DE102016008282B4

DE102016008282B4 - Verfahren zur Temperierung einer Eingriffskontur eines Werkzeugeinsatzes eines Formgebungswerkzeugs zur Kaltumformung von Metallwerkstoffen sowie Formgebungswerkzeug zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102016008282B4
Application number: DE102016008282.8A
Authority: DE
Inventors: Robert Canti; Ludwig Schaller; Christian Disch; Sven Jansen
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2022-08-18
Anticipated expiration: 2036-07-08
Also published as: DE102016008282A1

Abstract

Verfahren zur Temperierung einer Schneidkante als Eingriffskontur (3.1) eines an einem Grundkörper (2) angeordneten Schneidmessers als Werkzeugeinsatz (3) eines Formgebungswerkzeugs (1) zur Kaltumformung von Metallwerkstoffen, bei welchem zur internen Temperierung der Eingriffskontur (3.1) durch einen in dem Werkzeugeinsatz (3) dem Verlauf der Eingriffskontur (3.1) folgender Kühlkanal (4) Kühlmittel oder Kältemittel geleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung einer Schneidkante als Eingriffskontur eines Werkzeugeinsatzes eines Formgebungswerkzeugs zur Kaltumformung von Metallwerkstoffen sowie ein Formgebungswerkzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mit solchen Formgebungswerkzeugen zur Kaltumformung von Metallwerkstoffen werden Schneidprozesse durchgeführt, wobei die Kaltumformung das plastische Umformen von Metallen unterhalb der Rekristallisationstemperatur bezeichnet. Diese Formgebungswerkzeuge werden zur Herstellung von kleinen, insbesondere jedoch großen Blechbauteilen, bspw. Karosserieteilen eines Fahrzeugs eingesetzt. Dabei werden in der Regel dünnwandige Ausgangsmaterialien, wie Stahlblech- oder Aluminiumblechbahnen verwendet, wobei für jedes einzelne Karosserieteil spezielle Formgebungswerkzeuge erforderlich sind.
Die Formgebungswerkzeuge umfassen Werkzeugeinsätze mit einer Eingriffskontur zur Realisierung der Schneidprozesse und werden als separate Bauteile hergestellt und mit einem Grundkörper, der ein Werkzeugunterteil, ein Werkzeugoberteil oder auch ein Schieber sein kann, verbunden.
Ferner sind Formgebungswerkzeuge zur Warmumformung von Metallwerkstoffen bekannt, wobei die Warmumformung oberhalb der Rekristallisationstemperatur eines Metalls stattfindet. Bei den Prozessen zur Warmumformung ist es erforderlich, die Wärme sowohl aus dem warmumgeformten Bauteil als auch aus dem Warmumformungs-Werkzeug möglichst schnell abzuführen und daher ist insbesondere in einem solchen Warmumformungs-Werkzeug eine Kühlung erforderlich.
So ist bspw. aus der DE 199 37 315 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Temperierkanälen von thermisch belasteten Formen bekannt, die bei der Herstellung von Bauteilen nach dem Druck- oder Spritzgussverfahren eingesetzt werden.
Weiterhin beschreibt auch die DE 10 2004 032 093 B4 ein Werkzeug oder einen Werkzeugeinsatz, welches von einem Strömungskanal, der beispielsweise als Kühlkanal ausgebildet ist, durchsetzt wird.
Die DE 197 40 502 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit einem oberflächennahen Durchfluss- und Verteilungssystem für Flüssigkeiten und/oder Gase, die zur Kühlung, Heizung oder Schmierung der Bauteile eingesetzt sind. Ferner wird in dieser DE 197 40 502 A1 darauf hingewiesen, dass solche Durchflusssysteme als Kühlkanäle realisiert werden können, so dass gasförmige oder flüssige Kühlmittel während eines Kühlprozesses verdampfen und dabei auf dem Weg dieser Kühlkanäle des Bauteils dessen Wärme aufnehmen, die anschließend in einem Kühler abgekühlt werden. Beispielhaft für solche Bauteile werden elektrische Maschinen, Turbinen, Verbrennungsmotoren, Werkzeuge, wie bspw. Spritzgießwerkzeuge aufgeführt.
Es ist bekannt, dass beim Scherschneiden von Blechwerkstoffen aufgrund innerer Reibvorgänge bei der elastischen und plastischen Deformation des Bleches eine Temperaturerhöhung in der Scherschneidzone stattfindet, also ein Teil der Verformungsarbeit in der Scherzone in Wärme dissipiert. Die resultierende Temperaturerhöhung kann den Scherschneidprozess in nachteiliger Weise beeinflussen (vgl. Demmel, P.; Hirsch, M.; Golle, R.; Hoffmann, H.: In-situ temperature measurement in the shearing zone during sheet metal blanking Advances in Materials and Processing Technologies, Istanbul, 2011).
Hinsichtlich des zuletzt genannten Problems beschreibt die DE 10 2014 207 869 A1 einen Stand der Technik, wonach mehrere Segmente einer Umformwerkzeughälfte ausgeschnitten werden und in diese Ausschnitte Werkzeugeinsätze eingebracht werden, die mit mehreren Bohrungen versehen sind. Diese Bohrungen werden derart miteinander kombiniert, dass in einem Werkzeugeinsatz ein Kühlkreislauf erzeugt werden kann. Hierzu wird von einer Außenseite des Werkzeugeinsatzes eine erste Bohrung erzeugt und anschließend eine zweite Bohrung so positioniert, dass sie im Inneren des Werkzeugeinsatzes die erste Bohrung schneidet. Derart werden mehrere Bohrungen eingebracht und anschließend nicht benötigte Öffnungen an der Oberfläche des Werkzeugeinsatzes durch Stopfen verschlossen, mit Ausnahme eines Einlasses und eines Auslasses. Daraus ergibt sich ein Kühlkreislauf, durch den ein Medium fließen kann. Ein solcher Werkzeugeinsatz wird wieder in die Umformwerkzeughälfte eingesetzt.
Ferner beschreibt diese DE 10 2014 207 869 A1 ein Umformwerkzeug mit einer Matrize, einem Niederhalter und einer Patrize zur formgebenden Bearbeitung eines flächigen Blechs, bei welchem zur Temperierung der Matrize, des Niederhalters und/oder der Patrize eine Sacklochbohrung eingebracht wird, die mit einem Medium durchspülbar ist.
Aus der DE 103 59 029 A1 ist es bekannt, Werkzeuge, welche für eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eingesetzt werden, mit einer inneren Kühlmittelzuführung auszustatten. Hierzu sind solche Werkzeuge innerhalb des Werkzeugkörpers mit nahe an der Rotationsachse liegenden Bohrungen versehen, durch die Kühlschmiermittel mit hohem Druck direkt an die Schneidkante transportiert wird. Durch eine solche Benetzung der Schneidkante mit Kühlschmiermittel soll der sichere Abtransport der anfallenden Späne gewährleistet werden.
Für den Einsatz in einer Spritzgießmaschine ist aus der DE 10 2007 032 621 A1 ein Werkzeugeinsatz bekannt, welcher aus einem formgebenden Teil mit einer Formoberfläche und einem Basisteil, das mit Kühlkanälen versehen ist, bekannt.
Zur Verbesserung der konturnahen Temperierung von schalenförmigen Formwerkzeugen beschreibt die DE 10 2010 017 014 A1 ein Verfahren und eine Anordnung zur Herstellung von konturbezogenen Temperierkanälen in Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsätzen mit räumlicher Fixierung von Temperierelementen in deren Rückraum mit anschließendem Ausgießen desselben. Dieser Rückraum ist schalenförmig ausgebildet, wobei dessen Bodenfläche konturnah der Flächenform der Kavität des Formwerkzeuges folgt. Damit ist die Flächenform der zur Kavität bzw. zur Bodenfläche des Rückraums hin angeordneten Seite der Temperierelemente der Flächenform der Kavität angenähert oder gleich. Solche Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze werden in der Kunststoffverarbeitung zum Spritzgießen oder zum Druckgießen eingesetzt.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Temperierung einer Eingriffskontur eines Werkzeugeinsatzes eines Formgebungswerkzeugs zur Kaltumformung von Metallwerkstoffen anzugeben, mit welchem die bei der Kaltumformung auftretenden Temperaturprobleme im Zusammenhang mit dem Scherschneiden von Blechwerkstoffen vermieden werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Formgebungswerkzeug zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Nach dieser Lösung wird bei dem Verfahren zur Temperierung einer Schneidkante als Eingriffskontur eines an einem Grundkörper angeordneten Schneidmessers als Werkzeugeinsatz eines Formgebungswerkzeugs zur Kaltumformung von Metallwerkstoffen zur internen Temperierung der Eingriffskontur durch einen in dem Werkzeugeinsatz dem Verlauf der Eingriffskontur folgender Kühlkanal Kühlmittel oder Kältemittel geleitet.
Damit kann eine aktive und gezielte Temperierung, d.h. bedarfsgerechtes Kühlen oder Heizen der Aktivflächen der Eingriffskontur, nämlich der Aktivflächen von Schneidmessern durchgeführt werden.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Formgebungswerkzeug zur Kaltumformung von Metallwerkstoffen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.
Erfindungsgemäß wird nach dieser Lösung ein Formgebungswerkzeug zur Kaltumformung von Metallwerkstoffen geschaffen, mit

- wenigstens einem Grundkörper, an welchem zum Scherschneiden wenigstens ein Schneidmesser als Werkzeugeinsatz mit einer Schneidkante als Eingriffskontur angeordnet ist, und
- einem Kühlkanal zum Durchleiten von Kühlmittel oder Kältemittel, welcher dem Verlauf der Eingriffskontur folgend in dem Werkzeugeinsatz angeordnet ist.

Mit einem solchen erfindungsgemäßen Formgebungswerkzeug werden die mit der Temperaturerhöhung in der Umformungszone des Metallwerkstoffes bei dessen Kaltumformung einhergehenden Probleme beseitigt, zumindest aber weitestgehend vermieden, da der Bereich der Eingriffskontur des Werkzeugeinsatzes von innen über den Kühlkanal gekühlt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn weiterbildungsgemäß der Kühlkanal mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist, um ein Kühlmittel durch den Werkzeugeinsatz hindurch zu leiten.
Schließlich ist es nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Kühlkanal mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet ist. Damit dient dieser Kühlkanal als Verdampfungsraum für ein durch den Kühlkanal geführtes Kältemittel, welches durch Verdampfung die Wärme des Werkzeugeinsatzes aufnimmt und aus demselben abführt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines Werkzeugunterteils eines Formgebungswerkzeugs zum Scherschneiden mit einem einen Kühlkanal gemäß der Erfindung aufweisenden Werkzeugeinsatz,
2 eine perspektivische Darstellung des Kühlkanals des Formgebungswerkzeugs nach 1,
3 eine Schnittdarstellung gemäß Schnitt A-A des Werkzeugeinsatzes nach 1, und
4 eine Schnittdarstellung eines weiteren Werkzeugeinsatzes.

In 1 ist ein Formgebungswerkzeug 1 zum Scherschneiden nur mit einem Werkzeugunterteil als Grundkörper 2 dargestellt. Auf diesem Grundkörper 2 ist als Werkzeugeinsatz 3 ein Schneidmesser mit einer Schneidkante als Eingriffskontur 3.1 angeordnet.
Zur internen Temperierung der Eingriffskontur 3.1 verläuft innerhalb des Werkzeugeinsatzes 3 entlang der Eingriffskontur 3.1, also der Schneidkante ein Kühlkanal 4, durch welchen ein Kältemittel oder Kühlmittel geleitet wird. Aus der Schnittdarstellung nach 3 ist zu erkennen, dass der Kühlkanal 4 nahe an der Eingriffskontur 3.1, also entlang der Schneidkante geführt wird. Der Kühlkanal 4 folgt also dem Verlauf der Eingriffskontur 3.1, wie dies insbesondere anhand von 2 ersichtlich ist. Um das Kältemittel oder Kühlmittel dem Kühlkanal 4 zuführen oder aus dem Kühlkanal 4 abführen zu können, sind jeweils endseitig Kanalstutzen 4.1 und 4.2 auf dem Werkzeugeinsatz 3 angeordnet, die im Wesentlichen senkrecht zum Verlauf des Kanals 4 an denselben angeflanscht sind. An den Enden dieser Kanalstutzen 4.1 und 4.2 befinden sich Kanalöffnungen, über die das Kältemittel oder Kühlmittel zu- oder abgeführt werden kann.
Aus den 2 und 3 ist ersichtlich, dass der Kühlkanal 4 mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist. Durch einen solchen Kühlkanal 4 wird ein Kühlmittel geführt, mit welchem die im Bereich der Eingriffskontur 3.1, also der Schneidkante entstehende Wärme abgeführt wird. Anstelle des kreisförmigen Querschnittes für den Kühlkanal 4 kann auch eine andere Querschnittsform verwendet werden.
Die 4 zeigt einen Werkzeugeinsatz 3 als Schneidmesser mit einer Eingriffskontur 3.1 als Schneidkante, bei welchem ein Kühlkanal 4 einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Ein solcher Kühlkanal 4 stellt bei ausreichendem Querschnitt ein Wärmetauscherhohlraum dar, in welchem Kältemittel eingeführt und verdampft wird. Mittels des verdampften Kältemittels wird die Wärme im Bereich der Eingriffskontur 3.1 als Verdampfungswärme abgeführt. Anstelle des rechteckförmigen Querschnittes für den Kühlkanal 4 kann auch eine andere Querschnittsform verwendet werden.
Bei diesem anhand der 1 bis 4 erläuterten Verfahren zur Temperierung einer Eingriffskontur 3.1 eines an einem Grundkörper 2 angeordneten Werkzeugeinsatzes 3 eines Formgebungswerkzeugs 1 zur Kaltumformung von Metallwerkstoffen wird die Eingriffskontur 3.1 durch einen eingriffskonturnah in dem Werkzeugeinsatz 3 verlaufenden Kühlkanal 4 Kühlmittel oder Kältemittel geleitet und somit eine interne Temperierung realisiert.
Damit kann eine aktive und gezielte Temperierung, d.h. bedarfsgerechtes Kühlen oder Heizen der Aktivflächen der Eingriffskontur, insbesondere der Aktivflächen von Schneidmessern durchgeführt werden, da beim Scherschneiden von Blechwerkstoffen ein großer Teil der Verformungsarbeit in der Scherzone in Wärme dissipiert. Die resultierende Temperaturerhöhung kann den Scherschneidprozess in vielfältiger Weise, bspw. hinsichtlich einer Flitterbildung beeinflussen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches mit dem Formgebungswerkzeugs durchgeführt wird, wird eine solche durch den Scherschneidprozess bewirkte Temperaturerhöhung vermieden.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4 ist ein-Kühlkanal 4 in dem Werkzeugeinsatz 3 auf einem Grundkörper 2 als Werkzeugunterteil eines Formgebungswerkzeugs 1 vorgesehen. Natürlich ist es auch möglich, einen solchen Kühlkanal in einem Werkzeugeinsatz eines Werkzeugoberteils zu realisieren.
Bezugszeichenliste

1: Formgebungswerkzeug
2: Grundkörper
3: Werkzeugeinsatz
3.1: Eingriffskontur des Werkzeugeinsatzes
4: Kühlkanal
4.1: Kanalstutzen
4.2: Kanalstutzen

Claims

Verfahren zur Temperierung einer Schneidkante als Eingriffskontur (3.1) eines an einem Grundkörper (2) angeordneten Schneidmessers als Werkzeugeinsatz (3) eines Formgebungswerkzeugs (1) zur Kaltumformung von Metallwerkstoffen, bei welchem zur internen Temperierung der Eingriffskontur (3.1) durch einen in dem Werkzeugeinsatz (3) dem Verlauf der Eingriffskontur (3.1) folgender Kühlkanal (4) Kühlmittel oder Kältemittel geleitet wird.
Formgebungswerkzeug (1) zur Kaltumformung von Metallwerkstoffen mit - wenigstens einem Grundkörper (2), an welchem zum Scherschneiden wenigstens ein Schneidmesser als Werkzeugeinsatz (3) mit einer Schneidkante als Eingriffskontur (3.1) angeordnet ist, und - einem Kühlkanal (4) zum Durchleiten von Kühlmittel oder Kältemittel, welcher dem Verlauf der Eingriffskontur (3.1) folgend in dem Werkzeugeinsatz (3) angeordnet ist.
Formgebungswerkzeug (1) nach Anspruch 2, bei welchen der Kühlkanal (4) mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist.
Formgebungswerkzeug (1) nach Anspruch 2, bei welchem der Kühlkanal (4) mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet ist.