[0001] Die Erfindung betrifft das Umformen erwärmter Metallbauteile und Kühlen der Metallbauteile
in einem Umformwerkzeug. Die Bauteile können insbesondere Blechbauteile sein, die
Erfindung ist jedoch nicht auf das Umformen und Abkühlen von Blechen beschränkt, sondern
betrifft das Umformen erwärmter Bauteile aus Metall im Allgemeinen, soweit das jeweilige
Bauteil in einer Umformpresse umgeformt wird. Bevorzugt werden ein erfindungsgemäßes
Verfahren und eine erfindungsgemäße Umformpresse zum Umformen und Abkühlen von ballistischen
Bauteilen, also Panzerungsbauteilen wie insbesondere Panzerstahlblechen verwendet.
Das Umformen kann insbesondere ein Warmumformen sein.
[0002] Die
GB 1 490 535 A offenbart ein Warmumformen und rasches Abkühlen von Stahlbauteilen in einer Umformpresse.
Zum Abkühlen wird das Umformawerkzeug gekühlt, oder das umgeformte Bauteil in der
Presse direkt mit dem Kühlmittel in Kontakt gebracht. Hinsichtlich der Kühlungseinrichtung
wird darüber hinaus nichts offenbart.
[0003] Bei einer aus der
EP 1 734 135 A2 bekannten Umformpresse befindet sich ein unteres Umformwerkzeug vollständig oder
nur zu einem Teil in einem Kühlmittelbad, so dass im Falle vollständiger Bedeckung
des unteren Umformwerkzeugs sowohl das Werkzeug als auch direkt das umzuformende Bauteil
gekühlt werden, während bei nur teilweiser Bedeckung des Werkzeugs nur dieses und
über das Werkzeug das Bauteil indirekt gekühlt wird. In derartigen Ausführungen muss
in der Serienfertigung entweder das Kühlmittelbad gekühlt oder das Kühlmittel im Bad
ausgetauscht werden. Darüber hinaus ist der bauliche Aufwand beträchtlich.
[0004] Des Weiteren sind Umformpresse bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2006 042 830 B3 und der
WO 2010/061007 A1, die Umformwerkzeug mit integrierten Düsen aufweisen, mit denen Kühlmittel direkt
auf das eingelegte Bauteil gesprüht werden kann. Die direkte Kühlung des Bauteils
bei geschlossener Umformpresse ist problematisch, so dass die Umformpressen eher zum
Kühlen bei geöffnetem Umformwerkzeug geeignet erscheinen. Die Fertigung der Umformwerkzeuge
mit den integrierten Düsen und Kühlmittelzuführungen ist aufwändig.
[0005] Aus der
WO 2008/086768 A1 ist ein gekühltes Umformwerkzeug zum Presshärten von Blechbauteilen bekannt, bei
dem eine Matrize und ein Stempel jeweils an einer vom umzuformenden Bauteil abgewandten
Rückseite mit einem Kühlmittel gekühlt werden. An der Rückseite der Matrize und der
Rückseite des Stempels ist jeweils eine Trägerplatte angeordnet und mit dem Stempel
bzw. der Matrize fest verbunden. Die Kühlung des Stempels und der Matrize erfolgt
mittels Kühlkanälen, die in einer Kontaktfläche zwischen dem Stempel bzw. der Matrize
und der jeweils angrenzenden Trägerplatte geformt sind. Die Kontaktflächen an den
Rückseiten von Stempel und Matrize sind jeweils mittels einer die Kühlkanäle umgebenden
Dichtung abgedichtet. Um mit dieser Umformpresse eine wünschenswert hohe Fertigungsrate
in Serienproduktionen erzielen zu können, muss pro Bauteil eine erhebliche Kühlmittelmenge
durch die Kühlkanäle gefördert werden. Entsprechend groß ist der Bedarf an Kühlmittel
und auch Förderleistung, um das Kühlmittel durch die Kühlkanäle zu fördern. Die zwischen
dem Stempel bzw. der Matrize und der jeweils zugeordneten Trägerplatte herzustellende
Dichtigkeit erhöht den Aufwand weiter.
[0006] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, das Umformen und Kühlen von in einem warmen Zustand
befindlichen Metallbauteilen, wie etwa das Presshärten, zu vereinfachen und die Kosten
insbesondere für Serienfertigungen zu verringern, aber dennoch Bauteile mit hohem
Durchsatz in Serie fertigen zu können.
[0007] Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Umformpresse zum Umformen metallener
Bauteile, bei denen es sich zwar nicht ausschließlich, aber insbesondere um Panzerungsbauteile,
also ballistische Bauteile handeln kann. Bevorzugt finden das Verfahren und die Umformpresse
zum Umformen und Abkühlen von Stahlbauteilen Verwendung, grundsätzlich sind das Verfahren
und die Umformpresse aber auch zum Umformen und Kühlen von Bauteilen aus anderen Metallen,
beispielsweise Nickelbasislegierungen oder Leichtmetallen, geeignet.
[0008] Bei dem Verfahren wird ein Bauteil, das eine für die Umformung, vorzugsweise Warmumformung,
geeignete Temperatur aufweist, in einem Umformwerkzeug einer Umformung unterzogen
und im Umformwerkzeug abgekühlt. Das Umformwerkzeug wird mit einem Kühlmittel gekühlt
und kühlt das Bauteil im Kontakt mit diesem.
[0009] Die Bauteile sind während der Umformung warm. Der Umformprozess kann eine Lauwarmumformung
sein, bei der die Start- oder Eingangstemperatur des Bauteils zwar über der Raumtemperatur,
aber deutlich unter der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs des Bauteils liegt.
Bevorzugter betrifft die Erfindung einen Prozess der Halbwarmumformung und noch bevorzugter
einen Prozess der Warmumformung, also einen Umformprozess, bei der eine Umformung
oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs des Bauteils stattfindet.
Die Starttemperatur ist dementsprechend höher als eine Temperatur, die das Bauteil
nach dem Umformen und Öffnen des Umformwerkzeugs vor der Entnahme aufweist. Bevorzugt
beträgt die Starttemperatur wenigstens 200 °C, wobei das Bauteil in bevorzugten Ausführungen
eine zumindest im Wesentlichen überall gleiche Starttemperatur aufweist.
[0010] Gegenstand der Erfindung ist auch eine Umformpresse zum Umformen, vorzugsweise Warmumformen
der genannten Bauteile. Die Umformpresse umfasst ein mehrteiliges Umformwerkzeug mit
einer ersten Werkzeugform und einer mit der ersten Werkzeugform zusammenwirkenden
zweiten Werkzeugform und eine Kühlungseinrichtung mit einer Zuführung für ein Kühlmittel
und an die Zuführung angeschlossenen Düsen zum Sprühen des Kühlmittels. Von den wenigstens
zwei Werkzeugformen ist wenigstens eine beweglich angeordnet, um ein eingelegtes Bauteil
durch Zusammenfahren der Werkzeugformen im warmen Zustand umformen zu können. Die
wenigstens zwei Werkzeugformen wirken als Matrize und Patrize bzw. Matrize und Stempel
zusammen. Sie können miteinander oder optional einer oder mehreren weiteren Werkzeugform(en)
insbesondere ein Umformwerkzeugs zum Tiefen oder Tiefziehen von Bauteilen bilden.
[0011] Nach der Erfindung wird das Kühlmittel als Sprühnebel auf eine freie äußere Oberfläche
des Umformwerkzeugs aufgebracht. Bei der Umformpresse sind die von den Werkzeugformen
vorzugsweise separat angeordneten Düsen erfindungsgemäß auf eine im zusammengefahrenen
Zustand der Werkzeugformen freie äußere Oberfläche wenigstens einer der Werkzeugformen
gerichtet, um das Umformwerkzeug durch einen auf die äußere Oberfläche gerichteten
Sprühnebel von außen kühlen zu können. Vorzugsweise ist wenigstens eine erste Düse,
bevorzugter eine erste Gruppe von Düsen, auf eine freie äußere Oberfläche der ersten
Werkzeugform und wenigstens eine weitere, zweite Düse, bevorzugter eine weitere, zweite
Gruppe von Düsen, auf eine freie äußere Oberfläche der zweiten Werkzeugform gerichtet.
Dass die besprühbare Oberfläche eine freie äußere Oberfläche ist, bedeutet, dass das
Kühlmittel an dieser Oberfläche verdampfen kann. Die besprühbare äußere Oberfläche
ist im Weiteren zwar bevorzugt in dem Sinne frei, dass die Verdampfung in die freie
Umgebung der Umformpresse erfolgt und das Kühlmittel somit auf besonders einfache
Art und Weise abgeführt werden kann, grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung
jedoch auch möglich, das verdampfte Kühlmittel wieder aufzufangen oder mit Hilfe einer
Ableiteinrichtung von dem Umformwerkzeug abzuführen.
[0012] Das im Kontakt mit der äußeren Oberfläche verdampfende Kühlmittel entzieht dem Umformwerkzeug
Wärme auf besonders effektive Weise, nämlich durch Verdampfungswärme. Der Kühlmittelbedarf
kann gegenüber einer Kühlung durch Konvektion, wie etwa durch in Kühlkanälen fließendes
Kühlmittel, oder stationärem Wärmeübergang, wie etwa bei Anordnung einer Werkzeugform
in einem Kühlmittelbad, deutlich verringert werden. Eine Abdichtung der besprühbaren
äußeren Oberfläche ist nicht erforderlich und auch gar nicht erwünscht. Vielmehr ist
von Vorteil, dass das Kühlmittel an der freien äußeren Oberfläche des Umformwerkzeugs
in die freie Umgebung verdampfen kann oder zumindest kein für die Verdampfung hinderlicher
Gegendruck in nennenswertem Ausmaß aufgebaut wird. Eine die Düsen umfassende Kühlungseinrichtung
kann daher einfach aufgebaut sein. Es ergibt sich eine Vereinfachung beim Umformwerkzeug,
das zumindest dem Grunde nach wie ein Umformwerkzeug, das nicht gekühlt wird, aufgebaut
sein kann. Die Umformpresse ist auch flexibler als bekannte Umformpressen einsetzbar,
da bei einer Umstellung von einer Bauteilserie auf eine andere nur das Umformwerkzeug
gewechselt werden muss und der Austausch von dem einen Umformwerkzeug auf das andere
mit geringem Aufwand vollzogen werden kann.
[0013] Das Verfahren und die Umformpresse der Erfindung eignen sich insbesondere dafür,
gleiche Bauteile einer Serie mit hoher Durchsatzrate zu formen und abzukühlen. In
der Serie werden jeweils zwei unmittelbar nacheinander zu behandelnde Bauteile, nämlich
ein erwärmtes erstes und ein erwärmtes zweites Bauteil, in dem Umformwerkzeug nacheinander
der Warmumformung unterzogen und jeweils im Umformwerkzeug im Kontakt mit diesem abgekühlt.
Das Umformwerkzeug kann mit im Werkzeug befindlichem ersten oder zweiten Bauteil oder
nach Entnahme des ersten Bauteils und vor dem Einlegen des zweiten Bauteils mit dem
Kühlmittel besprüht und dadurch gekühlt werden. Das Wort "oder" wird von der Erfindung
stets als "inklusiv oder" verstanden, umfasst also die Bedeutung von "entweder ...
oder" und auch die Bedeutung von "und", soweit sich aus dem jeweils konkreten Zusammenhang
nicht ausschließlich nur eine dieser beiden Bedeutungen ergeben kann. Bezogen auf
den zeitlichen Ablauf des Besprühens bedeutet dies, dass das Umformwerkzeug in einer
ersten Verfahrensvariante nur dann mit dem Kühlmittel besprüht wird, wenn sich ein
Bauteil im Werkzeug befindet und das Werkzeug vorzugsweise geschlossen ist, das Umformwerkzeug
also in dem Zeitraum zwischen der Entnahme des ersten Bauteils und dem Einlegen des
zweiten Bauteils nicht mit dem Kühlmittel besprüht wird. In zweiten Varianten wird
das Umformwerkzeug nur nach der Entnahme des ersten Bauteils und vor dem Einlegen
des zweiten Bauteils, aber nicht mit im Werkzeug befindlichem Bauteil mit dem Kühlmittel
besprüht. In einer dritten Verfahrensvariante wird das Umformwerkzeug sowohl mit im
Werkzeug befindlichem ersten oder zweiten Bauteil als auch im Zeitraum nach Entnahme
des ersten Bauteils und vor dem Einlegen des zweiten Bauteils besprüht. Darüber hinaus
sind auch Kombinationen der genannten Varianten durchführbar. So kann das Kühlmittel
in der ersten oder zweiten Verfahrensvariante beispielsweise bei im Werkzeug befindlichem
ersten Bauteil auf die äußere Oberfläche gesprüht werden, während bei im Werkzeug
befindlichem zweiten Bauteil nicht mit Kühlmittel gekühlt wird. Ebenso muss in der
zweiten oder dritten Verfahrensvariante das Werkzeug nicht stets in jedem Zeitraum
zwischen der Entnahme eines Bauteils und dem Einlegen des jeweils nächsten Bauteils
besprüht werden. Es muss somit beispielsweise nicht in jeder der genannten Sprühphasen
gesprüht werden, und auch nicht während jeweils der gesamten Phase. Das für ein erstes
und ein zweites Bauteil Gesagte gilt in Serienfertigungen vorteilhafterweise für jeweils
zwei in der Serie aufeinander folgende Bauteile.
[0014] Die Kühlungseinrichtung verfügt vorzugsweise über die Fähigkeit, jede dieser Verfahrensvarianten
auszuführen. Die Kühlungseinrichtung ist vorteilhafterweise in dem Sinne flexibel,
dass sie einen beliebigen zeitlichen Verlauf der Sprühnebelbeaufschlagung verwirklichen
kann, um das Kühlmittel einem ermittelten Bedarf entsprechend aufzubringen. Sie kann
für eine automatische Anpassung an einen ermittelten Bedarf oder für eine manuelle
Einstellung ausgeführt sein. In bevorzugten einfachen Verfahren wird ein Verlauf des
Kühlmittelauftrags voreingestellt, beispielsweise durch Programmierung bzw. Parametrierung
einer softwarebasierten Steuerung.
[0015] Um die für die Kühlung erforderliche Kühlmittelmenge zu verringern, wird der Sprühnebel
in bevorzugten Ausführungen durch Mikrozerstäubung des Kühlmittels erzeugt. In derartigen
Ausführungen sind die Düsen oder zumindest ein Teil der Düsen als Mikrodüsen ausgeführt.
Die mittels der Mikrodüsen erzeugbaren und im Verfahren erzeugten Kühlmitteltröpfchen
weisen vorzugsweise eine mittlere oder größte Tröpfchengröße von höchstens 100 µm,
bevorzugter höchstens 50 µm auf Hierfür sind Mikrodüsen geeignet mit einem Düsenquerschnitt,
der höchstens so groß ist wie eine kreisrunde Bohrung mit einem Durchmesser von höchstens
1 mm, bevorzugter höchstens 0.5 mm. Besonders bevorzugt werden Mikrodüsen verwendet,
deren Düsenquerschnitt der Größe einer Kreisfläche mit einem Durchmesser von 0.4 mm
oder weniger entspricht. Andererseits ist es zur Vermeidung von Verstopfungsgefahr
vorteilhaft, wenn der Düsenquerschnitt wenigstens so groß wie eine Kreisfläche mit
einem Durchmesser von 0.1 mm ist. Besagter Düsenquerschnitt kann kreisrund sein, er
kann aber auch anders geformt, beispielsweise schlitzförmig sein. Den Düsen, insbesondere
den Mikrodüsen, wird das Kühlmittel mit einem Druck von vorzugsweise wenigstens 50
bar zugeführt, günstig sind Drücke von 80 bar ± 20 bar. Bei einem Zuführdruck von
beispielsweise 80 bar und Verwendung von Mikrodüsen jeweils mit einer Düsenbohrung
mit einem Bohrungsdurchmesser zwischen 0.15 und 0.3 mm beträgt die durchschnittliche
Tröpfchengröße zwischen 20 und 40 µm und die Durchflussrate pro Düse zwischen 0.05
und 0.2 Liter pro Minute. Optimal ist es, wenn die Düsengröße oder die gegebenenfalls
unterschiedlichen Düsengrößen und der Zuführdruck der Kühlungseinrichtung so gewählt
sind, dass die Kühlmitteltröpfchen im Kontakt mit der freien äußeren Oberfläche des
Umformwerkzeugs vollständig verdampfen.
[0016] Die Düsen sind in bevorzugten Ausführungen über eine der äußeren Oberfläche des Umformwerkzeugs
gegenüberliegende Fläche verteilt in einem Düsenfeld angeordnet und auf die betreffende
Oberfläche gerichtet. Die Anordnung im Düsenfeld ist vorzugsweise regelmäßig, so dass
über die gesamte Fläche des Düsenfelds gesehen ein Sprühnebel in zumindest im Wesentlichen
gleichmäßiger Intensität erzeugt werden kann. Das Düsenfeld kann in solchen Ausführungen
besonders flexibel in Kombination mit unterschiedlichen Werkzeugformen eingesetzt
werden, ist also nicht auf die Verwendung nur einer einzigen, bestimmten Werkzeugform
beschränkt. Eine Anpassung kann auf einfache Weise dadurch vorgenommen werden, dass
Kühlmittel beispielsweise nur durch solche Düsen gesprüht wird, die von der parallel
auf das Düsenfeld projizierten äußeren Oberfläche überdeckt werden. Zusätzlich oder
stattdessen können die Düsen auch einzeln oder gruppenweise geöffnet und geschlossen
werden, um das Kühlmittel einem lokalen Kühlbedarf der zu besprühenden Werkzeugform
entsprechend sprühen zu können. So können die Düsen beispielsweise einzeln oder gruppenweise
automatisch ansteuerbar sein. In einfachen, dennoch bevorzugten Ausführungen wird
für die jeweils gleichen Bauteile einer Serie im Vorhinein der Kühlbedarf ermittelt,
um beispielsweise intensiv zu besprühende Wärmenester oder kältere, weniger intensiv
zu besprühende Bereiche der Oberfläche zu identifizieren. Entsprechend dem empirisch
oder per Computersimulation ermittelten lokalen Kühlbedarf wird eine oder werden mehrere
der Düsen vor dem Anlauf der jeweiligen Serie mit einem oder mehreren Verschlusselement(en)
verschlossen, so dass durch die jeweilige Düse während der betreffenden Serie kein
Kühlmittel ausgestoßen wird.
[0017] In Weiterentwicklungen wird das Umformwerkzeugs oder zumindest die wenigstens eine
mit dem Kühlmittel besprühbare Werkzeugform in Abhängigkeit von einer ermittelten
Temperatur, die für die gewünschte Qualität des umgeformten und abgekühlten Bauteils
maßgeblich ist, mit dem Sprühnebel gekühlt. So kann beispielsweise die Temperatur
der wenigstens einen besprühbaren Werkzeugform direkt ermittelt werden. Vorzugsweise
wird direkt jedoch eine Temperatur des jeweiligen Bauteils ermittelt. So kann insbesondere
die Temperatur des Bauteils, in der Serie vorzugsweise jedes Bauteils der Serie, ermittelt
werden, beispielsweise zu einem bestimmtem Zeitpunkt bei noch geschlossenem Umformwerkzeug.
Bevorzugter wird die Temperatur des jeweiligen Bauteils dann ermittelt, wenn das Bauteil
im warmen Zustand in das Umformwerkzeug eingelegt, das Umformwerkzeug aber noch nicht
geschlossen ist, oder dann, wenn sich das jeweilige Bauteil noch im Umformwerkzeug
befindet, das Umformwerkzeug aber bereits für die Entnahme des Bauteils geöffnet ist.
Zweckmäßigerweise wird die Temperatur des Bauteils, in der Serie vorzugsweise jedes
Bauteils, in der Umformpresse in beiden Phasen, d. h. unmittelbar vor dem Schließen
und unmittelbar nach dem Öffnen des Umformwerkzeugs, ermittelt.
[0018] Ein für die Ermittlung der Temperatur verwendeter Temperaturdetektor, vorzugsweise
eine Infrarot-Kamera oder ein einfacher Infrarot-Sensor, kann Bestandteil der Umformpresse
sein. Im Allgemeinen sind Umformpressen für das Umformen und Abkühlen von Bauteilen
mit einem oder mehreren Temperaturdetektoren ausgestattet. Es ist auch üblich, die
Temperatur des Bauteils unmittelbar vor dem Schließen des Umformwerkzeugs und unmittelbar
nach dem Öffnen zu ermitteln, um sicherzustellen, dass das umgeformte und in der Umformpresse
abgekühlte Bauteil der geforderten Qualität entspricht. Mit Vorteil kann ein von Hause
aus vorhandener Temperaturdetektor mit der Umformpresse der Kühlungseinrichtung gekoppelt
sein. So kann insbesondere die mittels des Temperaturdetektors ermittelte Temperatur
des umgeformten und abgekühlten Bauteils als Richtgröße, beispielsweise Regelgröße
oder Führungsgröße, für eine Regelungs- oder Steucrungscinrichtung der Kühlungseinrichtung
dienen und diese Kühlungsregelung oder -steuerung in Abhängigkeit von der ermittelten
Temperatur oder mehreren ermittelten Temperaturen die Kühlmittelmenge steuern oder
regeln, die pro Bauteil, d. h. innerhalb eines Takts der Serie, auf die äußere Oberfläche
des Umformwerkzeugs gesprüht wird. In Weiterentwicklungen können mehrere Temperaturdetektoren
vorgesehen sein, um eine örtliche Wärmeverteilung ermitteln zu können. Sind die Düsen
einzeln oder gruppenweise ansteuerbar, kann die Kühlungseinrichtung mit einer entsprechend
angepassten Steuerungs- oder Regelungseinrichtung das Kühlmittel der ermittelten örtlichen
Wänneverteilung entsprechend auf die äußere Oberfläche des Umformwerkzeugs sprühen,
um die örtliche Wärmeverteilung zu vergleichmäßigen oder eine gleichmäßige örtliche
Wärmeverteilung einzuhalten.
[0019] In Umformnormen ist meist detailliert beschrieben, dass Umformwerkzeuge bestimmte
Temperaturen nicht überschreiten sollen, um im Falle beispielsweise eines bevorzugten
Presshärtens die Press-Härt-Eigenschaften des jeweiligen Bauteils zu erzielen. Durch
die Erfindung kann auf einfache und kostengünstige Weise bei vergleichsweise hohen
Durchsatzraten die serielle Reproduzierbarkeit der Bauteile gewährleistet werden.
Für Fahrzeugbauteile, insbesondere Panzerungsbauteile für Sonderschutzfahrzeuge, ist
eine Bauteilgleichheit unabdingbar, denn nur dadurch kann die Qualität der Freigabemuster
erreicht werden. Diese eigenschaftsgleichen Bauteile erreichen auch die Qualität von
im Beschusstest geprüften Bauteilen. In Beschusstests können Parameter für die Fertigung,
hier die Umformung und Abkühlung der Bauteile, überprüft und das Verfahren entsprechend
eingestellt werden.
[0020] Die Bauteile werden für die Umformung auf eine Starttemperatur von jeweils vorzugsweise
wenigstens 200 °C, bevorzugter über die Rekristallisationstemperatur, beispielsweise
auf mehr als 40 oder 50 % der in K gemessenen absoluten Schmelztemperatur, erwärmt
und im Werkzeug jeweils auf eine Temperatur von vorzugsweise unter 150 °C, bevorzugter
unter 120 °C abgekühlt. Handelt es sich bei den Bauteilen um Stahlbauteile, werden
diese zum Warmumformen vorzugsweise auf eine für die Austenitisierung erforderliche
Starttemperatur erwärmt, vorzugsweise auf eine Starttemperatur zwischen 900 und 1000
°C.
[0021] Als Kühlmittel kommen zwar grundsätzlich alle üblichen Kühlflüssigkeiten in Frage.
Insbesondere kann aber Wasser das Kühlmittel bilden, vorzugsweise reines Wasser. Zumindest
in den Ausführungen, in denen das Kühlmittel mit Mikrodüsen versprüht wird, ist eine
Filterung des den Düsen zuzuführenden Wassers ratsam. Die Kühlungseinrichtung verfügt
in der Zuführung zu den Düsen vorzugsweise über eine entsprechende Filtereinrichtung.
[0022] Die Düsen können zwar grundsätzlich an der zu besprühenden Werkzeugform angeordnet
sein, die hierfür an einer Rückseite beispielsweise Vertiefungen aufweisen kann, in
denen die Düsen und die Zuführung für das Kältemittel in fester Verbindung mit der
jeweiligen Werkzeugform angeordnet sind. Bevorzugter sind die Düsen jedoch wie bereits
erwähnt separat von der jeweiligen Werkzeugform angeordnet. Die Kühlungseinrichtung
umfasst in bevorzugten Ausführungen wenigstens ein Kühlteil, vorzugsweise wenigstens
ein Kühlteil pro Werkzeugform, mit Düsen zum Besprühen der betreffenden Werkzeugform.
Das Kühlteil umfasst eine Trägerstruktur, an der die Düsen des betreffenden Kühlteils
angeordnet sind, vorzugsweise an einer freien Oberfläche der Trägerstruktur. Grundsätzlich
können die Düsen jedoch auch in einer hohlen Trägerstruktur geschützt angeordnet sein,
wobei in derartigen Ausführungen die Trägerstruktur Öffnungen aufweist, durch die
die Düsen das Kühlmittel in Form von Sprühkegeln ausstoßen können.
[0023] Eine besonders zweckmäßige Gestaltung besteht darin, die Trägerstruktur mit einem
Oberflächenrelief, vorzugsweise einem regelmäßigen Oberflächenrelief, mit plateauförmig
vorstehenden Bereichen und demgegenüber zurückstehenden Bereichen zu gestalten. Die
Düsen sind vorzugsweise in den zurückstehenden Bereichen angeordnet. Günstig ist es,
wenn die Düsen ferner so angeordnet sind, dass sie noch hinter den vorstehenden Bereichen
zurückstehen. Vorzugsweise erstrecken sich auch die Zuführungen in den zurückstehenden
Bereichen. Die vorstehenden Bereiche sind in bevorzugten Ausführungen so eng nebeneinander
angeordnet, dass eine auf den vorstehenden Bereichen ruhende Werkzeugform nicht in
die zurückstehenden Bereiche vorragen kann und die Düsen nicht unmittelbar mit der
Werkzeugform in Kontakt gelangen können, so dass sie in den zurückstehenden Bereichen
geschützt sind. Die vorstehenden Bereiche können zusammen vorteilhafterweise eine
plane äußere Kontaktfläche der Trägerstruktur bilden, die in der Umformpresse unmittelbar
mit der jeweils zugeordneten Werkzeugform in Kontakt steht. Grundsätzlich können die
vorstehenden Bereiche aber auch zusammen eine gewölbte, gegebenenfalls auch mehrfach
gewölbte Oberfläche bilden. Das Gleiche gilt grundsätzlich auch für die Düsen. Auch
diese können zu einem gewölbten, dreidimensionalen Düsenfeld angeordnet sein, bevorzugt
bilden die Düsen eines Kühlteils jedoch ein planares Düsenfelds.
[0024] Die im Verfahren mit dem Sprühnebel beaufschlagte bzw. mittels der Umformpresse beaufschlagbare
äußere Oberfläche kann insbesondere an einer dem eingelegten Bauteil B abgewandten
Rückseite der ersten oder der zweiten Werkzeugform angeordnet sein oder die gesamte
Rückseite bilden. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäß kühlbare äußere Oberfläche
stattdessen aber auch eine äußere Umfangsfläche der wenigstens einen kühlbaren Werkzeugform
sein. Von Vorteil ist, wenn wenigstens eine der Werkzeugformen, zweckmäßigerweise
die erste und die zweite Werkzeugform, sowohl an besagter Rückseite als auch an besagter
Umfangsfläche jeweils mit einem Sprühnebel beaufschlagt werden können. In einer Weiterentwicklung
kann zusätzlich zu einer an der Rückseite oder am äußeren Umfang gebildeten äußeren
Oberfläche auch eine beim Umformen das Bauteil kontaktierende Umformfläche der ersten
oder der zweiten Werkzeugform direkt mit dem Kühlmittel beaufschlagt werden, wenn
das Umformwerkzeug geöffnet ist. So kann beispielsweise am äußeren Umfang ein Sprühnebel
erzeugt werden, der sich im geöffneten Zustand des Umformwerkzeugs in den Raum zwischen
den Werkzeugformen fortsetzt. Bevorzugte Merkmale werden auch in den Unteransprüchen
und deren Kombinationen offenbart.
[0025] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Anhand des Ausführungsbeispiels offenbarte Merkmale bilden jeweils einzeln und in
jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen
Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
- Figur 1
- ein Umformwerkzeug mit einer ersten Werkzeugform und einer zweiten Werkzeugform und
eine Kühlungseinrichtung mit Düsen für eine Sprühnebelkühlung des Umformwerkzeugs,
- Figur 2
- die erste Werkzeugform und ein dieser Werkzeugform zugeordnetes Kühlteils der Kühlungseinrichtung
und
- Figur 3
- das Kühlteil der Figur 2.
[0026] Figur 1 zeigt ein Umformwerkzeug 10 für die Umformung, vorzugsweise Warmumformung,
von Metallbauteilen B und eine Kühlungseinrichtung 20, die an zwei voneinander abgewandten
Seiten unmittelbar an das Umformwerkzeug 10 angrenzt. Bei den metallenen Bauteilen
B handelt es sich wie bevorzugt, aber nur beispielhaft, um Stahlbleche, aus denen
mittels des Umformwerkzeugs 10 Fahrzeugteile geformt werden. Bei diesen Fahrzeugteilen
kann es sich insbesondere um flächenhafte Panzerungsteile zum Panzern von Sonderschutzfahrzeugen
handeln, wie etwa um Panzerstahlbleche der Beschussklasse FB4 oder FB6. Die Erfindung
ist nicht zuletzt wegen der Kühlungseinrichtung 20 und der durch diese ermöglichten
intensiven Kühlung des Umformwerkzeugs 10 für die Warmumformung und Härtung von Panzerungsbauteilen
B in Serienfertigung geeignet.
[0027] Das Umformwerkzeug 10 umfasst eine erste Werkzeugform 1 und eine zweite Werkzeugform
2, die mit einander zugewandten Umformflächen 7 bei der Umformung als Matrize und
Patrize zusammenwirken und das zwischen den Werkzeugformen 1 und 2 befindliche Bauteil
B im warmen Zustand zwei- oder vorzugsweise dreidimensional verformen. Der Begriff
"Bauteil" wird sowohl für den Bauteilrohling, im Ausführungsbeispiel eine Blechplatine,
als auch das umgeformte und im Umformwerkzeug 10 abgekühlte Bauteil B verwendet.
[0028] Die Kühlungseiurichtung 20 umfasst ein der ersten Werkzeugform 1 zugeordnetes erstes
Kühlteil, das vom im Umformwerkzeug 10 befindlichen Bauteil B aus gesehen der Rückseite
der ersten Werkzeugform 1 zugewandt angeordnet ist, und ein der zweiten Werkzeugform
2 zugeordnetes zweites Kühlteil, das vom Bauteil B aus gesehen der Rückseite der zweiten
Werkzeugform 2 zugewandt angeordnet ist. Es wird eine Sandwichanordnung erhalten,
in der die Werkzeugformen 1 und 2 zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlteil angeordnet
sind, wobei die Kühlteile an die Werkzeugformen 1 oder 2 unmittelbar angrenzen. Im
Ausführungsbeispiel besteht wie bevorzugt jeweils ein direkter Kontakt. Die Anordnung
aus Umformwerkzeug 10 und Kühlungseinrichtung 20 kann in einer Umformpresse in herkömmlicher
Weise zwischen beispielsweise einem ortsfesten Pressentisch und einem relativ zum
Pressentisch beweglichen Stößel oder auch zwischen zwei aufeinander zu und voneinander
weg beweglichen Stößeln angeordnet sein, um das Umformwerkzeug 10 zum Einlegen und
Entnehmen des jeweiligen Bauteils B öffnen und den zum Umformen erforderlichen Pressdruck
aufbringen zu können. Die Achse der relativen Beweglichkeit ist mit Z bezeichnet.
[0029] Die Kühlteile weisen jeweils eine Trägerstruktur auf, das erste Kühlteil eine Trägerstruktur
15 und das zweite Kühlteil eine Trägerstruktur 16, die jeweils als Träger bzw. Plattform
für eine Anordnung von Kühlmitteldüsen 13 und Kühlmittelzuführungen 12 dienen. Die
Düsen 13 sind über die Zuführungen 12 und nicht dargestellte Anschlüsse der Kühlteile
an eine Kühlmittelversorgung angeschlossen.
[0030] Die Düsen 13 zerstäuben das in der Zuführung 12 zugeführte flüssige Kühlmittel zu
feinen Kühlmitteltröpfchen, die in einem dichten Sprühnebel N auf die Rückseite der
jeweiligen Werkzeugform 1 bzw. 2 gerichtet sind. Die Düsen 13 sind als Mikrodüsen
ausgeführt und weisen jeweils einen Düsenquerschnitt auf, vorzugsweise eine kreisrunde
Düsenbohrung, der zur Erzeugung jeweils eines Sprühnebelkegels aus Kühlmitteltröpfchen
geeignet ist, die eine mittlere Tröpfchengröße aus dem Bereich zwischen 20 bis 80
µm, vorzugsweise aus dem Bereich zwischen 20 und 60 µm aufweisen. Diese feinen Kühlmitteltröpfchen
verdampfen beim Auftreffen auf eine rückwärtige äußere Oberfläche 8 der jeweiligen
Werkzeugform 1 oder 2 und entziehen ihrer Verdampfungswärme entsprechend dieser Werkzeugform
1 bzw. 2 Wärme. Das Bauteil B wird bei geschlossenem Umformwerkzeug 10 somit durch
den Kontakt mit den Werkzeugformen 1 und 2 gekühlt. Die Kühlungseinrichtung ist in
vorteilhaften Ausführungen dafür eingerichtet, das Umformwerkzeug 10 auf einer bestimmten
Temperatur oder zumindest unterhalb einer bestimmten Temperaturobergrenze zu halten.
[0031] Der Düsenquerschnitt der Düsen 13 ist in bevorzugten Ausführungen so groß wie eine
Kreisfläche mit einem Durchmesser aus dem Bereich von 0.1 mm bis 0.8 mm, noch bevorzugter
aus dem Bereich zwischen 0.2 und 0.5 mm.
[0032] Die Trägerstrukturen 15 und 16 bilden jeweils eine zumindest im Wesentlichen plane
Stützfläche, mit der sie an der zugeordneten Werkzeugform 1 bzw. 2 in unmittelbarem
Kontakt anliegen. Die Stützfläche wird durch in Z-Richtung vorstehende Bereiche 17
gebildet. Die Düsen 13 sind in gegenüber den vorstehenden Bereichen 17 zurückstehenden
Bereichen 18 angeordnet, die zwischen den vorstehenden Bereichen 17 gebildet sind.
[0033] Die Werkzeugformen 1 und 2 sind als Hohlstrukturen gebildet, die in Richtung auf
das zugeordnete Kühlteil offen sind. So weisen die Werkzeugform 1 eine Schale 3 und
die Werkzeugform 2 eine Schale 4 auf, zwischen denen das Bauteil B während des Umformprozesses
liegt und die mit den aneinander angepassten Umformflächen 7 bei der Umformung gegen
das Bauteil B drücken. An den vom Bauteil B abgewandten Rückseiten der Schalen 3 und
4 ragen jeweils Stützstrukturen 5 in Richtung auf das erste bzw. zweite Kühlteil ab.
Die Stützstrukturen 5 sind an ihren Enden unmittelbar in Kontakt mit dem jeweils zugeordneten
Kühlteil, d. h. mit den vorstehenden Bereichen 17 der Trägerstruktur 15 oder 16. Zwischen
den Stützstrukturen 5 verbleiben Freiräume 6, d. h. zum Kühlteil hin offene Räume,
in die jeweils wenigstens eine der Düsen 13 gerichtet ist, so dass deren Sprühnebelkegel
auf die äußere Oberfläche 8 der Schale 3 oder 4 trifft. Die Umformwerkzeuge 1 und
2 werden somit unmittelbar im Bereich der Umformschalen 3 und 4 und somit in größtmöglicher
Nähe zum Bauteil B mittels Sprühnebel gekühlt. Die Stützstrukturen 5 erhöhen noch
die Intensität der Kühlung, indem sie die zu Kühlungszwecken zur Verfügung stehende
Wärmeaustauschfläche der Werkzeugformen 1 und 2 vergrößern und zur Wärmeableitung
aus dem Nahbereich des Bauteils B beitragen. Die Stützstrukturen 5 sind rippenförmig,
um große Wärmeableitflächen zu erhalten, d. h. sie bilden Kühlrippen, könnten grundsätzlich
aber auch beispielsweise säulenförmig von den Rückseiten 7 der Schalen 3 und 4 abragen.
[0034] In Figur 1 ist beispielhaft nicht für alle, sondern nur für einen Teil der Düsen
13 ein Sprühnebel N stellvertretend auch für weitere Düsen 13 dargestellt. So können
in vorteilhaften Verfahrensführungen zumindest diejenigen Düsen 13 jeweils einen Sprühnebelkegel
erzeugen, die den Rückseiten der Schalen 3 und 4 zugewandt gegenüberliegen bzw. in
einen der Freiräume 6 sprühen. In anderen Verfahrensführungen können aber auch aus
dieser Gruppe von Düsen 13 nur ausgewählte Düsen 13 jeweils zur Erzeugung eines Sprühnebels
N verwendet werden, so dass in derartigen Verfahrensführungen nur ein Teil der Düsen
13, die von der jeweiligen Werkzeugfoxrn 1 oder 2 überdeckt sind, gleichzeitig geöffnet
und ein anderer Teil währenddessen geschlossen ist.
[0035] Figur 2 zeigt die Werkzeugform 1 und das zugeordnete Kühlteil in einer perspektivischen
Sicht auf eine Schnittebene. Erkennbar ist die Gestaltung der Werkzeugformen 1 und
2, beispielhaft anhand der Werkzeugform 1, als Hohlstrukturen jeweils mit das Bauteil
B formender Schale 3 bzw. 4 und den von der freien rückwärtigen äußeren Oberfläche
7 abragenden Stützstrukturen 5, zwischen denen besagte Freiräume 6 verbleiben, in
die hinein die Düsen 13 gerichtet sind, um die Oberfläche 7 mit einem Sprühnebel N
des Kältemittels effektiv insbesondere durch Verdampfungswärme zu kühlen. Erkennbar
ist ferner der plattenförmige Charakter der Trägerstruktur 15, auf der die Werkzeugform
1 in direktem Kontakt mit den vorstehenden Bereichen 17 angeordnet ist. Die Trägerstruktur
15 weist Verbindungselemente 19 auf, die beispielhaft als Schraublöcher ausgeführt
sind. Die Werkzeugform 1 ist mittels Befestigungselementen 9, die mit jeweils einem
der Verbindungselemente 19 zusammenwirken, an der Trägerstruktur 15 befestigt, im
Beispiel mittels Schraubverbindung.
[0036] Figur 3 ist eine isometrische Darstellung nur eines der Kühlteile, beispielhaft des
Kühlteil mit der Trägerstruktur 15. Wie bereits in Figur 2 ist der im Wesentlichen
plattenförmige Charakter der Trägerstruktur 15 erkennbar. Die vorstehenden Bereiche
17 und demgegenüber zurückstehenden Bereiche 18 bilden ein flaches Relief. Die vorstehenden
Bereiche 17 stehen nur so weit über die zurückstehenden Bereiche 18 vor, als dies
für die Anordnung der Düsen 13 und der Kühlmittelzuführung 11, 12 erforderlich ist.
Mit 11 sind Anschlussleitungen des kühlteileigenen Zuführsystems bezeichnet und mit
12 Verteilerleitungen, längs denen die Düsen 13 angeordnet sind. Die Trägerstruktur
15 weist über ihren Umfang verteilt Befestigungselemente 14 auf, beispielhaft zum
Rand hin offene Durchgänge, mittels denen sie an einem Tisch oder Stößel der Umformpresse
befestigt werden kann.
[0037] Die Anordnung der Düsen 13 ist regelmäßig, indem die Düsen 13 gemeinsam ein schachbrettartiges
Düsenfeld bilden. Die regelmäßige bzw. periodische Anordnung der Düsen 13 ist im Hinblick
auf die flexible Verwendbarkeit des Kühlteils mit unterschiedlichen Werkzeugformen
von Vorteil. Das Kühlteil, insbesondere das Düsenfeld, weist hierfür die erforderliche
Größe auf. Im Allgemeinen werden daher nicht alle Düsen 13 des Düsenfelds bei jeder
der unterschiedlichen Werkzeugformen erforderlich sein. Vielmehr werden nur diejenigen
Düsen 13 benötigt, die von der jeweiligen Werkzeugform im zusammengebauten Zustand
überdeckt werden. Die nicht überdeckten und in diesem Sinne freien Düsen 13 können
mittels entsprechender Verschlusselemente verschlossen werden, um die bei laufender
Produktion verbrauchte Kühlmittelmenge gering zu halten. Erkennbar ist auch, dass
eventuell nicht verdampftes Kühlmittel über die zurückstehenden Bereiche 18 abfließen
kann.
[0038] Wie bereits erwähnt verdampft das Kühlmittel zwar in bevorzugten Verfahrensführungen
vollständig, d. h. es wird in entsprechender Menge und Tröpfchenfeinheit aufgesprüht,
so dass zumindest ein Teil des Kühlmittels dampfförmig über die zurückstehenden Bereiche
18 entweicht. Gegebenenfalls in den Freiräumen 6 der jeweiligen Werkzeugform 1 oder
2 wieder kondensiertes Kühlmittel kann über die zurückstehenden Bereiche 18 aber ebenso
auf einfache Weise abfließen. Das abfließende Kühlmittel kann optional gesammelt werden.
[0039] Das andere Kühlteil entspricht dem dargestellten gänzlich oder weitgehend. Vorzugsweise
sind die Kühlteile gegeneinander austauschbar.
[0040] In einer Serienfertigung wird das jeweils nächste Bauteil B außerhalb des Umformwerkzeugs
10 auf eine für die Umformung, vorzugsweise eine Warmumformung, geeignete Temperatur
erwärmt. Handelt es sich wie bevorzugt um Stahlbauteile, wie etwa Panzerstahlbleche,
werden diese mit einer bestimmten Temperatur, die in engen Grenzen eingehalten wird
und beispielsweise aus dem Bereich zwischen 900 und 1000 °C gewählt ist, in das Umformwerkzeug
10 eingelegt. Diese Starttemperatur wird mittels eines oder mehrerer Temperaturdetektoren
wie etwa einer Infrarot-Kamera, erfasst. Liegt die erfasste Temperatur innerhalb einer
vorgegebenen Toleranz, wird das Umformwerkzeug 10 geschlossen und das Bauteil B in
einem einzigen Hub mit entsprechendem Pressdruck warmumgeformt. Anschließend wird
bei noch geschlossenem Umformwerkzeug 10 das Bauteil B vom hohen Pressdruck entlastet.
Um Bauteilspannungen abzubauen, bleibt das Umformwerkzeug 10 über eine gewisse Zeit
noch geschlossen, bis das Bauteil B nur noch eine Temperatur von vorzugsweise etwa
80 °C aufweist. Eine Temperatur von etwa 100 °C sollte nicht überschritten werden.
Anschließend wird das Umformwerkzeug 10 geöffnet und die Temperatur des Bauteils B
mittels des wenigstens einen Temperaturdetektors erfasst. Anschließend wird das Bauteil
B aus dem Umformwerkzeug 10 genommen. Die Umformpresse ist vorteilhafterweise mit
absenkbaren Abstandshaltern ausgestattet, die das Bauteil B nur an einigen Stellen
lokal stützen, solange die Werkzeugformen 1 und 2 noch voneinander beabstandet sind.
Gegenüber einer großflächigen Auflage unmittelbar beim Einlegen wird durch die Abstützung
nur mittels Abstandshaltern der Wärmeübergang vom Bauteil B auf die jeweilige Werkzeugform
1 oder 2 verringert.
[0041] Das Umformwerkzeug 10 wird mittels der Kühlungseinrichtung, d. h. mittels Sprühnebelkühlung,
in solch einer Weise gekühlt, dass innerhalb einer bestimmten Taktzeit der Serie die
unmittelbar vor der Entnahme des Bauteils B erfasste bzw. ermittelte niedrige Temperatur
eingestellt oder zumindest eine Obergrenze für diese niedrige Temperatur nicht überschritten
wird. Das Kühlmittel kann mittels der Düsen 13 bei geschlossenem Umformwerkzeug 10
oder stattdessen oder zusätzlich nach der Entnahme eines Bauteils B und vor dem Einlegen
eines nächsten Bauteils B aufgebracht werden, so dass über die gesamte Serie hinweg
in der vorgegebenen Taktzeit jeweils die niedrige Bauteiltemperatur erreicht bzw.
eingestellt wird.
[0042] In einfachen Ausführungen wird das Kühlmittel stets allen Düsen 13 über die Zuführung
11, 12 zugeführt. In Versuchen kann vor Anlauf der Serie empirisch der Kühlmittelbedarf
ermittelt werden, gegebenenfalls auch nur oder zusätzlich durch Computersimulation.
Der zeitliche Ablauf des Aufsprühens kann ebenfalls für die gesamte Serie anhand des
empirisch oder per Simulation ermittelten Bedarfs eingestellt werden. Nicht benötigte
Düsen 13 werden vor dem Anlaufen der Serie geschlossen, so insbesondere die Düsen
13 außerhalb der vom Umformwerkzeugs 10 belegten Fläche und optional auch Düsen 13,
die von der jeweiligen Werkzeugform 1 oder 2 überdeckt werden. Auf diese Weise kann
der Kühlmittelauftrag auf einen im Vorhinein ermittelten örtlichen Kühlbedarf angepasst
werden. In Weiterentwicklungen können die Düsen 13 einzeln oder gruppenweise ansteuerbar
sein, um einen über die Fläche der Werkzeugformen 1 und 2 gesehen örtlich variierenden
Kühlbedarf flexibel befriedigen zu können.
[0043] Die Düsen 13, die über den äußeren Umfang des Umformwerkzeugs 10 gesehen außen angeordnet
sind, können in Verfahrensvarianten auch offen sein oder in Ausführungen mit einzeln
oder gruppenweise ansteuerbaren Düsen 13 ebenfalls mit Kühlmittel beaufschlagt werden.
So können diese in Bezug auf die jeweilige Werkzeugform 1 oder 2 äußeren Düsen 13
bei geschlossenem Umformwerkzeug 10 die seitliche äußere Oberfläche am Umfang des
Umformwerkzeugs 10 ebenfalls mittels Sprühnebel N beaufschlagen. Das Umformwerkzeug
10 kann dann im geschlossenen Zustand über seinen äußeren Umfang in einen Sprühnebel
gehüllt werden. Im Ausführungsbeispiel mit den Stützstrukturen 5 würden in solch einer
Verfahrensvariante insbesondere die äußeren Stützstrukturen 5 direkt mit dem Sprühnebel
N beaufschlagt und den Schalen 3 und 4 über Wärmeleitung zusätzlich zur direkten Beaufschlagung
mit innenliegenden Düsen 13 Wärme entziehen. In noch einer Verfahrensvariante können
die äußeren Düsen 13 auch bei geöffnetem Umformwerkzeug 1D einen Sprühnebel erzeugen,
der bei offenem Umformwerkzeug 10 die Werkzeugformen 1 und 2 nicht nur am Umfang einhüllt,
sondern vom Umfang her in den Zwischenraum zwischen den Schalen 3 und 4 eindringt
und auf diese Weise unmittelbar auch die Umformflächen 7 beaufschlagt. Die Umformflächen
7 werden zweckmäßigerweise nur mit Kühlmittel beaufschlagt, wenn sich kein Bauteil
B im Umformwerkzeug 10 befindet, also in den Zeiträumen zwischen der Entnahme des
einen und dem Einlegen des jeweils nächsten Bauteils B.
[0044] Um das Umformwerkzeug 10 in den Zeiträumen, in denen es jeweils von Bauteilen B frei
ist, besonders effektiv unmittelbar an der beim Umformen das jeweilige Bauteil B kontaktierenden
Umformflächen 7 kühlen zu können, kann die Presse eine oder mehrere Düsen entsprechend
den Düsen 13 an den Seiten aufweisen. Die optionale(n) seitlich angeordnete(n) Düse(n)
13 kann oder können vorteilhafterweise in den bei offenem Umformwerkzeug 10 zwischen
den Umformflächen 7 bestehenden freien Spalt, also im Wesentlichen quer zur Pressenachse
Z, oder alternativ auch auf beide oder nur eine der Umformflächen 7 gerichtet sein.
[0045] In noch einer Weiterentwicklung kann wenigstens ein dem äußeren Umfang der Werkzeugformen
1 und 2 oder nur einer der Werkzeugformen 1 und 2, im Ausführungsbeispiel den äußeren
Stützstrukturen 5, seitlich zugewandtes, den äußeren Umfang beispielsweise kontaktierendes
weiteres Kühlteil angeordnet sein, um die äußeren Stützstrukturen 5 mit einem oder
mehreren derartigen Umfangskühlteil(en) unmittelbar mit einem Sprühnebel N beaufschlagen
zu können. In vorteilhaften Ausführungen solch einer Variante ist das oder sind die
Umfangskühlteil(e) zusätzlich zu den rückwärtigen Kühlteilen mit den Kühlstrukturen
15 und 16 vorgesehen. Umfangskühlteile können in der Presse quer zur Pressenachse
Z beweglich bzw. verstellbar angeordnet sein, beispielsweise an den rückwärtigen Kühlteilen,
um die Umfangskühlteile aufeinander zu und voneinander weg bewegen bzw. verstellen
zu können und dadurch die Flexibilität hinsichtlich des äußeren Umfangs des jeweils
verwendeten Umformwerkzeugs 10 beizubehalten. Weist die Kühleinrichtung 20 eine seitliche
Umfangskühlung auf, ist die Umfangskühlung vorzugsweise in Richtung der Pressenachse
Z geteilt, also axial geteilt, und umfasst wenigstens ein der Werkzeugform 1 zugeordnetes
Umfangskühlteil und wenigstens ein weiteres, der Werkzeugform 2 zugeordnetes Umfangskühlteil.
Da wenigstens eine der Werkzeugformen, im Beispiel die Werkzeugform 2, in Richtung
der Pressenachse Z gemeinsam mit dem zugeordneten rückwärtigen Kühlteil beweglich
ist, um das Umformwerkzeug 10 öffnen und schließen zu können, ist es vorteilhaft,
wenn das der beweglichen Werkzeugform zugeordnete Umfangskühlteil gemeinsam mit der
Anordnung aus beweglicher Werkzeugform 1 oder 2 und rückwärtigem Kühlteil beweglich
ist. Das Umfangskühlteil oder die bevorzugt wenigstens zwei in der geschilderten Weise
separaten Umfangskühlteile kann oder können sich jeweils in Umfangsrichtung über zumindest
im Wesentlichen 360° um die Pressenachse Z erstrecken, um das Umformwerkzeugs 10 oder
zumindest die zugeordnete Werkzeugform 1 oder 2 über den äußeren Umfang gleichmäßig
mit Sprühnebel beaufschlagen zu können. Bei Ausführungen, in denen das oder die mehreren
Umfangskühlteil(e) sich über mehr als 180° um die Pressenachse Z erstreckt oder erstrecken,
ist das oder sind die mehreren Umfangskühlteile(e) vorzugsweise radial geteilt, so
dass es oder sie quer zur Pressenachse Z voneinander weg und aufeinander zu verstellt
werden kann oder können.
Bezugszeichen:
[0046]
- 1
- Werkzeugform
- 2
- Werkzeugform
- 3
- Umformschale
- 4
- Umformschale
- 5
- Stützstruktur
- 6
- Freiraum
- 7
- Umformfläche
- 8
- äußere Oberfläche
- 9
- Befestigungselement
- 10
- Umformwerkzeug
- 11
- Kühlmittelzuführung
- 12
- Kühlmittelzuführung
- 13
- Düse
- 14
- Befestigungselement
- 15
- Trägerstruktur
- 16
- Trägerstruktur
- 17
- vorstehender Bereich
- 18
- zurückstehender Bereich
- 19
- Verbindungselement
- 20
- Kühlungseinrichtung
- B
- Bauteil
- N
- Sprühnebel
- Z
- Pressenachse
1. Verfahren zum Umformen metallener, vorzugsweise ballistischer Bauteile, bei dem
(a) ein erwärmtes erstes und ein erwärmtes zweites Bauteil (B) in einem Umformwerkzeug
(10) nacheinander in einem warmen Zustand einer Umformung unterzogen und jeweils im
Umformwerkzeug (10) abgekühlt werden
(b) und das Umformwerkzeug (10) mit im Werkzeug befindlichem ersten oder zweiten Bauteil
(B) oder nach Entnahme des ersten Bauteils (B) und vor dem Einlegen des zweiten Bauteils
(B) mit einem Kühlmittel gekühlt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
(c) das Kühlmittel als Sprühnebel (N) auf eine freie äußere Oberfläche (8) des Umformwerkzeugs
(10) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Sprühnebel (N) durch Mikrozerstäubung
des Kühlmittels erzeugt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sprühnebel (N) mittels
Düsen (13), vorzugsweise Mikrodüsen, erzeugt wird, die über eine der äußeren Oberfläche
(8) des Umformwerkzeugs (10) gegenüberliegenden Fläche verteilt angeordnet und auf
die äußere Oberfläche (8) gerichtet sind.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Düsen (13) zu einem Düsenfeld
angeordnet sind und einem lokalen Kühlbedarf der äußeren Oberfläche (8) des Umformwerkzeugs
(10) entsprechend geöffnet und geschlossen werden.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der lokale Kühlbedarf für eine
Serie der Bauteile (B) ermittelt und in Abhängigkeit vom ermittelten Bedarf ausgewählte
Düsen (13) des Düsenfelds vor dem Umformen der Serie geschlossen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Temperatur des abgekühlten
ersten Bauteils (B) noch im Umformwerkzeug (10) oder bei der Entnahme aus dem Umformwerkzeug
(10) oder eine Temperatur des Umformwerkzeugs (10) ermittelt und die Menge des zwischen
der Entnahme des ersten Bauteils (B) und der Entnahme des zweiten Bauteils (B) als
Sprühnebel (N) aufgebrachten Kühlmittels, in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur
gesteuert oder geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Starttemperatur der
Bauteile (B) bei der Umformung jeweils wenigstens 200 °C beträgt und die Bauteile
(N) im Umformwerkzeug (10) jeweils auf eine Temperatur von unter 150 °C abgekühlt
werden, wobei die Starttemperatur bei Stahlbauteilen (B) bevorzugt mehr als 40 % der
Schmelztemperatur eines Werkstoffs der Bauteile (B) beträgt, noch bevorzugter wenigstens
so groß wie eine zur Austenitisierung des jeweiligen Bauteils (B) erforderliche Temperatur
ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als das Kühlmittel gefiltertes
Wasser, vorzugsweise reines Wasser, verwendet wird.
9. Umformpresse zum Umformen metallener, vorzugsweise ballistischer Bauteile in einem
warmen Zustand, die Umformpresse umfassend:
(a) ein Umformwerkzeug (10) mit einer ersten Werkzeugform (1) und einer zweiten Werkzeugform
(2), von denen wenigstens eine beweglich angeordnet ist, um ein im warmen Zustand
befindliches Bauteil (B) durch Zusammenfahren der Werkzeugformen (1, 2) umformen zu
können,
(b) und eine Kühlungseinrichtung (20) mit einer Zuführung (11, 12) für ein Kühlmittel
und an die Zuführung (11, 12) angeschlossenen Düsen (13) zum Sprühen des Kühlmittels,
dadurch gekennzeichnet, dass
(c) die Düsen (13) auf eine im zusammengefahrenen Zustand freie äußere Oberfläche
(8) wenigstens einer der Werkzeugformen (1, 2) gerichtet sind, um das Umformwerkzeug
(1, 2) durch einen Sprühnebel (N) von außen kühlen zu können.
10. Umformpresse nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (13) in einem Düsenfeld regelmäßig, vorzugsweise periodisch, angeordnet
sind, um die äußere Oberfläche (8) gleichmäßig mit dem Kühlmittel besprühen zu können.
11. Umformpresse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine der äußeren Oberfläche
(8) zugewandte Trägerstruktur (15, 16), an der die Düsen (13) angeordnet sind, wobei
die Trägerstruktur (15, 16) vorzugsweise an der diese äußere Oberfläche (8) aufweisenden
Werkzeugform (1, 2) zumindest bei zusammengefahrenen Werkzeugformen (1, 2) anliegt.
12. Umformpresse nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (15, 16) vorstehende Bereiche (17) und zurückstehende Bereiche
(18) aufweist, die vorstehenden Bereich (17) zumindest bei zusammengefahrenen Werkzeugformen
(1, 2) an der Werkzeugform (1, 2) anliegen und die Düsen (13) in den zurückstehenden
Bereichen (18) angeordnet sind.
13. Umformpresse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine mit den Düsen (13) besprühbare Werkzeugform (1, 2) eine bei dem
Umformen das Bauteil (B) kontaktierende und die Form des umgeformten Bauteils (B)
bestimmende Schale (3, 4) mit einer vom Bauteil (B) abgewandten Rückseite aufweist,
die Rückseite die mit dem Kühlmittel besprühbare Oberfläche (8) bildet, von der Rückseite
Stützstrukturen (5) abragen, mittels denen die Werkzeugform (1, 2) in der Umformpresse
abgestützt ist, und zwischen den Stützstrukturen (5) Freiräume (6) verbleiben, in
die die Düsen (13) gerichtet sind.
14. Umformpresse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine mit den Düsen (13) besprühbare Werkzeugform (1, 2) eine bei dem
Umformen das Bauteil (B) kontaktierende und die Form des umgeformten Bauteils (B)
bestimmende Umformfläche (7), eine vom Bauteil (B) abgewandte Rückseite und einen
zwischen der Umformfläche (7) und der Rückseite erstreckten äußeren Umfang aufweist
und die Umformpresse wenigstens einem der folgenden Merkmale entspricht:
(i) die Düsen (13) oder nur ein Teil der Düsen (13) sind oder ist auf die Rückseite
gerichtet, vorzugsweise an einer der Rückseite zugewandten Trägerstruktur (15, 16)
angeordnet;
(ii) die Düsen (13) oder nur ein Teil der Düsen (13) sind oder ist so angeordnet oder
gerichtet, dass ein von ihnen erzeugter Sprühnebel (N) den äußeren Umfang beaufschlagt,
wobei diese Düsen optional an einer dem äußeren Umfang gegenüberliegend zugewandten
seitlichen Trägerstruktur angeordnet sind;
(iii) die Düsen (13) oder nur ein Teil der Düsen (13) sind oder ist so angeordnet
und gerichtet, dass sie einen Sprühnebel (N) erzeugen, der bei geöffnetem Umformwerkzeug
(10) vom äußeren Umfang in einen zwischen den Werkzeugformen (1, 2) bestehenden Spalt
hineinreicht, so dass die Umformfläche (7) der wenigstens einen Werkzeugform (1, 2)
unmittelbar mit dem Kühlmittel beaufschlagt werden kann.
15. Umformpresse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformpresse einen Temperaturdetektor zur Ermittlung einer Temperatur des Bauteils
(B) oder des Umformwerkzeugs (10) und die Kühlungseinrichtung (20) eine Stelleinrichtung
zur Einstellung oder Verstellung der von den Düsen (13) versprühten Kühlmittelmenge
und eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung umfasst, die die Stelleinrichtung in
Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur steuert oder regelt, vorzugsweise auf
Einhaltung einer Obergrenze der Temperatur des Bauteils (B).