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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug für das Warmumformen oder Presshärten eines Metallblechs.
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Zur Gewichtsreduzierung und zur Erhöhung der Crashfestigkeit werden in der Automobilindustrie hochfeste Stahlbleche eingesetzt.
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Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung hochfester Stahlbleche ist das direkte Warmumformen. Hierbei werden Stahlblechplatinen zunächst erwärmt und daraufhin in einem Warmumformwerkzeug umgeformt und gleichzeitig abgeschreckt. Nach dem darauf folgenden Anlassen erfolgen eine Reinigung des umgeformten Blechbauteils und ein Hartbeschnitt, um nicht benötigte Randbereiche des Bauteils abzutrennen.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von hochfesten Stahlblechbauteilen ist das Presshärten. Hierbei werden die platinierten Stahlbleche zunächst kalt umgeformt, daraufhin beschnitten und nach dem Erwärmen in einem Presshärtewerkzeug - gegebenenfalls unter einer weiteren Umformung oder Kalibrierung - abgeschreckt. Der Prozess wird durch das Anlassen, die Reinigung und das Beölen der umgeformten Bleche abgeschlossen.
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Beim Abschrecken des Stahlblechs in dem Umform- bzw. Presshärtewerkzeug nehmen die Werkzeuge die Wärmeenergie des glühenden Stahlblechs auf. Damit eine Überhitzung des Werkzeugs verhindert wird, muss diese Energie abgeführt werden. Dies geschieht regelmäßig über einen in das Werkzeug integrierten Kühlkreislauf, der wiederum die Wärme über Wärmetauscher an die Umwelt oder eine Sekundärnutzung abgibt.
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Die Höhe des Wärmeübergangs und folglich die Geschwindigkeit mit der das Blechbauteil abgekühlt wird haben wesentlichen Einfluss auf die Taktzeit zur Herstellung und als Folge auf die Produktionskosten des Blechbauteils. Man ist daher bestrebt, eine möglichst hohe Abkühlrate zu erzielen. Hierzu wird im Stand der Technik das Werkzeug mit möglichst vielen beziehungsweise möglichst großen Kühlkanälen versehen, um den Wärmeübergang auf die Kühlflüssigkeit zu verbessern. Diese Möglichkeiten können jedoch nur eingeschränkt angewandt werden, da durch die Kühlkanäle die Steifigkeit des Werkzeugs spürbar gesenkt wird, womit negative Auswirkungen auf die Qualität der herzustellenden Blechbauteile einhergehen können.
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Das Dokument
DE 10 2004 032 093 B4 betrifft ein durch einen selektiven Lasersintervorgang (SLS) bzw. Laserschmelzvorgang hergestelltes Bauteil, insbesondere Werkzeug, Werkzeugeinsatz, Kühl- oder Heizelement, Düsenelement, Turbinenelement oder dergleichen, mit mindestens einem den Innenbereich des Bauteils zumindest teilweise durchsetzenden Strömungskanal, insbesondere Kühlkanal. Dem Dokument
DE 10 2004 032 093 B4 zufolge ist im Bereich des Strömungskanals mindestens ein Turbulenzelement angeordnet, das aus einem beweglich mit dem Bauteil verbundenen oder im Strömungskanal räumlich begrenzt beweglichen SLS-Sinter- oder Schmelzkörper besteht.
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Aus dem Dokument
DE 10 2004 027 109 A1 ist ein Verfahren bekannt zur Herstellung eines eine Gravur aufweisenden, temperierbaren Werkzeugs im Wege des Gießens, wonach eine oder mehrere Rohrleitungen in eine Gießform eingelegt und ggf. in der Gießform fixiert werden und wonach die Rohrleitungen im Zuge des Gießens mit dem Gusswerkstoff zumindest bereichsweise umgossen und als Heiz- und/oder Kühlkanäle in das das Werkzeug bildende Gussstück integriert werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug für das Warmumformen oder Presshärten eines Metallblechs derart weiterzuentwickeln, dass die erforderliche Zeitdauer für das Abschrecken des Metallblechs reduziert werden kann, ohne dass hiermit wesentliche Einschränkungen bei der Werkzeugsteifigkeit verbunden sind.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Der Kern der Erfindung sieht vor, bei einem Werkzeug für das Warmumformen oder Presshärten eines Metallblechs, das einen oder mehrere Kühlkanäle für ein Kühlmittel aufweist, in denen ein oder mehrere Strömungswiderstandselement(e) als Mittel zur Erzeugung oder Verstärkung von Turbulenzen in der Kühlmittelströmung vorgesehen sind, das/die Strömungswiderstandselement(e) einstellbar auszuführen.
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Erfindungsgemäß wird das Kühlmittel somit zumindest abschnittsweise in einer turbulenten Strömung durch die Kühlkanäle des Werkzeugs geführt und die Stärke der Turbulenzenerzeugung kann beeinflusst werden. Dadurch wird zusätzlich ermöglicht, die lokale Kühlleistung des Werkzeugs an die Geometrie des Metallblechs anzupassen und im Ergebnis eine gleichmäßige Kühlung des Metallblechs zu erzielen.
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Durch eine Erzeugung/Verstärkung von Turbulenzen in der Strömung des Kühlmittels, das aufgrund eines besseren Wärmeübergangskoeffizienten gegenüber Gasen vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit ist, kann eine bedeutende Erhöhung des Wärmeübergangs erzielt werden, was zu schnelleren Abkühlraten und damit einhergehend zu geringeren Produktionszeiten und -kosten für das Blechbauteil führt. Die Erhöhung des Wärmeübergangs ist insbesondere auf die durch die Turbulenzen bedingte bessere Durchmischung der Kühlflüssigkeit zurückzuführen, wodurch in den an das zu kühlende Material des Werkzeugs angrenzenden Randzonen der Strömung eine niedrigere Temperatur des Kühlmediums erzielt werden kann. Da der Wärmeübergang von dem Werkzeugmaterial auf das Kühlmedium direkt proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Elementen ist, steigt dieser mit zunehmender Temperaturdifferenz an. Im Gegensatz dazu würden sich bei einer (weitgehend) laminaren Strömung die an das zu kühlende Material des Werkzeugs angrenzenden Randzonen der Strömung stärker erwärmen als der Kernbereich der Strömung.
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Die Erzeugung/Verstärkung von Turbulenzen in den Kühlkanälen des Werkzeugs kann vorteilhafterweise durch die Anordnung von Führungsflächen in den Kühlkanälen erfolgen. Die Führungsflächen können für eine gezielte Umlenkung des Flüssigkeitsstroms und bei einer entsprechenden Anordnung für eine gute Durchmischung sorgen. Beispielsweise können helixförmige Nuten in die Wandungen der Kühlkanäle eingebracht werden, wodurch die Strömung in dem Kanal in Rotation versetzt wird.
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Die Strömungswiderstandselemente werden in der Kühlmittelströmung positioniert, so dass das Kühlmittel zwangsweise die Widerstandselemente umströmen muss; hierbei können bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Strömungswiderstandselemente Turbulenzen entstehen. Bei den Strömungswiderstandselementen kann es sich beispielsweise um scharfkantige Noppen oder Schraubenköpfe, jedoch auch um Elemente mit einer Drosselwirkung handeln.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt
- 1a: den grundsätzlichen Verfahrensablauf bei der Herstellung von hochfesten Stahlbauteilen mittels Presshärtens,
- 1b: den allgemeinen Verfahrensablauf zur Herstellung von hochfesten Stahlbauteilen mittels direkter Warmumformung,
- 2: ein erfindungsgemäßes Presshärtewerkzeug,
- die 3 - 5: in isometrischen Ansichten drei Detaildarstellungen des bei dem Presshärtewerkzeug gemäß der 2 eingesetzten Stempels,
- 6: einen Schnitt durch die Darstellung der 3 entlang der Ebene VI,
- 7: einen Schnitt durch die Darstellung der 3 entlang der Ebene VII und
- 8: einen vergrößerten Querschnitt durch einen Kühlkanal des Stempels der 3 bis 7.
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1a zeigt den allgemeinen Prozessablauf bei der Herstellung von hochfesten Stahlblechbauteilen mittels des Presshärteverfahrens. Hierbei wird in einem ersten Prozessschritt das auf einem Coil aufgewickelte Stahlblech zu einer Platine zurechtgeschnitten. Daraufhin erfolgt ein Umformen bei Raumtemperatur in einer Presse, wobei das Blech bereits annähernd bis zu der gewünschten Form des Bauteils umgeformt wird. Nachfolgend wird das umgeformte Stahlblech beschnitten, so dass die Blechränder, die noch während des Umformens zur Fixierung des Blechs in dem Umformwerkzeug erforderlich sind, entfernt werden. Das beschnittene Bauteil wird daraufhin in einem Ofen erwärmt und einem Presshärtewerkzeug zugeführt, in dem dieses in kurzer Zeit zwischen zwei direkt gekühlten Werkzeughälften abgeschreckt wird. Hierbei erfolgt eine Phasenumwandlung des Werkstoffs mit einer damit einhergehenden Festigkeitssteigerung. Zur Homogenisierung des Werkstoffs wird das Bauteil nachfolgend noch angelassen. Der Prozess wird durch ein Reinigen und Ölen des Bauteils abgeschlossen.
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Das direkte Warmumformen (vgl. 2), mit dem ebenfalls hochfeste Stahlblechbauteile hergestellt werden können, unterscheidet sich von dem Presshärteverfahren insbesondere dadurch, dass die Platine in einem entsprechenden Warmumformwerkzeug warm umgeformt und nachfolgend auch abgeschreckt wird, wobei wiederum eine die hohe Festigkeit des abschließenden Bauteils begründende Phasenumwandlung in dem Werkstoff stattfindet. Nach dem Anlassen, Reinigen und Beölen des Bauteils erfolgt dessen (Hart-)Beschneidung.
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Das in der 2 dargestellte erfindungsgemäße Werkzeug weist als wesentliche Bestandteile eine Grundplatte 1 mit einem daran fixierten, gekühlten Stempel 2, sowie eine Kopfplatte 3 mit einem daran befestigten, gekühlten Obergesenk 4 auf. Die Kopfplatte 3 einschließlich des Obergesenks 4 ist über nicht dargestellte Hydraulikzylinder in vertikaler Richtung relativ zu der Grundplatte 1 und dem Stempel 2 verfahrbar.
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Zum Presshärten eines bereits kalt umgeformten Stahlblechbauteils 5 wird das auf eine Temperatur von ca. 920°C erwärmte Blechbauteil 5 bei geöffnetem Presshärtewerkzeug auf den gekühlten Stempel 2 aufgelegt, dessen Kontur entsprechend der Kontur des Stahlblechbauteils 5 ausgebildet ist (vgl. 3). Daraufhin wird das Werkzeug geschlossen und das Stahlblechbauteil 5 zwischen dem gekühlten Stempel 2 und dem ebenfalls gekühlten Obergesenk 4, das eine entsprechende Vertiefung mit einer der Bauteilform entsprechenden Kontur aufweist, schnell bis auf eine Temperatur von ca. 150°C abgeschreckt.
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Sowohl der Stempel 2 als auch das Obergesenk 4 weisen erfindungsgemäß ausgebildete und angeordnete Kühlkanäle 6 für eine Kühlflüssigkeit auf. Diese Anordnung und Ausbildung der Kühlkanäle 6 ist in den 4 bis 7 detailliert dargestellt. Der Stempel 2 ist dreiteilig aufgebaut und besteht aus einem Unterbau 7, einem Kühlkanaleinsatz 8 sowie einem Stempeldeckel 9. Der Unterbau 7 des Stempels ist isoliert in der 4 dargestellt. Er weist an seiner oberen Fläche eine ringförmige Vertiefung 10 auf, die der Rückführung einer Kühlflüssigkeit zu einer in die Vertiefung mündenden Ablaufbohrung 11 dient. Auf dem Unterbau 7 des Stempels 2 wird der Kühlkanaleinsatz 8 positioniert, der zentral eine Bohrung 12 aufweist, die sich mit einer Zulaufbohrung 13 in dem Unterbau 7 des Stempels 2 überdeckt. Der Kühlkanaleinsatz 8 weist einen in Längsrichtung des Stempels verlaufenden Kühlkanal 6 sowie von diesem ausgehend, in gleichmäßiger Teilung angeordnete, quer verlaufende Kühlkanäle 6 auf.
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Durch das Aufsetzen des Stempeldeckels 9 auf den Unterbau wird der Kühlkanaleinsatz 8 in einem entsprechend ausgeformten Hohlraum des Stempeldeckels 9 eingeschlossen, wobei die offenen Kühlkanäle 6 des Kühlkanaleinsatzes 8 mit der Innenwandung des Stempeldeckels 9 geschlossene Kühlkanäle 6 ausbilden (vgl. 6 und 7).
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Zur Kühlung des Stempels 2 wird diesem eine Kühlflüssigkeit durch die Zulaufbohrung 13 zugeführt. Die Kühlflüssigkeit tritt daraufhin durch die zentrale Bohrung 12 in dem Kühlkanaleinsatz 8 aus und verteilt sich in den einzelnen Kühlkanälen 6. Beim Durchfließen der Kühlkanäle 6 nimmt die Kühlflüssigkeit die von dem Stahlblechbauteil 5 abgegebene und über den Deckel 9 des Stempels 2 übertragene Wärmeenergie auf, bevor diese in die ringförmige Vertiefung 10 des Unterbaus abfließt und über die Ablaufbohrung 11 abgeführt wird.
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Wie den 5 bis 7 zu entnehmen ist, sind die Kühlkanäle 6 so angeordnet und ausgebildet, dass diese zum einen einen gleichmäßigen Abstand zueinander als auch zu der Oberfläche des Deckels 9 und somit zu dem Stahlblechbauteil 5 aufweisen. Dadurch kann eine möglichst homogene Abkühlung des Stahlblechbauteils 5 erzielt werden.
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In den Kühlkanälen 6 sind an definierten Positionen Schrauben 14 derart eingebracht, dass deren Kopf sowie ein Teil des Schafts in die Kühlkanäle 6 hineinragen (vgl. 8). Die Schrauben 14 dienen dazu, durch die Drosselwirkung, die sie als Widerstandselemente in dem Querschnitt des jeweiligen Kühlkanals 6 bewirken, zum einen die Durchflussmenge durch diesen Abschnitt des Kühlkanals 6 einstellbar zu begrenzen und weiterhin zur Erzeugung von Turbulenzen. Die Turbulenzen entstehen durch die erzwungene Umströmung des Schraubenkopfs durch die Kühlflüssigkeit. Durch die Turbulenzen in der Kühlflüssigkeitsströmung kann erfindungsgemäß - aufgrund einer besseren Durchmischung der Kühlflüssigkeit - der Wärmeübergang zwischen dem Material des Werkzeugs und der Kühlflüssigkeit verbessert und als Folge die Produktionszeit für das Stahlblechbauteil verkürzt werden. Eine Einstellung der Durchflussmenge sowie auch der Turbulenzerzeugung kann dadurch bewirkt werden, dass die Schrauben 14 mehr oder weniger weit in die entsprechend vorgesehene Gewindebohrung eingeschraubt werden. Wurde für eine Position die erforderliche Schraubenposition ermittelt, kann diese beispielsweise durch eine Anordnung von Unterlegscheiben 15 fixiert werden, so dass ausgeschlossen werden kann, dass sich die Schraubenposition durch die Umströmung mit der Kühlflüssigkeit ungewollt verändert.