[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen eines Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung
aufweisenden Aluminiumblechs, wobei das Aluminiumblech mittels eines Umformwerkzeugs
umgeformt wird, wobei das Umformwerkzeug eine Werkzeugmatrize, einen Werkzeugstempel
und einen zwischen der Werkzeugmatrize und dem Werkzeugstempel befindlichen Werkzeugraum
aufweist, wobei die Werkzeugmatrize und/oder der Werkzeugstempel gekühlt werden, wobei
das Aluminiumblech in den Werkzeugraum eingebracht wird, wobei die Werkzeugmatrize
und der Werkzeugstempel zur Umformung des in dem Werkzeugraum befindlichen Aluminiumblechs
relativ auf einander zu bewegt werden, und wobei das Umformwerkzeug nach der Umformung
des Aluminiumblechs durch Auseinanderbewegen der Werkzeugmatrize und des Werkzeugstempels
geöffnet und das umgeformte Aluminiumblech entnommen wird.
[0002] Zur Verbesserung der Umformbarkeit von Aluminiumblechen ist es bekannt, die Aluminiumbleche
zu kühlen und in gekühltem Zustand umzuformen. Insbesondere bei Temperaturen unter
-100 °C zeigt Aluminium eine hohe Dehnbarkeit und Zugfestigkeit, so dass sich das
Material besonders gut umformen lässt. So wird beispielsweise in der
EP 2581466 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus einem eine Aluminiumlegierung aufweisenden
Aluminiumblechs vorgeschlagen, bei dem das Aluminiumblech vor seiner Umformung vorgekühlt
wird.
[0003] Bei einem solchen kalten Umformverfahren besteht jedoch das Problem, dass sich Luftfeuchtigkeit
an den kalten Aluminiumblechen, dem Umformwerkzeug oder anderen Anlagenteilen niederschlägt
oder es sogar zu Eisanlagerungen kommt. Bei den während der Umformung des Blechs vorliegenden
hohen Drücken werden die Feuchtigkeit oder die Eisablagerungen auf das Aluminiumblech
gepresst und führen zu qualitativ mangelhaften Blechoberflächen. Das Eis baut sich
zudem in den Werkzeugen auf, wodurch die Maßhaltigkeit der Werkzeuge nicht mehr gegeben
ist und die Aluminiumbleche nicht mit den gewünschten Abmessungen umgeformt werden.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten
Art dahingehend zu verbessern, dass oben genannte Probleme vermieden werden.
[0005] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Umformen eines Aluminium und/oder eine
Aluminiumlegierung aufweisenden Aluminiumblechs gelöst, wobei das Aluminiumblech mittels
eines Umformwerkzeugs umgeformt wird, wobei das Umformwerkzeug eine Werkzeugmatrize,
einen Werkzeugstempel und einen zwischen der Werkzeugmatrize und dem Werkzeugstempel
befindlichen Werkzeugraum aufweist, wobei die Werkzeugmatrize und/oder der Werkzeugstempel
gekühlt werden,
- wobei das Aluminiumblech in den Werkzeugraum eingebracht wird,
- wobei die Werkzeugmatrize und der Werkzeugstempel zur Umformung des in dem Werkzeugraum
befindlichen Aluminiumblechs relativ auf einander zu bewegt werden, und
- wobei das Umformwerkzeug nach der Umformung des Aluminiumblechs durch Auseinanderbewegen
der Werkzeugmatrize und des Werkzeugstempels geöffnet und das umgeformte Aluminiumblech
entnommen wird,
und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass dem Werkzeugraum ein trockenes Gas zugeführt
wird.
[0006] Erfindungsgemäß wird in dem Werkzeugraum, in den das Aluminiumblech eingebracht und
in dem es umgeformt wird, eine im Wesentlichen wasserdampffreie Atmosphäre geschaffen.
"Im Wesentlichen wasserdampffrei" soll hierbei bedeuten, dass der Taupunkt der Atmosphäre
unterhalb von -40°C oder bevorzugt unter -50°C liegt. Die Atmosphäre in dem Werkzeugraum
ist damit so trocken, dass es nicht oder nur unwesentlich zu Kondensation oder Eisbildung
auf dem Umformwerkzeug kommt. Unter einem "trockenen Gas" wird entsprechend ein Gas
verstanden, dessen Wassergehalt weniger als 30 vppm beträgt.
[0007] Gemäß der Erfindung wird das umzuformende Aluminiumblech in den Werkzeugraum zwischen
einer Werkzeugmatrize und einem Werkzeugstempel eingebracht. Anschließend werden die
Werkzeugmatrize und der Werkzeugstempel aufeinander zu bewegt, so dass das zwischen
der Werkzeugmatrize und dem Werkzeugstempel befindliche Aluminiumblech entsprechend
der Form der Werkzeugmatrize und des Werkzeugstempels zu einem Formteil umgeformt
wird. In der Praxis wird hierbei nur eines der beiden Teile des Umformwerkzeugs, meist
der Werkzeugstempel, bewegt, während die Werkzeugmatrize bzw. das andere Teil des
Umformwerkzeugs in seiner Position verbleibt. Es ist aber ebenso möglich, sowohl Werkzeugmatrize
als auch Werkzeugstempel zu bewegen.
[0008] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Umformwerkzeug eine
Werkzeugmatrize, einen Werkzeugstempel und einen dazwischen liegenden Blechhalter
auf. Das umzuformende Aluminiumblech wird in den Werkzeugraum zwischen der Werkzeugmatrize,
dem Blechhalter und dem Werkzeugstempel eingebracht. Anschließend werden die Werkzeugmatrize,
der Blechhalter und der Werkzeugstempel aufeinander zu bewegt, so dass das zwischen
der Werkzeugmatrize und dem Werkzeugstempel befindliche Aluminiumblech entsprechend
der Form der Werkzeugmatrize und des Werkzeugstempels zu einem Formteil umgeformt
wird. In der Praxis werden hierbei nur zwei der drei Teile des Umformwerkzeugs, meist
die Werkzeugmatrize und der Blechhalter, bewegt, während der Werkzeugstempel in seiner
Position verbleibt. Es ist aber ebenso möglich, sowohl Werkzeugmatrize, Blechhalter
als auch Werkzeugstempel zu bewegen.
[0009] Im Werkzeugraum wird eine im Wesentlichen wasserdampffreie Atmosphäre geschaffen.
Dies wird dadurch erreicht, dass ein trockenes Gas, vorzugsweise ein Inertgas, in
den Werkzeugraum eingeleitet wird. Die Zuführung des trockenen Gases kann durch entsprechende
Zuführungen in den zwischen der Werkzeugmatrize und dem Werkzeugstempel befindlichen
Werkzeugraum oder über geeignete Gaszuführungen im Werkzeugstempel, im Blechhalter
oder in der Werkzeugmatrize erfolgen.
[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor und/oder nach dem eigentlichen
Umformvorgang, vorzugsweise vor und nach dem eigentlichen Umformvorgang, während das
Umformwerkzeug geöffnet ist oder geöffnet wird, das heißt während der Werkzeugstempel,
der Blechhalter und die Werkzeugmatrize voneinander entfernt werden oder bereits voneinander
entfernt sind und das umgeformte Aluminiumblech frei gegeben wird, eine höhere Menge
an trockenem Gas in den Werkzeugraum eingeleitet als bei geschlossenem Umformwerkzeug.
Bei geschlossenem Umformwerkzeug wird dagegen eine geringere Menge an trockenem Gas
eingeleitet.
[0011] Von Vorteil wird nur in dieser Phase trockenes Gas, beispielsweise Inertgas, zugeführt.
Die Inertgaszuführung erfolgt also im selben Takt wie das Umformwerkzeug geöffnet
und geschlossen wird.
[0012] In einer weiteren Ausführungsform befindet sich das Umformwerkzeug in einem Pressenraum.
Der Pressenraum bildet eine Einhausung um das Umformwerkzeug, wodurch das Umformwerkzeug
und der Werkzeugraum noch besser gegen den Eintritt von Feuchtigkeit geschützt werden.
Hierbei ist es weiterhin von Vorteil, auch den Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre
im Pressenraum niedrig zu halten. Es hat sich daher als günstig erwiesen, auch dem
Pressenraum ein trockenes Gas, zum Beispiel ein Inertgas, zuzuführen.
[0013] Die Anforderungen an die Wasserdampffreiheit im Pressenraum sind nicht so hoch wie
die an die Atmosphäre im Werkzeugraum. Aus ökonomischen Gründen kann daher das Inertgas,
welches zunächst dem Werkzeugraum zur Inertisierung zugeführt wurde, anschließend
zur Inertisierung des Pressenraums wiederverwendet werden.
[0014] In einer weiteren Variante werden die Werkzeugmatrize, der Blechhalter und/oder der
Werkzeugstempel mit einem kryogenen Fluid, insbesondere mit flüssigem Stickstoff gekühlt.
Hierzu sind in der Werkzeugmatrize, dem Blechhalter beziehungsweise in dem Werkzeugstempel
entsprechende Kühlkanäle vorgesehen, durch die das kryogene Fluid fließt. Das aus
der Werkzeugmatrize beziehungsweise aus dem Werkzeugstempel austretende kryogene Fluid
wird anschließend bevorzugt in gasförmigem Zustand in den Werkzeugraum und/oder den
Pressenraum geleitet.
[0015] Vorzugsweise werden Stickstoff oder Argon als Inertgas dem Werkzeugraum und / oder
dem Pressenraum zugeführt. Stickstoff hat hierbei den Vorteil, kostengünstig zu sein.
Argon hat den Vorteil, dass es schwerer als Luft ist und damit beim Öffnen und Schließen
des Umformwerkzeugs nicht so leicht entweicht.
[0016] Je nach Größe des Umformwerkzeugs kann ein das Umformwerkzeug einhausender Pressenraum
begehbar oder nicht begehbar ausgebildet sein. Im Falle eines begehbaren Pressenraums
ist es aus Sicherheitsgründen vorteilhaft, im Pressenraum eine sauerstoffhaltige Atmosphäre
vorzusehen. Von Vorteil wird daher dem Pressenraum ein wasserdampffreies Gasgemisch,
bevorzugt ein Gasgemisch bestehend aus Stickstoff und Sauerstoff, besonders bevorzugt
ein Gasgemisch bestehend aus 75bis 83 Vol-% Stickstoff und 17 bis 25 Vol-% Sauerstoff,
besonders bevorzugt synthetische Luft aus 79 Vol-% Stickstoff und 21 Vol-% Sauerstoff
zugeführt.
[0017] Es hat sich ebenfalls als günstig erwiesen, das Aluminiumblech vorzukühlen. Die Vorkühlung
kann beispielsweise durch Eintauchen in ein kryogenes Gas, insbesondere in flüssigen
Stickstoff, und/oder Besprühen mit einem kryogenen Gas, insbesondere mit flüssigem
Stickstoff, erfolgen.
[0018] Gemäß einer alternativen oder ergänzenden Aüsführungsform kann das Aluminiumblech
durch Kontakt mit mindestens einer gekühlten Platte vorgekühlt werden. Das Aluminiumblech
wird hierbei durch Kontaktkühlung mit einer Platte oder in der Regel zwischen zwei
Platten vorgekühlt. Diese Art der Vorkühlung hat den Vorteil, dass der Raumbedarf
relativ gering ist. Besonders vorteilhaft ist diese Kontaktkühlung, wenn die Platte(n)
durch ein kryogenes Fluid gekühlt wird/werden, welches durch Kühlkanäle in der Platte(n)
strömt. Das aus den Kühlkanälen austretende Fluid kann anschließend dem Werkzeugraum
und/oder dem Pressenraum zugeführt und damit weiterverwendet werden.
[0019] Die beschriebene Kontaktkühlung zwischen Platten ist langsamer im Vergleich zu einer
Direktkühlung durch Eintauchen oder Besprühen mit einem kryogenen Gas. Es ist daher
von Vorteil, mehrere solcher Kontaktkühler parallel vorzusehen. Ferner kann die Wärmeübertragung
von der oder den Platten auf das Aluminiumblech erhöht werden, indem man die Platten
und das Aluminiumblech zusammenpresst.
[0020] Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Details der Erfindung werden im Folgenden
anhand des schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Hierbei
zeigt die
- Figur
- eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0021] In der Figur ist schematisch eine Anlage zum Umformen von Aluminiumblechen 1 dargestellt.
Die Aluminiumbleche 1 werden hierbei entlang einer Transportbahn 2 durch die Anlage
transportiert oder mit Hilfe eines Roboters bewegt.
[0022] Zunächst werden die Aluminiumbleche 1 durch ein Bad 3 mit flüssigem Stickstoff geführt,
wobei die Aluminiumbleche 1 durch Wärmeaustausch mit dem flüssigen Stickstoff auf
eine Temperatur von beispielsweise -150°C, vorzugsweise auf -196°C, herabgekühlt werden.
Das Bad 3 kann aus einem Stickstofftank 4 oder einem anderweitigen Stickstoffbehälter
über Leitung 5 nachgefüllt werden. Das Bad 3 ist von einer Einhausung 6 umgeben, so
dass verdampfender Stickstoff nicht an die Umgebung verloren geht, sondern zunächst
von der Einhausung 6 aufgefangen wird. An die Einhausung 6 grenzt ein Pressenraum
7 an. Über eine Gasdurchtrittsöffnung 8 oder durch die Öffnung für das Transportband
2 kann gasförmiger Stickstoff aus der Einhausung 6 in den Pressenraum 7 strömen.
[0023] Das Bad 3 mit flüssigem Stickstoff kann man auch dazu nutzen, um pulverförmige Schmiermittel
auf den Aluminiumblechen 1 aufzubringen. Die pulverförmigen Schmierstoffe werden hierzu
dem flüssigen Stickstoff beigemischt.
[0024] Im Pressenraum 7 ist ein Umformwerkzeug 9 mit einer Werkzeugmatrize 10, einem Blechhalter
xx und einem Werkzeugstempel 11 vorgesehen. Zwischen der Werkzeugmatrize 10, dem Blechhalter
21 und dem Werkzeugstempel 11 befindet sich ein Werkzeugraum 12 zur Aufnahme der umzuformenden
Aluminiumbleche 1. Die Transportbahn 2 für die Aluminiumbleche 1 verläuft entsprechend
zunächst durch das Stickstoffbad 3 und anschließend durch den Pressenraum 6 und den
Werkzeugraum 12.
[0025] Das Umformwerkzeug 9 umfasst die drei Teile: Werkzeugmatrize 10, Blechhalter 21 und
Werkzeugstempel 11. Das Aluminiumblech 1 wird zwischen der Werkzeugmatrize 10 und
dem Blechhalter 21 eingeklemmt und dann vom Werkzeugstempel 11 in die Werkzeugmatrize
10 gezogen und dabei in die gewünschte Form gepresst. Hierzu können der Werkzeugstempel
11, der Blechhalter 21 und die Werkzeugmatrize 10 relativ zueinander bewegt werden.
[0026] Sowohl der Werkzeugstempel 11, der Blechhalter 21 als auch die Werkzeugmatrize 10
sind mit Kühlkanälen 13, 14, 22 versehen, durch die flüssiger Stickstoff aus dem Stickstofftank
4 geleitet wird. Der Werkzeugstempel 11, der Blechhalter 21 und die Werkzeugmatrize
10 werden dadurch ebenfalls auf kryogene Temperaturen von beispielsweise -150 °C heruntergekühlt.
Die Umformung der Aluminiumbleche 1 in dem Umformwerkzeug 9 erfolgt damit in einem
für die Umformung von Aluminium bevorzugten Temperaturbereich. Das Umformwerkzeug
kann weiterhin mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten thermischen Isolierung
versehen sein.
[0027] Der Werkzeugraum 12 wird im Takt des Umformwerkzeugs 9 mit Stickstoffgas inertisiert.
Hierzu wird der aus den Kühlkanälen 13, 14, 22 in der Werkzeugmatrize 10, dem Blechhalter
21 und dem Werkzeugstempel 11 austretende Stickstoff über Gaszuführungen 15, 16 in
den Werkzeugraum 12 geleitet. Jedes Mal wenn Werkzeugstempel 11, Blechhalter 21 und
Werkzeugmatrize 10 voneinander weg bewegt werden und den Werkzeugraum 12 frei geben,
wird der Werkzeugraum 12 über die Gaszuführungen 15, 16 mit Stickstoffgas gespült
und inertisiert. Eventuell vorhandene Feuchtigkeit wird aus dem Werkzeugraum 12 geblasen
und der Eintritt von Feuchtigkeit in den Werkzeugraum 12 wird verhindert.
[0028] Zusätzlich wird auch der Pressenraum 7 gegen den Eintritt von Feuchtigkeit abgeschirmt.
Hierzu wird ein Teil des aus den Kühlkanälen 13, 14, 22 austretenden Stickstoffs in
den Pressenraum 7 geleitet. Außerdem besteht zwischen der Einhausung 6 über dem Stickstoffbad
3 und dem Pressenraum 7 eine Verbindung 8, über die Stickstoffgas in den Pressenraum
7 übertreten kann. Schließlich ist eine Stickstoffzuführung 18 zur Zuführung von gasförmigem
Stickstoff aus dem Stickstofftank 4 vorgesehen.
[0029] Der Pressenraum 7 kann je nach Größe auch begehbar ausgeführt sein. Aus Sicherheitsgründen
ist es dann günstig, im Pressenraum 7 eine atembare Atmosphäre vorzusehen. Daher sind
ein Tank oder eine Gasflasche oder ein Flaschenbündel 19 mit Sauerstoff vorgesehen,
welche über eine Sauerstoffleitung 20 an den Pressenraum 7 angeschlossen sind. Über
die Sauerstoffleitung 20 wird dem Pressenraum 7 soviel Sauerstoff zugeführt, dass
im Pressenraum 7 eine Atmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von 21 Vol-% vorliegt.
Über die verschiedenen Stickstoffzuführungen 8, 15, 16, 17, 18 und die Sauerstoffzuführung
20 wird dem Pressenraum 7 damit im Ergebnis synthetische Luft mit 21 Vol-% Sauerstoff
und 79 Vol-% Stickstoff zugeführt. Das Betreten des Pressenraums 7 ist somit gefahrlos
möglich. Als zusätzliches Sicherheitsmerkmal ist ein Sauerstoffsensor vorgesehen,
mit dessen Hilfe der Sauerstoffgehalt im Pressenraum überwacht wird.
1. Verfahren zum Umformen eines Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung aufweisenden
Aluminiumblechs, wobei das Aluminiumblech mittels eines Umformwerkzeugs umgeformt
wird, wobei das Umformwerkzeug eine Werkzeugmatrize, einen Werkzeugstempel und einen
zwischen der Werkzeugmatrize und dem Werkzeugstempel befindlichen Werkzeugraum aufweist,
wobei die Werkzeugmatrize und/oder der Werkzeugstempel gekühlt werden,
- wobei das Aluminiumblech in den Werkzeugraum eingebracht wird,
- wobei die Werkzeugmatrize und der Werkzeugstempel zur Umformung des in dem Werkzeugraum
befindlichen Aluminiumblechs relativ auf einander zu bewegt werden, und
- wobei das Umformwerkzeug nach der Umformung des Aluminiumblechs durch Auseinanderbewegen
der Werkzeugmatrize und des Werkzeugstempels geöffnet und das umgeformte Aluminiumblech
entnommen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Werkzeugraum ein trockenes Gas zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug einen Blechhalter aufweist, wobei sich der Werkzeugraum zwischen
der Werkzeugmatrize, dem Werkzeugstempel und dem Blechhalter befindet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Werkzeugraum in dem Zeitraum, in dem das Umformwerkzeug ganz oder teilweise geöffnet
ist, mehr trockenes Gas zugeführt wird als in dem Zeitraum, in dem das Umformwerkzeug
geschlossen ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das trockene Gas in dem Zeitraum, bevorzugt nur in diesem Zeitraum, in dem das Umformwerkzeug
geöffnet wird oder geöffnet ist, dem Werkzeugraum zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Umformwerkzeug in einem Pressenraum befindet und dass dem Pressenraum ein
trockenes Gas zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Werkzeugraum und/oder dem Pressenraum ein Inertgas, Stickstoff oder Argon als
trockenes Gas zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das trockene Gas zuerst dem Werkzeugraum und anschließend dem Pressenraum zugeführt
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Pressenraum ein wasserdampffreies Gasgemisch, bevorzugt ein Gasgemisch bestehend
aus Stickstoff und Sauerstoff, besonders bevorzugt ein Gasgemisch bestehend aus 75
bis 83 Vol-% Stickstoff und 17 bis 25 Vol-% Sauerstoff, zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmatrize und/oder der Blechhalter und/oder der Werkzeugstempel Kühlkanäle
aufweisen, dass ein kryogenes Fluid, insbesondere flüssiger Stickstoff, durch die
Kühlkanäle geleitet wird und dass das aus den Kühlkanälen austretende kryogene Fluid
dem Werkzeugraum und/oder dem Pressenraum zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumblech vor der Umformung vorgekühlt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumblech durch Eintauchen in ein kryogenes Gas, insbesondere in flüssigen
Stickstoff, und/oder Besprühen mit einem kryogenen Gas, insbesondere mit flüssigem
Stickstoff, vorgekühlt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumblech durch Kontakt mit mindestens einer gekühlten Platte vorgekühlt
wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Platte mit einem kryogenen Gas, insbesondere flüssigem Stickstoff, gekühlt
wird.