a designed as a sealing area lies tight against the inner peripheral surface in the end area of the workpiece 2.
  • the docking punch 6 is adapted to the workpiece 2 and, in this case, is substantially rotationally symmetrical and tapered.
  • Andockstempel 6 a coaxially arranged fluid supply 8.
  • the device can, for example, still have a second or further docking punch, with which a second opening or further openings of the tubular workpiece 2
  • the workpiece 2 for example, before the
  • a hot fluid for example above the Acl temperature
  • the workpiece 2 can be hot-formed in cooperation with the forming die halves 4a, 4b.
  • the Forming can be realized by the high-pressure introduced fluid or by merging the die halves 4a, 4b at a fluid introduced under moderate pressure.
  • the docking punch 6 further has the projection 6b which holds the workpiece
  • the docking ram 6 is in any case during the deformation with the sealing area 6a on the
  • the device 1 now to reduce the heat transfer from the workpiece 2 on the device 1 means for reducing the
  • Heating elements 10 tempered Andockstkovs 6 on.
  • the heating elements 10 can be realized, for example, by heating cartridges or active temperature control.
  • Heating elements 10, the docking, for example, on be brought to a temperature above the Acl or Ac3 temperature. This will cause a phase transformation of the
  • the heating element 10 may be formed, for example, as an induction coil, so primarily a
  • Heating of the tool 2 in the area of Andockstempels 6 is achieved.
  • the temperature difference between the docking punch 6 and the workpiece 2 is not necessarily reduced, but in any case a cooling of the workpiece 2 in the area of the Andockstkovs 6 through the
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a
  • the device 1 'of Fig. 2 in contrast to the device 1 of Fig. 1, no means for reducing the temperature difference between the workpiece 2 and the device 1', but instead has means for reducing the
  • the means are provided in this case by the fact that both the tool 4 in the region of the docking punch 6 and the docking punch 6 itself have a material 11 with low thermal conductivity.
  • the docking punch 6 is made of a tool steel 11 or a ceramic with less
  • Thermal conductivity and the dies 4a, 4b also have a tool steel 11 or a ceramic with low thermal conductivity in the region of the docking stamp 6, as characterized by the cross-hatched area. This can also reduce the heat transfer from the workpiece 2 to the device 1 'and ultimately one
  • Fig. 3 shows a third embodiment of a
  • Device 1 which is similar to the devices of Figs. 1 and 2, respectively.
  • the device 1 '' of Fig. 3 is for Reduction of heat transfer in this case, an additive 12 substantially in the entire area between the workpiece 2 and the dies 4a, 4b of the device 1 '' is provided.
  • the heat transfer from the workpiece 2 to the device 1 can be reduced and finally a cooling of the workpiece 2 in the region of the docking stamp 6 counteracted.
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of a
  • Counteract workpiece 2 realized by reducing the contact area between the workpiece 2 and the sealing surface 6a of Andockstempels 6. This is achieved in that the surface 6a of the docking stamp 6 is geometrically modified by structuring in the form of
  • Result can be reduced by the reduced contact area in turn, the heat transfer from the workpiece 2 to the device ⁇ '' 'and ultimately a cooling of the
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment of a
  • Device 1 '''' which is similar to the previously shown devices of Figs. 1 to 4 designed.
  • the device "'"' knows how to reduce the heat transfer, as shown in FIG from the workpiece 2 on the device 1 means for
  • the heating elements 16 can in turn be realized by heating cartridges or active temperature control.
  • Heating elements 10, the docking stamp for example, be brought to a temperature above the Acl or Ac3 temperature. This prevents phase transformation of the steel material during hot forming by cooling in the area of the docking punch.
  • subsequent cooling or quenching of the formed workpiece 2 can therefore be carried out in particular in the region of the Andockstempels 6 curing, without having to reheat the workpiece again.
  • the heating element 16 may be formed as an induction coil, so primarily a direct heating of the

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Abstract

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geformten Bauteils mittels einer Vorrichtung, wobei ein einen Hohlbereich aufweisendes und zumindest teilweise aus einem Stahl-Werkstoff bestehendes Werkstück in ein Werkzeug der Vorrichtung eingebracht wird und wobei mit einem Andockstempel der Vorrichtung unter Druck ein Fluid in den Hohlbereich des in dem Werkzeug befindlichen Werkstücks eingebracht wird und das Werkstück in der Vorrichtung warmumgeformt wird. Die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, welches die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen auch mit komplexer Geometrie erlaubt und gleichzeitig eine zufriedenstellende Härtung der Bauteile ermöglicht, wird dadurch gelöst, dass im Bereich des Andockstempels der Abkühlung des Werkstücks entgegengewirkt wird. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines geformten
Bauteils
Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines geformten Bauteils mittels einer
Vorrichtung, wobei ein einen Hohlbereich aufweisendes und zumindest teilweise aus einem Stahl-Werkstoff bestehendes Werkstück in ein Werkzeug der Vorrichtung eingebracht wird und wobei mit einem Andockstempel der Vorrichtung unter Druck ein Fluid in den Hohlbereich des in dem Werkzeug befindlichen Werkstücks eingebracht wird und das Werkstück in der
Vorrichtung warmumgeformt wird. Weiterhin betrifft die
Erfindung eine Vorrichtung zum Formen eines einen Hohlbereich aufweisenden und zumindest teilweise aus einem Stahl- Werkstoff bestehenden Werkstücks mit einem Werkzeug zur Aufnahme des Werkstücks und mit mindestens einem
Andockstempel zum Einbringen eines Fluids in den Hohlbereich des in dem Werkzeug befindlichen Werkstücks.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Werkstücke aus Stahl wie Rohre oder Platinen bzw. die daraus hergestellten Bauteile wie etwa Profile bei oder nach ihrer Umformung zu Härten. Dabei werden die Werkstücke bzw. Bauteile je nach Stahl-Werkstoff auf eine Temperatur oberhalb der Acl- bzw. der Ac3-Temperatur gebracht, sodass ein im Wesentlichen austenitisches Gefüge vorliegt, und anschließend abgekühlt oder abgeschreckt. Das sich so einstellende martensitische Gefüge verleiht dem Bauteil dann eine gesteigerte Härte, sodass vergleichsweise stabile Bauteile trotz geringen
Gewichts hergestellt werden können. Insbesondere bei der großtechnischen Herstellung von
gehärteten Profilen, vor allem bei Hohlprofilen, wurden in der Vergangenheit lediglich vergleichsweise einfache
Geometrien umgesetzt. Komplexere Geometrien können hingegen beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Profile aus mehreren Teilen, etwa Halbschalen, zusammengesetzt werden. Durch die benötigte Verbindung der Teile zu einem Profil können jedoch die Stabilität, das Gewicht und der
Herstellungsprozess des Profils negativ beeinflusst werden.
Ein anderer Ansatz, um Bauteile wie etwa Profile mit einer komplexeren Struktur herstellen zu können, wird mit dem sogenannten Heiß-Blasformen verfolgt. Beim Heiß-Blasformen wird ein heißes in der Regel gasförmiges Fluid mit einem
Andockstempel unter Druck in einen durch den Andockstempel abgedichteten Hohlbereich eines Werkstücks, etwa in das
Innere eines Rohres, eingebracht. Das unter Hochdruck
eingebrachte Fluid formt das Werkstück gegen ein äußeres formgebendes Werkzeug (sogenanntes Innenhochdruckumformen oder „high pressure hydroforming" ) und/oder das äußere formgebende Werkzeug wird gegen das unter moderatem Druck stehende Werkstück gepresst (sogenanntes „low pressure hydroforming" ) . Im letzteren Fall dient das eingebrachte Fluid zur Fixierung eines bestimmten Volumens im Hohlbereich des Werkstücks, um das Werkstück sodann von außen mit dem Werkzeug umformen zu können.
Soll das hergestellte Bauteil gehärtet sein, kann das Bauteil in einem separaten Prozessschritt gehärtet werden. Dies stellt allerdings eine vergleichsweise kostenintensive Lösung dar, um gehärtete Profile mit komplexen Geometrien bereitstellen zu können. Daher wurde im Stand der Technik der Ansatz verfolgt, das Heiß-Blasformen und das Härten in einer Vorrichtung zu realisieren. Hierzu geeignete Verfahren und Vorrichtungen sind
beispielsweise aus dem Stand der Technik der DE 698 03 588 T2 bekannt. Es wird vorgeschlagen, ein hohles Stahlwerkstück mit einem erhitzten und unter Druck gesetzten Medium blaszuformen und anschließend in dem Umformwerkzeug abzuschrecken, indem das dominierende erwärmte Medium durch ein unter Druck gesetztes kühles Medium ersetzt wird.
Zwar kann auf diese Weise eine Verbesserung des
Herstellungsprozesses von gehärteten Bauteilen mit komplexen Geometrien erreicht werden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die auf diese Weise hergestellten Bauteile aus dem Stand der Technik, insbesondere in ihren Endbereichen, also dort, wo die Fluide in den Hohlbereich des Werkstücks eingebracht werden, keine zufriedenstellende Qualität aufweisen.
Insbesondere kann dadurch kein entlang seiner gesamten Länge vollständig durchgehärtetes Profil bereitgestellt werden. Auch ist die Umformbarkeit des Werkstücks in diesen Bereichen nicht zufriedenstellend, sodass es zu einem frühen
Materialversagen kommen kann. Aus diesem Grund werden in der Regel die Enden solcher Bauteile oder Profile nach dem
Umformen oder Härten entfernt, was jedoch zu einem hohen Materialausschuss oder Schrottanteil führt und somit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt. Vor diesem Hintergrund stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welches bzw. welche die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen auch mit komplexer Geometrie erlaubt und gleichzeitig eine zufriedenstellende Härtung der Bauteile ermöglicht . Die zuvor genannte Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung durch ein gattungsgemäßes Verfahren dadurch gelöst, dass im Bereich des Andockstempels der
Abkühlung des Werkstücks entgegengewirkt wird, insbesondere während der Warmumformung. Der Abkühlung kann dabei sowohl durch zusätzliche Mittel als auch durch die Vorrichtung selbst entgegengewirkt werden.
Es hat sich gezeigt, dass das Vorhandensein des
Andockstempels bzw. der Vorrichtung im Bereich des
Andockstempels selbst für zuvor genannte Nachteile
verantwortlich ist, da durch den Kontakt des Andockstempels bzw. der Vorrichtung mit dem Werkstück, um unter Druck das Fluid in den Hohlbereich des Werkstücks einzubringen und das Werkstück umzuformen, ein Teil der Wärme von dem Werkstück im Bereich des Andockstempels über den Andockstempel abgeführt wird. Dadurch kann sich während der Warmumformung die
Temperatur des Werkstücks im Bereich des Andockstempels und auch in angrenzenden Werkstückbereichen verringern bzw.
bereits keine ausreichend hohe Temperatur erreicht werden. Der gewünschte Temperaturverlauf des Werkstücks bei einem Aufheizen über die Acl- oder die Ac3-Temperatur, einem anschließenden Warmumformen vorzugsweise bei Temperaturen oberhalb der Acl- oder Ac3-Temperatur des Stahl-Werkstoffs und einem darauf folgenden raschen Abkühlen wird dadurch beeinträchtigt. Dadurch, dass nun im Bereich des Andockstempels der Abkühlung von dem Werkstück entgegengewirkt wird, kann der nachteilige Effekt eines unerwünschten Temperaturverlaufs des Werkstücks im Bereich des Andockstempels reduziert oder minimiert werden. Somit kann eine zufriedenstellende Umformbarkeit auch im Bereich des Andockstempels erreicht werden und ein im Wesentlichen vollständig durchgehärtetes Bauteil hergestellt werden, sodass Materialausschüsse im Bereich des
Andockstempels reduziert oder sogar vermieden werden können. Gleichzeitig können die Vorteile des Blasformens, das heißt die Herstellung auch von komplexen Geometrien, genutzt werden. Es hat sich zudem gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren ein Nachschieben des Materials des Werkstücks aus den Bereichen der Andockstempel begünstigt und hohe
Umformgerade erreichbar sind.
Im Ergebnis kann ein Verfahren bereitgestellt werden, welches die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen auch mit komplexer Geometrie erlaubt und gleichzeitig eine
zufriedenstellende Härtung der Bauteile ermöglicht.
Unter einer Entgegenwxrkung der Abkühlung des Werkstücks wird insbesondere verstanden, dass der Abkühlung soweit
entgegengewirkt wird, dass eine durch Abkühlung
hervorgerufene Phasentransformation im Werkstück im
Wesentlichen unterbunden werden kann, insbesondere während der Warmumformung des Werkstücks. Die Werkstücktemperatur kann also auch im Bereich des Andockstempels oberhalb der Rekristallisationstemperatur oder der Acl- oder sogar Ac3- Temperatur des Stahl-Werkstoffs gehalten werden. Erst nach dem Warmumformen, beispielsweise durch Abschrecken, wird das Werkstück wieder unter diese Temperatur gebracht. Die Werkstücke sind in der Regel Halbzeuge, welche zu einem Bauteil, insbesondere zu einem Profil, umgeformt werden können. Besonders bevorzugt sind die Werkstücke rohrförmige Werkstücke, welche zu einem rohrförmigen Profil umgeformt werden können. Die rohrförmigen Werkstücke können
beispielsweise zwei Öffnungen aufweisen, zum Beispiel an jedem Ende eine. In diesem Fall kann ein Andockstempel für jede Öffnung des Werkstücks vorgesehen sein. Es ist jedoch auch denkbar, Werkstücke mit einer oder mehr als zwei
Öffnungen zu verwenden. In diesem Fall kann eine
entsprechende Zahl von Andockstempeln vorgesehen sein. Die hergestellten Bauteile, insbesondere rohrförmige Profile, eignen sich insbesondere als Karosseriebauteile, etwa als Säulen oder Träger einer Fahrzeugkarosserie. Besonders im
Automobilbereich sind die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile, wie eine hohe Steifigkeit der Bauteile bei geringem Gewicht und wirtschaftlicher Herstellung, erwünscht .
Der Stahl-Werkstoff des Werkstücks kann beispielsweise ein Mangan-Bohr-Stahl sein. Diese Stähle können je nach Legierung durch eine Härtung Zugfestigkeiten von über 1500 MPa bis hin zu 2000 MPa erreichen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren sind darüber hinaus
Werkstücke bevorzugt, welche eine Wanddicke zwischen 0,5 und 3,0 mm aufweisen. Das zum Formen verwendete Fluid weist vorzugsweise eine
Temperatur oberhalb er Acl- oder Ac3-Temperatur des Stahl- Werkstoffs des Werkstücks auf. Das Fluid ist vorzugsweise ein Gas, grundsätzlich kann jedoch auch eine Flüssigkeit
vorgesehen sein. Durch eine ausreichend hohe Temperatur des Fluids kann einer zu starken Abkühlung des Werkstücks bei der Warmumformung entgegengewirkt werden.
Alternativ kann das Fluid auch untemperiert in das Werkstück, beispielsweise bei Raumtemperatur eingebracht werden.
Insbesondere Fluide mit geringer Wärmeleitfähigkeit eignen sich besonders gut, da zumindest für die Zeitdauer der
Warmumformung keine zu starke Abkühlung des Werkstücks eintritt .
Das Werkstück kann beispielsweise vor dem Einbringen in das Werkzeug oder auch erst in der Vorrichtung selbst auf eine Temperatur zum Warmumformen gebracht werden, also auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur, vorzugsweise auf eine Temperatur oberhalb der Acl- oder Ac3- Temperatur des Stahl-Werkstoffs. Das Werkzeug umgreift das Werkstück vorzugsweise zumindest teilweise. Beispielsweise ist das Werkzeug als Gesenk ausgebildet. Beispielsweise umfasst das Werkzeug zwei
Gesenkhälften, in die das Werkstück eingebracht werden kann. Das Werkzeug ist vorzugsweise ein formgebendes Werkzeug und weist beispielsweise zumindest abschnittsweise eine
Negativform des herzustellenden Bauteils auf.
Der Andockstempel weist auf seiner Außenumfangsfläche bevorzugt einen Dichtbereich auf, über welchen der
Hohlbereich des Werkstücks gegenüber dem Außenbereich abgedichtet wird. In Abhängigkeit von der Geometrie des umzuformenden Werkstücks können auch zwei oder mehr Andockstempel vorgesehen sein. Der Andockstempel kann die zusätzliche Funktion haben, während der Warmumformung
Material des Werkstücks nachzuschieben. Im Falle von mehr als einem Andockstempel kann im Bereich aller oder nur einzelner Andockstempel der Abkühlung des Werkstücks entgegengewirkt werden .
Die Warmumformung in der Vorrichtung kann einerseits dadurch erreicht werden, dass der Druck des in den Hohlbereich des Werkstücks eingebrachten Fluids selbst bereits ausreicht, um eine Umformung des Werkstücks zu erreichen. Hierbei drückt eine im Wesentlichen nach außen gerichtete Umformkraft das Werkstück gegen das Werkzeug. Ein als Gesenk ausgebildetes Werkzeug umschließt das Werkstück hierbei in der Regel vollständig, bevor das Fluid unter Hochdruck in den
Hohlbereich des Werkstücks eingebracht wird. Andererseits kann das unter Druck eingebrachte Fluid auch dazu dienen, ein bestimmtes Volumen in dem Hohlbereich des Werkstücks zu fixieren. Die Umformung kann dann beispielsweise durch das Werkzeug der Vorrichtung von außen erfolgen. Ein als Gesenk ausgebildetes Werkzeug schließt sich dabei erst vollständig, nachdem das Fluid unter moderatem Druck eingebracht wurde. Es kann grundsätzlich auch eine Kombination der zuvor genannten Verfahren angewandt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Abkühlung entgegenwirkt, indem das Werkstück in dem Werkzeug im Bereich des Andockstempels zumindest zeitweise erwärmt wird. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise Mittel zum Erwärmen des Werkstücks im Bereich des
Andockstempels aufweisen, beispielsweise im Werkzeug oder im Andockstempel. Es hat sich gezeigt, dass durch ein Erwärmen des Werkstücks im Bereich des Andockstempels, insbesondere während des Warmumformens, trotz einer gleichzeitigen
Wärmeabführung über die Vorrichtung, etwa den Andockstempel, einem zu starken oder schnellen Abkühlen des Werkstücks in diesem Bereich ausreichend entgegengewirkt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Abkühlung entgegengewirkt, indem im Bereich des Andockstempels die Wärmeübertragung von dem Werkstück auf die Vorrichtung reduziert wird. Es hat sich gezeigt, dass auch durch eine Reduzierung der
Wärmeübertragung von dem Werkstück auf die Vorrichtung einem zu starken oder schnellen Abkühlen des Werkstücks in dem Bereich des Andockstempels entgegengewirkt werden kann. Dass die Wärmeübertragung auf die Vorrichtung reduziert wird, heißt beispielsweise, dass die Wärmeübertragung auf das Werkzeug im Bereich des Andockstempels und/oder auf den Andockstempel selbst reduziert wird. Gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärmeübertragung reduziert, indem die Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung im Bereich des
Andockstempels reduziert wird. Durch die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung im Bereich des
Andockstempels kann trotz einer eventuell bestehenden
Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung im Bereich des Andockstempels und dem Werkstück im Bereich des
Andockstempels der Wärmeübertragung entgegenwirkt werden. Hierbei kann beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit des Andockstempels selbst und/oder die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs im Bereich des Andockstempels reduziert sein.
Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu vom Andockstempel entfernten Bereichen des Werkzeugs
reduziert sein. Insbesondere kann dies erreicht werden, indem eine Vorrichtung (beispielsweise das Werkzeug oder der
Andockstempel) aufweisend ein Material mit geringer
Wärmeleitfähigkeit im Bereich des Andockstempels verwendet wird. Beispielsweise kann ein Andockstempel im Wesentlichen bestehend aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit und/oder eine Werkzeug mit einem Material mit geringer
Wärmeleitfähigkeit im Bereich des Andockstempels verwendet werden. Das Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit kann beispielsweise ein Werkzeugstahl mit geringer
Wärmeleitfähigkeit sein. Es sind jedoch auch andere
Materialien wie beispielsweise Keramik denkbar. Unter einer reduzierten Wärmeleitfähigkeit bzw. einem
Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit wird insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit verstanden, welche geringer ist als die des verwendeten Stahl-Werkstoffs. Beispielsweise ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials mit geringer
Wärmeleitfähigkeit geringer als 40, vorzugsweise geringer als 30 oder sogar geringer als 20 W/ (m * K) .
Wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Wärmeübertragung reduziert, indem ein
Zusatzstoff zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung, insbesondere dem Werkzeug, eingebracht wird, kann eine
Reduzierung der Wärmeübertragung ohne wesentliche
Modifikationen der Vorrichtung erreicht werden.
Beispielsweise kann im Bereich des Andockstempels ein
Schmiermittel, ein Zellstoff oder eine Keramik zwischen der
Vorrichtung und dem Werkstück vorgesehen sein. Dadurch werden die Wärmeleitfähigkeit und damit die Wärmeübertragung auf die Vorrichtung weiterhin verringert. Wird der Zusatzstoff zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung vorgesehen, wird zudem die Dichtung zwischen dem Werkstück und dem
Andockstempel nicht beeinträchtigt. Der Zusatzstoff kann beispielsweise mit dem Werkstück in die Vorrichtung
eingebracht werden oder bereits auf der Vorrichtung
vorgesehen sein.
Der Zusatzstoff weist bevorzugt eine geringe
Wärmeleitfähigkeit auf, insbesondere eine geringere
Wärmeleitfähigkeit als der verwendete Stahl-Werkstoff des Werkstücks und/oder als das Material der Vorrichtung im
Bereich des Andockstempels. Beispielsweise ist die
Wärmeleitfähigkeit des Zusatzstoffs geringer als 20,
vorzugsweise geringer als 10 oder sogar geringer als
1 W/ (m * K) .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärmeübertragung durch eine Reduzierung der Kontaktfläche zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung reduziert, insbesondere durch eine geometrische Modifizierung der Oberfläche des Andockstempels, vorzugsweise durch eine Strukturierung, insbesondere eine oder mehrere Aussparungen. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Werkzeug im Bereich des Andockstempels derart geometrisch modifiziert sein. So kann über eine Reduzierung der Kontaktfläche zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück die Wärmeleitfähigkeit und damit die Wärmeübertragung von dem Werkstück auf die
Vorrichtung verringert werden, sodass im Endeffekt der
Abkühlung des Werkstücks im Bereich des Andockstempels entgegengewirkt werden kann. Häufig ist es nicht möglich, zusätzliche Stoffe insbesondere zwischen dem Werkstück und dem Andockstempel zu positionieren, ohne die
Dichtungsfunktion des Andockstempels zu beeinträchtigen. Es hat sich jedoch herausgestallt, dass eine Reduzierung der Kontaktfläche, wie durch das Vorsehen von einer oder mehreren Aussparungen auf der Oberfläche des Andockstempels, auch im Dichtbereich des Andockstempels die Wärmeübertragung
reduziert werden kann und trotzdem eine ausreichende
Abdichtung für das Umformen, wie das Heiß-Blasformen,
hergestellt werden kann. Durch eine Modifizierung kann auf besonders einfache Weise der Kontakt zwischen Vorrichtung und Werkstück verringert werden, wobei die in den Aussparungen vorzugsweise vorgesehene Luft als Isoliermedium dienen kann. Unter einer Reduzierung der Kontaktfläche wird beispielsweise verstanden, dass die Kontaktfläche im Vergleich zu einer Kontaktfläche ohne eine geometrische Modifizierung der
Oberfläche um mindestens 20%, vorzugsweise um mindestens 40%, besonders bevorzugt um mindestens 60%, reduziert ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärmeübertragung reduziert, indem die Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung und dem
Werkstück im Bereich des Andockstempels reduziert wird.
Dadurch kann trotz möglicherweise hoher Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Materialien die Wärmeübertragung reduziert werden. Eine Einschränkung auf die Verwendung von Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit oder Zusatzstoffen kann so umgangen werden, sodass eine größere Freiheit bei der
Gestaltung der Vorrichtung erreicht werden kann.
Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich die
Wärmeübertragung sowohl durch eine Reduzierung der
Wärmeleitfähigkeit als auch der Temperaturdifferenz zu minimieren . Unter einer Reduzierung der Temperaturdifferenz wird
verstanden, dass zumindest eine positive Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück im Bereich des Andockstempels (wenn also die Temperatur des Werkstücks im Bereich des Andockstempels größer ist als die Temperatur der Vorrichtung im Bereich des Andockstempels) reduziert wird. Eine derartige zu hohe positive Temperaturdifferenz führt nämlich zu einer Reduzierung der Temperatur im Werkstück, sodass ein Nachschieben des Materials während der Umformung bzw. eine Abschreckung von einer ausreichend hohen
Werkstückstemperatur und somit Härtung beeinträchtigt wird. Die Temperaturen der Vorrichtung und des Werkstücks im
Bereich des Andockstempels sind während der Warmumformung im Optimalfall also im Wesentlichen gleich.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperaturdifferenz dadurch reduziert, dass die Vorrichtung, insbesondere der Andockstempel und/oder das Werkzeug, im Bereich des Andockstempels temperiert wird. So kann die Temperaturdifferenz in den maßgeblichen Bereichen besonders einfach und effizient reduziert werden. Derartige temperierte Bereiche können beispielsweise Heizelemente aufweisen. Insbesondere ist durch die Temperierung die Acl- oder sogar die Ac3-Temperatur des Stahl-Werkstoffs
erreichbar. Dadurch kann das Werkstück im Bereich des
Andockstempels während der Warmumformung oberhalb der
Rekristallisationstemperatur oder oberhalb der Acl- oder sogar der Ac3-Temperatur gehalten werden. Beispielsweise wird der Andockstempel oder das Werkzeug im Bereich des
Andockstempels vor und/oder während der Warmumformung auf eine entsprechende Temperatur aufgeheizt. Die Temperierung kann beispielsweise durch induktive Erwärmung oder durch Heizpatronen erfolgen, um nur einige Beispiele zu nennen.
Wird nach dem Warmumformen des Werkstücks das umgeformte Werkstück in der Vorrichtung, insbesondere mittels eines Kühlmediums, abgeschreckt, kann das Härtegefüge besonders wirtschaftlich eingestellt werden und ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile bereitgestellt werden. Dies ist möglich, da keine zusätzliche Erwärmung des umgeformten Werkstücks bzw. Bauteils auf oberhalb der Acl- bzw. Ac3-Temperatur notwendig ist, da der Stahl-Werkstoff auch nach der Umformung in den Bereichen des Andockstempels ausreichend hohe Temperaturen aufweist. Somit ist ein
Abschrecken innerhalb der Vorrichtung möglich, welches etwaige zusätzliche Transportschritte und
Abschreckvorrichtungen erspart. Die Abschrecktemperatur ist dabei wesentlich von dem verwendeten Stahl-Werkstoff
abhängig. Als Kühlmedium kann beispielsweise eine
Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, vorgesehen sein. Es können aber auch andere Kühlmedien vorgesehen sein, etwa gasförmige oder feste. Das Abschrecken des Werkstücks erfolgt bevorzugt bei zurückgefahrenem Andockstempel. Es ist jedoch auch denkbar, das Kühlmedium über den Andockstempel in das umgeformte Werkstück einzubringen.
Es versteht sich, dass die verschiedenen aufgezeigten
Möglichkeiten, um einer Abkühlung des Werkstücks im Bereich des Andockstempels entgegenzuwirken, miteinander kombiniert werden können.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs aufgezeigte Aufgabe mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung zum Formen eines einen Hohlbereich aufweisenden und zumindest teilweise aus einem Stahl-Werkstoff bestehenden Werkstücks, insbesondere zur Durchführung eines
erfindungsgemäßen Verfahrens, dadurch gelöst, dass im Bereich des Andockstempels Mittel vorgesehen sind, um der Abkühlung des Werkstücks entgegenzuwirken.
Die Mittel, um der Abkühlung des Werkstücks entgegenzuwirken, können dabei sowohl zusätzliche Mittel sein als auch
beispielsweise Teile oder besondere Ausgestaltungen der
Vorrichtung selbst sein. Auch können die Mittel durch eine bestimmte Materialwahl oder eine bestimmte geometrische
Ausgestaltung realisiert sein. Somit kann wie in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren bereits ausgeführt, der nachteilige Effekt eines
unerwünschten Temperaturverlaufs des Werkstücks im Bereich des Andockstempels, insbesondere während des Warmumformens, reduziert werden. So kann eine zufriedenstellende
Umformbarkeit auch im Bereich des Andockstempels erreicht und ein im Wesentlichen vollständig durchgehärtetes Bauteil hergestellt werden, sodass Materialausschüsse im Endbereich der Bauteile reduziert oder sogar vermieden werden können. Gleichzeitig können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft auch komplexe Geometrien hergestellt werden.
Die Mittel, um der Abkühlung des Werkstücks entgegenzuwirken, können insbesondere derart eingerichtet sein, dass während der Warmumformung des Werkstücks eine Phasentransformation im Werkstück durch Abkühlung im Wesentlichen unterbunden werden kann, die Werkstücktemperatur also auch im Bereich des
Andockstempels oberhalb der Rekristallisationstemperatur oder der Acl- oder sogar der Ac3-Temperatur des Stahl-Werkstoffs gehalten werden kann.
Im Ergebnis kann daher eine Vorrichtung bereitgestellt werden, welche die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen auch mit komplexer Geometrie erlaubt und gleichzeitig eine zufriedenstellende Härtung der Bauteile ermöglicht.
Die Vorrichtung kann zudem weitere Mittel zur Durchführung zuvor beschriebener Verfahrensschritte aufweisen.
Beispielsweise kann die Vorrichtung Mittel zum Aufwärmen oder Kühlen des Werkstücks aufweisen. Beispielsweise kann die Vorrichtung Heizelemente, etwa Induktionsspulen, oder Mittel zum Einbringen eines Kühlmediums aufweisen.
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist als Mittel, um der Abkühlung des Werkstücks
entgegenzuwirken, mindestens ein Heizelement zur Erwärmung des Werkstücks im Bereich des Andockstempels vorgesehen. Es hat sich gezeigt, dass durch ein Erwärmen des Werkstücks im Bereich des Andockstempels, insbesondere während des
Warmumformens, trotz einer gleichzeitigen Wärmeabführung über die Vorrichtung, etwa den Andockstempel, einem zu starken oder schnellen Abkühlen des Werkstücks in diesem Bereich ausreichend entgegengewirkt werden kann.
Gemäß einer nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind als Mittel, um der Abkühlung des Werkstücks entgegenzuwirken, Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung von dem Werkstück auf die Vorrichtung vorgesehen. Durch das
Vorsehen der Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung kann erreicht werden, dass weniger Wärme von dem Werkstück im Bereich des Andockstempels über den Andockstempel abgeführt wird, um so einer Abkühlung entgegenzuwirken.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung sind als Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung Mittel zur Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung im Bereich des
Andockstempels vorgesehen. Entsprechende Mittel können etwa Zusatzstoffe oder Abstandselemente sein, welche im Bereich des Andockstempels vorgesehen sind und entweder Teile der Vorrichtung selbst sein oder als zusätzliche Elemente ausgebildet sein können. Durch Mittel zur Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung im Bereich des
Andockstempels kann trotz einer eventuell bestehenden
Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung im Bereich des Andockstempels und dem Werkstück im Bereich des
Andockstempels die Wärmeübertragung reduziert werden.
Insbesondere kann die Vorrichtung im Bereich des
Andockstempels, insbesondere der Andockstempel und/oder das Werkzeug im Bereich des Andockstempels, als Mittel zur
Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Mögliche Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit sind beispielsweise ein
Werkzeugstahl mit geringer Wärmeleitfähigkeit oder eine Keramik.
Unter einer reduzierten Wärmeleitfähigkeit bzw. einem
Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit wird insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit verstanden, welche geringer ist als die des verwendeten Stahl-Werkstoffs. Beispielsweise ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials mit geringer Wärmeleitfähigkeit geringer als 40, vorzugsweise geringer als 30 oder sogar geringer als 20 W/ (m * K) .
Die Wärmeübertragung kann weiterhin vorteilhaft dadurch reduziert werden, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung als Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung ein Zusatzstoff zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung, insbesondere dem Werkzeug, eingebracht ist. Ein solcher
Zusatzstoff kann beispielsweise ein Schmiermittel sein, welches auf der Vorrichtung oder dem Werkstück vorgesehen sein kann.
Die Wärmeübertragung kann weiterhin vorteilhaft dadurch reduziert werden, wenn gemäß einer nächsten Ausgestaltung der Vorrichtung als Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung die Kontaktfläche zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung reduziert ist, insbesondere die Oberfläche des Andockstempels geometrisch modifiziert ist und vorzugsweise eine
Strukturierung, insbesondere eine oder mehrere Aussparungen aufweist. Die reduzierte Kontaktfläche ist bevorzugt im
Dichtbereich des Andockstempels vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Werkzeug im Bereich des
Andockstempels derart geometrisch modifiziert sein. Sind als Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung Mittel zur Reduzierung der Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück im Bereich des Andockstempels vorgesehen, kann eine Wärmeübertragung unabhängig von der
Wärmeleitfähigkeit der in Kontakt stehenden Bereiche der
Vorrichtung und dem Werkstück im Bereich des Andockstempels erreicht werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung können als Mittel zur Reduzierung der Temperaturdifferenz besonders einfach ein temperierter Andockstempel und/oder ein im
Bereich des Andockstempels temperiertes Werkzeug vorgesehen sein. Die Temperierung kann beispielsweise mittels
Induktionsspulen oder Heizpatronen erfolgen. Ebenfalls können Fluide verwendet werden, welche den Andockstempel und/oder das Werkzeug im Bereich des Andockstempels erhitzen können.
Schließlich kann die Vorrichtung dadurch vorteilhaft
weitergebildet werden, dass der Andockstempel verfahrbar ist. Dadurch kann der Andockstempel nicht nur nahezu unabhängig von der Werkstückgeometrie sicher gegen das Werkstück
abdichten, sondern auch ein Abkühlen oder Abschrecken des umgeformten Werkstücks erleichtert werden, da bei
zurückgefahrenem Andockstempel auf einfache Weise ein Spülen mittels eines Kühlmediums, beispielsweise Wasser, erfolgen kann .
In Bezug auf weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Vorrichtung gemäß der zweiten Lehre der Erfindung wird auf die Ausführungen in Bezug das Verfahren gemäß der ersten Lehre der Erfindung verwiesen.
Im Weitern wird die Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht einen Teil eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Formen eines Werkstücks 2 zur Herstellung eines geformten Bauteils. Das Werkstück 2 besteht aus einem härtbaren Stahl und ist in diesem Fall ein rohrförmiges Werkstück, welches in ein rohrförmiges Profil umgeformt werden soll. Das Werkstück 2 weist zudem einen Hohlbereich 2a auf. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Werkzeug 4, welches zwei formgebende
Gesenkhälften 4a und 4b aufweist, und einen axial verfahrbaren Andockstempel 6. Die Form des herzustellenden Profils wird durch die formgebenden Innenumfangsflächen der Gesenkhälften 4a und 4b bestimmt. Das Werksstück 2 ist bereits in das Werkzeug 4 eingebracht, wobei die Öffnung des Hohlbereichs 2a des Werkstücks 2 durch den Andockstempel 6 dicht verschlossen ist. Hierzu liegt der Andockstempel 6 mit seiner als Dichtbereich ausgestalteten Oberfläche 6a dicht an der Innenumfangsfläche im Endbereich des Werkstücks 2 an. Der Andockstempel 6 ist hierzu an das Werkstück 2 angepasst und ist in diesem Fall im Wesentlichen rotationssymmetrisch und konisch zulaufend ausgebildet. Zum Einbringen eines Fluids in den Hohlbereich 2a zum Formen des Werkstücks weist der
Andockstempel 6 eine koaxial angeordnete Fluidzuführung 8 auf .
Die Vorrichtung kann beispielsweise noch einen zweiten oder weitere Andockstempel aufweisen, mit dem eine zweite Öffnung bzw. weitere Öffnungen des rohrförmigen Werkstücks 2
abgedichtet werden (nicht dargestellt) . Exemplarisch wird jedoch lediglich ein Andockstempel 6 beschrieben.
Das Werkstück 2 kann beispielsweise bereits vor dem
Einbringen in das Werkzeug 4, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, auf eine Temperatur oberhalb der Ac3-Temperatur gebracht werden. Alternativ kann das Werkstück 2 aber auch erst im Werkzeug 4 erwärmt werden.
Wird nun ein heißes Fluid, beispielsweise oberhalb der Acl- Temperatur, mittels der Fluidzuführung 8 in den Hohlbereich 2a des in dem Werkzeug 4 fixierten Werkstücks 2 eingebracht, kann das Werkstück 2 in Zusammenwirken mit den formgebenden Gesenkhälften 4a, 4b warmumgeformt werden. Hierbei kann die Umformung durch das unter Hochdruck eingebrachte Fluid oder durch ein Zusammenführen der Gesenkhälften 4a, 4b bei unter moderatem Druck eingebrachten Fluid realisiert werden.
Ebenfalls kann eine Kombination dieser Verfahren vorgesehen sein.
Um die Umformung zu unterstützen weist der Andockstempel 6 weiterhin den Vorsprung 6b auf, welcher das Werkstück
hintergreift. Hierdurch kann Material des Werkstücks 2 in den Bereich zwischen den Gesenkhälften 4a, 4b nachgeschoben werden, sodass sichergestellt werden kann, dass in Bereichen hoher Umformgrade genug Material zur Verfügung steht.
Wie bereits beschrieben, liegt der Andockstempel 6 jedenfalls während der Umformung mit dem Dichtbereich 6a an der
Innenumfangsfläche im Endbereich des Werkstücks 2 an. Dadurch würde bei Vorrichtungen und Verfahren aus dem Stand der
Technik jedoch ein nicht zu vernachlässigender Wärmeübertrag von dem erwärmten Werkstück 2 auf den Andockstempel 6 erfolgen und eine Abkühlung des Werkstücks 2 in diesem und angrenzenden Bereichen zur Folge haben.
Um der Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des
Andockstempels 6 entgegenzuwirken, weist die Vorrichtung 1 nun zur Reduzierung der Wärmeübertragung von dem Werkstück 2 auf die Vorrichtung 1 Mittel zur Reduzierung der
Temperaturdifferenz zwischen dem Andockstempel 6 der
Vorrichtung 1 und dem Werkstück 2 in Form eines über
Heizelementen 10 temperierten Andockstempels 6 auf. Die Heizelemente 10 können beispielsweise durch Heizpatronen oder eine aktive Temperierung realisiert sein. Durch die
Heizelemente 10 kann der Andockstempel beispielsweise auf eine Temperatur oberhalb der Acl- oder der Ac3-Temperatur gebracht werden. Dadurch wird eine Phasenumwandlung des
Stahl-Werkstoffs während der Warmumformung durch Abkühlung im Bereich des Andockstempels verhindert. Durch ein
anschließendes Abkühlen bzw. Abschrecken des umgeformten Werkstücks 2 kann daher eine Härtung insbesondere auch im Bereich des Andockstempels 6 erfolgen, ohne das Werkstück erneut erwärmen zu müssen. Alternativ kann das Heizelement 10 beispielsweise auch als Induktionsspule ausgebildet sein, sodass primär eine
Erwärmung des Werkzeugs 2 im Bereich des Andockstempels 6 erreicht wird. In diesem Fall wird nicht zwangsweise die Temperaturdifferenz zwischen dem Andockstempel 6 und dem Werkstück 2 verringert, aber jedenfalls einer Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 durch die
Erwärmung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegengewirkt . Zum Härten kann der Andockstempel 6 nach dem Warmumformen des Werkstücks 2 zu einem Profil beispielsweise in axialer
Richtung entfernt werden, sodass durch das Einbringen eines Kühlmediums das hergestellte Profil gehärtet werden kann. Somit kann eine verbesserte Umformbarkeit im Bereich des Andockstempels 6 erreicht werden und ein im Wesentlichen vollständig durchgehärtetes Bauteil hergestellt werden, sodass Materialausschüsse aufgrund ungehärteter
Werkstückbereiche aus dem Bereich des Andockstempels 6 verringert werden. Gleichzeitig kann die Herstellung von
Hohlprofilen mit komplexer Geometrie erreicht werden. Zudem wird ein Nachschieben des Materials des Werkstücks 2 aus dem Bereich des Andockstempels 6 aufgrund der reduzierten
Abkühlung des Werkstücks 2 vereinfacht, sodass hohe
Umformgerade des Werkstücks 2 erreichbar sind. Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 1', welche ähnlich zu der Vorrichtung 1 aus Fig. 1 ist. Insofern wird im Folgenden lediglich auf die
Unterschiede eingegangen und gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen werden. Die Vorrichtung 1' aus Fig. 2 weist im Unterschied zur Vorrichtung 1 aus Fig. 1 keine Mittel zur Reduzierung der Temperaturdifferenz zwischen dem Werkstück 2 und der Vorrichtung 1' auf, sondern weist stattdessen Mittel zur Reduzierung der
Wärmeleitfähigkeit des Andockstempels 6 und des Werkzeugs 4 im Bereich des Andockstempels 6 auf. Die Mittel sind in diesem Fall dadurch vorgesehen, dass sowohl das Werkzeug 4 im Bereich des Andockstempels 6 als auch der Andockstempel 6 selbst ein Material 11 mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweisen. In diesem Fall besteht der Andockstempel 6 aus einem Werkzeugstahl 11 oder einer Keramik mit geringer
Wärmeleitfähigkeit und die Gesenke 4a, 4b weisen im Bereich des Andockstempels 6 ebenfalls einen Werkzeugstahl 11 oder eine Keramik mit geringer Wärmeleitfähigkeit auf, wie durch den kreuzschraffierten Bereich gekennzeichnet. Hierdurch kann ebenfalls die Wärmeübertragung von dem Werkstück 2 auf die Vorrichtung 1' reduziert werden und letztendlich einer
Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegengewirkt werden. Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 1'', welche ähnlich zu der Vorrichtungen aus Fig. 1 bzw. 2 ist. Bei der Vorrichtung 1' ' aus Fig. 3 ist zur Reduzierung der Wärmeübertragung in diesem Fall ein Zusatzstoff 12 im Wesentlichen im gesamten Bereich zwischen dem Werkstück 2 und den Gesenken 4a, 4b der Vorrichtung 1'' vorgesehen. Im Ergebnis kann wiederum die Wärmeübertragung von dem Werkstück 2 auf die Vorrichtung 1' ' reduziert werden und letztendlich einer Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegengewirkt werden.
Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 1' ' ' , welche ähnlich zu den zuvor gezeigten
Vorrichtungen aus den Fig. 1 bis 3 gestaltet ist. Im
Unterschied sind jedoch im Bereich des Andockstempels die Mittel, welche vorgesehen sind, um der Abkühlung des
Werkstücks 2 entgegenzuwirken, durch eine Reduzierung der Kontaktfläche zwischen dem Werkstück 2 und der Dichtfläche 6a des Andockstempels 6 realisiert. Dies wird dadurch erreicht, dass die Oberfläche 6a des Andockstempels 6 geometrisch modifiziert ist, indem eine Strukturierung in Form von
Aussparungen 14 in die als Dichtbereich ausgestaltete
Oberfläche 6a des Andockstempels 6 eingebracht ist. Im
Ergebnis kann durch die reduzierte Kontaktfläche wiederum die Wärmeübertragung von dem Werkstück 2 auf die Vorrichtung \' ' ' reduziert werden und letztendlich einer Abkühlung des
Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegengewirkt werden.
Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 1' ' ' ' , welche ähnlich zu den zuvor gezeigten Vorrichtungen aus den Fig. 1 bis 4 gestaltet ist. Um der Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegenzuwirken, weißt die Vorrichtung ' ' ' ' wie die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 zur Reduzierung der Wärmeübertragung von dem Werkstück 2 auf die Vorrichtung 1 Mittel zur
Reduzierung der Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung 1'''' und dem Werkstück 2 auf. In diesem Fall wird allerdings nicht der Andockstempel 6, sondern das Werkzeug 4 durch die Heizelementen 16 temperiert, sodass die Temperaturdifferenz zwischen dem Werkzeug 4 und dem Werkstück 2 reduziert wird. Die Heizelemente 16 können wiederum durch Heizpatronen oder eine aktive Temperierung realisiert sein. Durch die
Heizelemente 10 kann der Andockstempel beispielsweise auf eine Temperatur oberhalb der Acl- oder der Ac3-Temperatur gebracht werden. Dadurch wird eine Phasenumwandlung des Stahl-Werkstoffs während der Warmumformung durch Abkühlung im Bereich des Andockstempels verhindert. Durch ein
anschließendes Abkühlen bzw. Abschrecken des umgeformten Werkstücks 2 kann daher eine Härtung insbesondere auch im Bereich des Andockstempels 6 erfolgen, ohne das Werkstück erneut erwärmen zu müssen.
Alternativ kann auch das Heizelement 16 als Induktionsspule ausgebildet sein, sodass primär eine direkt Erwärmung des
Werkzeugs 2 im Bereich des Andockstempels 6 erreicht wird. In diesem Fall wird also wiederum nicht zwangsweise die
Temperaturdifferenz zwischen dem Werkzeug 4 und dem
Werkstücks 2 verringert, aber jedenfalls einer Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 durch die
Erwärmung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegengewirkt .

Claims

Pa ten tan sp rü che
Verfahren zur Herstellung eines geformten Bauteils mittels einer Vorrichtung,
wobei ein einen Hohlbereich aufweisendes und zumindest teilweise aus einem Stahl-Werkstoff bestehendes Werkstück in ein Werkzeug der Vorrichtung eingebracht wird und wobei mit einem Andockstempel der Vorrichtung unter Druck ein Fluid in den Hohlbereich des in dem Werkzeug
befindlichen Werkstücks eingebracht wird und das
Werkstück in der Vorrichtung warmumgeformt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s im Bereich des Andockstempels einer Abkühlung des
Werkstücks entgegengewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Abkühlung entgegengewirkt wird, indem das Werkstück in dem Werkzeug im Bereich des Andockstempels zumindest zeitweise erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Abkühlung entgegengewirkt wird, indem im Bereich des Andockstempels die Wärmeübertragung von dem Werkstück auf die Vorrichtung reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Wärmeübertragung reduziert wird, indem die
Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung im Bereich des Andockstempels reduziert wird, insbesondere indem eine Vorrichtung aufweisend ein Material mit geringer
Wärmeleitfähigkeit im Bereich des Andockstempels
verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Wärmeübertragung reduziert wird, indem ein
Zusatzstoff zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung insbesondere dem Werkzeug, eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Wärmeübertragung durch eine Reduzierung der
Kontaktfläche zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung reduziert wird, insbesondere durch eine geometrische Modifizierung der Oberfläche des Andockstempels,
vorzugsweise durch eine Strukturierung, insbesondere eine oder mehrere Aussparungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Wärmeübertragung reduziert wird, indem die
Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück im Bereich des Andockstempels reduziert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Temperaturdifferenz dadurch reduziert wird, indem die Vorrichtung, insbesondere der Andockstempel und/oder das
Werkzeug, im Bereich des Andockstempels temperiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s nach dem Warmumformen des Werkstücks das umgeformte
Werkstück in der Vorrichtung, insbesondere mittels eines Kühlmediums, abgeschreckt wird, insbesondere bei
zurückgefahrenem Andockstempel.
Vorrichtung zum Formen eines einen Hohlbereich (2a) aufweisenden und zumindest teilweise aus einem Stahl- Werkstoff bestehenden Werkstücks (2), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
mit einem Werkzeug (4) zur Aufnahme des Werkstücks (2) und
mit mindestens einem Andockstempel (6) zum Einbringen eines Fluids in den Hohlbereich (2a) des in dem Werkzeug (4) befindlichen Werkstücks (2),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s im Bereich des Andockstempels (6) Mittel (10, 11, 12, 14, 16) vorgesehen sind, um der Abkühlung des Werkstücks (2) entgegenzuwirken .
Vorrichtung nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als Mittel (10, 11, 12, 14, 16), um der Abkühlung des Werkstücks (2) entgegenzuwirken, mindestens ein
Heizelement (10, 16) zur Erwärmung des Werkstücks (2) im Bereich des Andockstempels (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als Mittel (10, 11, 12, 14, 16), um der Abkühlung des Werkstücks (2) entgegenzuwirken, Mittel (10, 11, 12, 14, 16) zur Reduzierung der Wärmeübertragung von dem
Werkstück (2) auf die Vorrichtung (1, 1', 1'", 1"") vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als Mittel (10, 11, 12, 14, 16) zur Reduzierung der
Wärmeübertragung Mittel (11) zur Reduzierung der
Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung (1, 1', 1''', 1' ' ' ' ) im Bereich des Andockstempels (6) vorgesehen sind, insbesondere ein Material (11) mit geringer
Wärmeleitfähigkeit . 14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als Mittel (10, 11, 12, 14, 16) zur Reduzierung der
Wärmeübertragung ein Zusatzstoff (12) zwischen dem
Werkstück (2) und der Vorrichtung (1, 1', 1''', 1''''), insbesondere dem Werkzeug (4), eingebracht ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als Mittel (10, 11, 12, 14, 16) zur Reduzierung der
Wärmeübertragung die Kontaktfläche zwischen dem Werkstück
(2) und der Vorrichtung (1, 1', 1' ' ' , V ' ' ' ) reduziert ist, insbesondere die Oberfläche (6a) des Andockstempels (6) geometrisch modifiziert ist und vorzugsweise eine Strukturierung, insbesondere eine oder mehrere
Aussparungen (14) aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als Mittel (10, 11, 12, 14, 16) zur Reduzierung der Wärmeübertragung Mittel (10, 16) zur Reduzierung der Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung (1, 1' , l' ' ' r i' ) unc} dem Werkstück (2) im Bereich des
Andockstempels (6) vorgesehen sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als Mittel (10, 16) zur Reduzierung der
Temperaturdifferenz ein temperierter Andockstempel (6) und/oder ein im Bereich des Andockstempels temperiertes Werkzeug (4) vorgesehen ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Andockstempel (6) verfahrbar ist.
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