[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von gehärteten
Formbauteilen, insbesondere von Struktur- oder Karosseriebauteilen von Kraftfahrzeugen.
[0002] Zur Gewichtsreduzierung und zur Erhöhung der Crashfestigkeit werden in der Automobilindustrie
hochfeste Stahlbleche eingesetzt, die zu Formbauteilen warm umgeformt und pressgehärtet
werden. Die Warmumformung und Presshärtung von Metallblechen als solches ist bekannt,
beispielsweise durch die
DE 24 524 86 A1. Hierbei wird eine Metallplatine bis auf eine Temperatur im spezifischen Austenitisierungstemperaturbereich
des Werkstoffs, das heißt auf eine Temperatur über der Umwandlungstemperatur AC1,
vorzugsweise größer als AC3, in einer Wärmebehandlungsanlage erwärmt, anschließend
in ein Pressenwerkzeug eingelegt und umgeformt. Im Pressenwerkzeug eingespannt werden
die Formbauteile durch Kühlung gehärtet.
[0003] Bei der für die Härtung notwendigen Kühlung unterscheidet man zwischen indirekter
Kühlung und direkter Kühlung.
[0004] Die indirekte Kühlung erfolgt über Kühlkanäle, welche in Form von Bohrungen oder
Schlitzen (Schachtkühlung) in einem definierten Abstand zur Umformoberfläche in das
Werkzeug eingebracht sind. Durch diese Kanäle fließt ein Kühlmittel, in der Regel
Wasser, das die von dem warmen Formbauteil an das Werkzeug abgegebene Wärme nach außen
abführt.
[0005] Bei der direkten Kühlung wird das Formbauteil im Warmformwerkzeug direkt mit Kühlmedium
in Kontakt gebracht. Bei dem aus der
DE 10 2005 028 010 B3 bekannten Warmformwerkzeug befindet sich das Unterwerkzeug der Presse innerhalb eines
Flüssigkeitsbades. Dabei können sowohl Teile der Formgeometrie als auch die gesamte
Formgeometrie unterhalb des Flüssigkeitsspiegels liegen. Das warm zu formende und
zu härtende Blechprofil wird oberhalb des Flüssigkeitsspiegels aufgelegt und beim
Zufahren der Presse durch das Oberwerkzeug in das Flüssigkeitsbad eingetaucht und
in das Unterwerkzeug tiefgezogen.
[0006] Eine direkte Kühlung in einem Warmformwerkzeug ist weiterhin aus der
DE 26 03 618 A1 bekannt. In der Umformfläche von Unter- und Oberwerkzeug sind konzentrische Ringnuten
eingebracht, in die durch die Werkzeuge hindurch geführte Kanäle münden. Durch diese
Kanäle wird eine Kühlflüssigkeit bis in die Ringnuten zum direkten Kontakt mit einem
zu härtenden Blechprofil geführt. Diese direkte Kühlung lässt zumindest theoretisch
eine verbesserte Kühlung erwarten, da die Kühlflüssigkeit in unmittelbaren Kontakt
mit dem Formbauteil gelangt.
[0007] Einen wesentlichen Einfluss auf den Wärmeübergang und die Wärmeabfuhr hat in der
Praxis der Kontaktdruck bzw. haben die Kontaktbedingungen zwischen dem Formbauteil
und dem Warmformwerkzeug. Die Werkzeuge werden mit CNC-Maschinen bis auf hundertstel
Millimeter genau gefertigt und anschließend tuschiert, um die Spalte zwischen Formbauteil
und Werkzeug so gering wie möglich zu halten. Trotz aller Bemühungen kommt es in Bereichen
in denen Bauteilabstreckungen erfolgen oder in Bereichen steiler Zargen zu Luftspalten
zwischen Bauteil und Werkzeug, die stark isolierend wirken, so dass hier der Wärmübergang
leidet. Auch verschleißbedingt lassen sich Luftspalte zwischen Bauteil und Werkzeug
nicht vermeiden.
[0008] Aus der
DE 26 03 618 A1 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Werkstücks aus Stahl bekannt, bei dem
das Werkstücks erwärmt, anschließend im Formhohlraum zwischen zwei Formbacken warm
umgeformt und durch Kontakt mit Kühlflüssigkeit im Formhohlraum gehärtet wird. Das
Kühlmittel wird dabei durch Kanäle in den Formhohlraum geleitet, wodurch das Werkstück
von der Kühlflüssigkeit umspült und abgeschreckt wird.
[0009] Als Kühlmittel bzw. -flüssigkeit wird überwiegend Wasser verwendet, dessen hohe Verdampfungsenthalpie
den Kühlvorgang begünstigt. Je nach Höhe der Oberflächentemperatur am Formbauteil
treten beim Kontakt zwischen Kühlmittel und Formbauteil unterschiedliche Siedephänomene
auf. Bei den hohen Oberflächentemperaturen verdampft das Wasser und es bildet sich
auf der Formbauteiloberfläche ein Dampffilm aus, der aufgrund der gegenüber der Flüssigkeit
wesentlich geringeren Wärmeleitfähigkeit isolierend wirkt. Im Bereich des Filmsiedens
kühlt das Formbauteil daher nur langsamer ab. Wenn die zu kühlende Oberfläche die
sogenannte Leidenfrosttemperatur unterschreitet, kommt es lokal und unregelmäßig verteilt
über der Formbauteilfläche zu direktem Kontakt zwischen Flüssigkeit und Formbauteil.
Der abgeführte Wärmestrom steigt in diesen Bereichen. Sobald die Temperatur des Kühlmittels
die Siedetemperatur unterschreitet, findet keine Verdampfung mehr statt und die Wärme
wird bei völlig benetzter Formbauteiloberfläche konvektiv übertragen. Die vorgeschilderten
Siedephänomene bzw. Phasenzustände des Kühlmittels während der Kühlung können zu lokal
sowie zeitlich unterschiedlichen und nicht kontrollierbaren Abkühlvorgängen am Formbauteil
führen. Dies wirkt sich auf die Bauteileigenschaften und letztendlich auf die Produktqualität
aus.
[0011] Der Erfindung liegt, ausgehend vom Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Herstellung von gehärteten Formbauteilen weiterzuentwickeln,
um die Effizienz des Wärmeübergangs zu steigern und somit die Kühlwirkung zu verbessern
sowie um die Werkstoffkennwerte der Formbauteile differenziert und prozesssicher sowie
reproduzierbar einstellen zu können. Weiterhin zielt die Erfindung darauf ab, eine
Vorrichtung zur Herstellung von gehärteten Formbauteilen anlagentechnisch zu verbessern.
[0012] Eine erste Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe besteht nach Anspruch 1
in einem Verfahren, bei dem die Formbauteile im Warmformwerkzeug durch direkte Kühlung
mittels eines Kühlmittels gehärtet werden. Erfindungsgemäß wird das Formbauteil zumindest
teilweise mit einem Kühlmittel gekühlt, dessen Druck oberhalb des Dampfdrucks des
Kühlmittels liegt, wobei das Kühlmittel mit einem Druck von bis zu 25 MPa in den Formraum
eingebracht wird.
[0013] Ungewollte Luftpolster bzw. Luftspalte im Warmformwerkzeug können beispielsweise
durch Verschleiß am Formwerkzeug oder in Folge von Herstellungstoleranzen im Werkzeugbau
hervorgerufen werden. Um den Kontakt und somit die Wärmeabfuhr vom Formbauteil zum
Warmformwerkzeug zu verbessern, wird der ungewollte Luftspalt zwischen Formbauteil
und Werkzeug bzw. den Kontaktflächen im Formraum des Werkzeugs geschlossen, indem
Kühlmittel mit einem Druck oberhalb des Dampfdrucks des Kühlmittels in den Formraum
bzw. in den Werkzeugspalt zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug eingebracht wird.
Dieser Aspekt der Erfindung zielt folglich auf den Erhalt einer stabilen Flüssigphase
des Kühlmittels beim Abkühlvorgang ab. Das Verdampfen des Kühlmittels wird durch das
Arbeiten in einem erhöhten Druckbereich oberhalb der Dampfkurve verhindert. Durch
das in den Formraum bzw. die Spalte zwischen dem Formbauteil und den Kontaktflächen
des Werkzeugs eingebrachte Kühlmittel wird der Wärmeübergang im Gegensatz zu den sonst
vorhandenen Luftpolstern extrem heraufgesetzt. Der Wärmeübergang entspricht nun idealer
Weise dem bei gutem Werkzeugkontakt.
[0014] Die Beaufschlagung des Formbauteils mit Kühlmittel im Formraum, um dieses zu kühlen
und zu härten, kann vollflächig über die gesamte Bauteiloberfläche oder partiell auf
bestimmte Bereiche des Formbauteils beschränkt erfolgen. Man erhält so ein vollständig
pressgehärtetes Formbauteil oder ein partiell gehärtetes bzw. partiell unterschiedlich
gehärtetes Formbauteil. Es ist auch möglich verschiedene Bereiche des Formbauteils
unterschiedlich zu kühlen und so diesen Bereichen voneinander verschiedene Härtewerte
und Festigkeitseigenschaften zu verleihen.
[0015] Das Kühlmittel wird mit einem Druck von bis zu 25 MPa in den Formraum eingebracht
und zwar mit sehr hohen Volumenströmen. Auch kann die Zeitdauer der Kühlmittelzufuhr
und/oder die Höhe des Drucks variiert werden. Für die Praxis ist davon auszugehen,
dass der Mindestdruck 6 MPa betragen sollte. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Vordruck
von kleiner als 6 MPa eine unvollständige Wärmeübertragung zu einer signifikanten
Verringerung der Abkühlung des Werkstücks und damit der Festigkeit des fertigen Hohlformbauteils
führt.
[0016] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Bauteiltemperatur des Formbauteils
im Formraum gemessen. Weiterhin kann auch die Werkzeugtemperatur im Bereich der Kontaktflächen
des Formraums gemessen werden. In Abhängigkeit von der Bauteiltemperatur und/oder
der Werkzeugtemperatur wird der Anfangszeitpunkt und der Endzeitpunkt der Kühlmittelzufuhr
gesteuert.
[0017] Weiterhin ist in einer Verfahrensmodifikation vorgesehen, dass die Kühlmittelverteilung
im Formraum variabel steuerbar ist. Hierbei können bestimmte (erste) Bereiche des
Formbauteil mit Kühlmittel beaufschlagt werden und andere (zweite) Bereiche des Formbauteils
nicht. Auch können von einander verschiedene Bereiche zeitlich versetzt mit Kühlmittel
beaufschlagt werden, um so gezielt bzw. differenziert die Werkstoffeigenschaften in
diesen Bereichen bauteilgerecht einzustellen.
[0018] Insbesondere wenn das Bauteil in Bereichen unterschiedlich gekühlt wird, ist es von
Vorteil, wenn das Formbauteil nach der Entnahme aus dem Warmformwerkzeug in einer
Abkühlstation fixiert gehalten wird. Hierdurch kann ein Verzug des Formbauteils in
Folge von Wärmespannungen vermieden werden.
[0019] Zur gezielten Einstellung des Aggregatzustandes des Kühlmittels wird der Druck mit
dem das Kühlmittel in den Formraum eingebracht bzw. gespritzt wird während der Kühlphase
steuerungstechnisch an den Dampfdruck des Kühlmittels angepasst. Je nach Einspritzdruck
ist es möglich im Werkzeugspalt eine Wasserschicht mit guter Wärmeleitung oder einen
Nassdampf mit anderer Wärmeleitfähigkeit zu erzeugen.
[0020] Der Druck kann - wie vorstehend bereits herausgestellt - zeitgesteuert und/oder temperaturgesteuert,
insbesondere in Abhängigkeit einer Temperaturmessung am Formbauteil im Warmformwerkzeug
und/oder am Warmformwerkzeug selbst eingestellt werden.
[0021] Das Kühlmittel kann des Weiteren intermittierend in den Formraum gespritzt werden.
Hierdurch stehen zwei regelungstechnisch auch im Rahmen einer Massenfertigung rationell
umsetzbare Parameter - Impulsdauer und Frequenz - zur Verfügung. Durch gezielte Steuerung
der Kühlmittelmenge pro Impuls und deren zeitliche Abfolge können hohe Wärmeströme
abgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist die Steuerung derart, dass ein Impuls
pro Pressendruck bzw. Werkzeughub realisiert wird.
[0022] Eine Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in einem Warmformwerkzeug
mit den Merkmalen von Anspruch 5.
[0023] Das Warmformwerkzeug umfasst ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug. Im Ober- und/oder
Unterwerkzeug sind Zuflusskanäle vorgesehen, über welche ein Kühlmedium in den zwischen
Oberwerkzeug und Unterwerkzeug ausgebildeten Formraum bzw. den Werkzeugspalt des geschlossenen
Formraums leitbar ist. Der Aggregatzustand des Kühlmittels ist einstellbar. Dies erfolgt
über eine Steuerung der Höhe des Druckes mit dem das Kühlmittel in den Formraum während
des Kühlprozesses eingespritzt bzw. gepresst wird. Hierzu sind dem Warmformwerkzeug
alle notwendigen steuerungs- und regeltechnischen Apparate und Aggregate zugeordnet,
insbesondere eine Hochdruckpumpe, ein Druckübersetzer, einen Hochdruckspeicher, eine
Einspritzsteuerung und/oder eine Kühlmittelmengensteuerung.
[0024] Das Kühlmittel ist mit einem Druck in den Formraum einspritzbar, wobei die Höhe des
Drucks und/oder die Einspritzdauer des Kühlmittels steuerbar sind.
[0025] Im Oberwerkzeug und/oder im Unterwerkzeug sind Versorgungsleitungen für das Kühlmittel
vorgesehen. Von den Versorgungsleitungen zweigen Einspritzleitungen ab, die in dem
Formraum münden. Mündungsseitig können die Einspritzleitungen Düsen aufweisen, vorzugsweise
münden die Einspritzleitungen mit dünnen Öffnungen ohne integrierte Düsen in den Formraum.
[0026] Bei einer Modifikation des Warmformwerkzeugs sind in den Kontaktflächen des Formraums
Mittel zur Beeinflussung der Wärmeübertragung angeordnet. Bei solchen Mitteln kann
es sich insbesondere um Heizelemente, Freimachungen, Luftspalte, Einsätze aus Materialien
mit geringerer oder höherer Wärmeleitfähigkeit oder Keramikeinsätze handeln. Diese
Ausgestaltung ist insbesondere für die Herstellung von partiell unterschiedlich gehärteten
Formbauteilen geeignet, wobei entweder gezielt ein Luftübergang im Luftpolster mit
minimaler Wärmeübertragung oder eben ein größtmöglicher Wärmeübergang durch Einspritzen
des Kühlmittels realisiert werden kann.
[0027] Eine vorteilhafte Weiterbildung des Warmformwerkzeugs sieht vor, dass eine Mess-
und Auswerteeinheit vorgesehen ist, mittels der der Verschleißzustand des Warmformwerkzeugs
bzw. des Oberwerkzeugs und/oder des Unterwerkzeugs ermittelbar ist. Der Verschleißzustand
kann insbesondere durch Auswertung der Betriebsdrücke, des Kühlmittelvolumens und/oder
der an Überdruckventilen gemessenen Ablassmengen des Kühlmittels ermittelt werden.
Die Verschleiß- bzw. Zustandsermittlung des Warmformwerkzeugs ermöglicht eine Werkzeugsinstandhaltungsplanung.
[0028] Das Warmformwerkzeug weist ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug auf. Das Kühlmittel
wird über ein Kühlsystem bereitgestellt und über Zuflusskanäle, die im Oberwerkzeug
und/oder Unterwerkzeug vorgesehen sind, in den zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug
ausgebildeten Formraum eingeleitet. Das Kühlsystem umfasst wenigstens einen Druckerzeuger,
wobei der Druckerzeuger zumindest mittelbar durch das Warmformwerkzeug, also das Oberwerkzeug
und/oder das Unterwerkzeug, angetrieben ist. Besonders bevorzugt ist der Druckerzeuger
ein Energieumformer in Form einer Kolben-Zylinder-Einheit.
[0029] Als Volumenpuffer und Energiespeicher ist ein Druckspeicher in das Kühlsystem integriert.
Insbesondere kommt ein hydropneumatischer Druckspeicher in Form eines Blasenspeichers,
eines Membranspeichers oder eins Kolbenspeichers zur Anwendung.
[0030] Der hydropneumatische Druckspeicher ist ein hydraulisches Bauteil, welches sich die
Kompressibilität von Gas, in der Regel Stickstoff, zu Nutze macht, um im Kühlsystem
Druck und Volumen des inkompressiblen Kühlmediums zu speichern. Der Druckspeicher
besteht aus einem hochfesten Stahlbehälter. Der Flüssigkeits- und der Gasteil sind
durch ein gasdichtes Trennelement (Blase oder Membrane) getrennt. Der Flüssigkeitsraum
des Druckspeichers steht mit dem Kühlsystem in Verbindung. Bei Anstieg des Drucks
strömt Kühlmittel in den Flüssigkeitsraum und komprimiert damit das im Gasraum befindliche
Gas (Stickstoff). Beim Absinken des Drucks expandiert das verdichtete Gas und stellt
somit die gespeicherte Energie dem Kühlsystem zur Verfügung.
[0031] Die Grundversorgung des Kühlsystems mit Kühlmittel erfolgt über eine Vorfüllpumpe.
Die Vorfüllpumpe führt Kühlmittel zum Druckerzeuger. Hierzu sind die Vorfüllpumpe
und der Druckerzeuger über eine Leitung verbunden, in welche ein Rückschlagventil
integriert ist.
[0032] Der Druckerzeuger füllt den Druckspeicher während der Schließbewegung des Warmformwerkzeugs.
Hierzu ist der bzw. Druckerzeuger vorzugsweise mit dem Oberwerkzeug des Warmformwerkzeugs
mechanisch gekoppelt. Zur Kühlung des umgeformten Formbauteils am Ende der Schließbewegung
des Warmformwerkzeugs bzw. des Oberwerkzeugs wird die Kühlmittelzufuhr geöffnet und
man entnimmt Kühlmittel aus dem Druckspeicher. Der Druckspeicher stellt damit die
Zufuhr von unter hohem Druck von bis zu 25 MPa stehenden Kühlmittel in das Warmformwerkzeug
sicher.
[0033] Die Druckerzeugung innerhalb des Kühlsystems erfolgt mithin vollständig oder zumindest
teilweise durch das Warmformwerkzeug selbst. Hierzu wird die Bewegung des Oberwerkzeugs
und/oder des Unterwerkzeugs beim Schließen und Öffnen zum Antrieb bzw. zur Betätigung
des Druckerzeugers genutzt.
[0034] Natürlich ist es auch vorstellbar, dass das Kühlsystem ergänzend auch durch die Vorfüllpumpe
selbst auf einen Mindestdruck gehoben wird, wobei dies eine Hochdruckpumpe mit geringem
Volumendurchsatz und entsprechend hohen Verlusten im Dauerbetrieb nach sich ziehen
würde.
[0035] Weiterhin möglich ist, dass die Kolben-Zylinder-Einheit anstelle der werkzeugintegrierten
Ausführung unterhalb der Presse bzw. des Warmformwerkzeugs positioniert ist aber dennoch
mittelbar durch den Pressendruck betätigt wird.
[0036] Eine weitere Ausführungsvariante stellt sich dadurch dar, dass eine Hochdruckpumpe
welche die Funktion des Druckerzeugers übernimmt zwischen Vorderpumpe und Druckspeicher
positioniert ist.
[0037] Möglich ist auch, dass eine Vorfüllpumpe außerhalb des Werkzeugs positioniert und
unabhängig vom Pressenhub gesteuert betrieben wird.
[0038] Vorzugsweise sind zwei oder mehr Druckerzeuger vorgesehen. Die Kühlmittelzuführung
zum Oberwerkzeug und zum Unterwerkzeug erfolgt vorzugsweise getrennt voneinander,
so dass zwei Teilkühlsysteme vorgesehen sind. Auf diese Weise werden das Oberwerkzeug
und das Unterwerkzeug unabhängig voneinander mit Kühlmittel versorgt, so dass keine
Hochdruckleitungen direkt zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug verlegt
werden müssen.
[0039] Bei einem für die Praxis besonders vorteilhaften Warmformwerkzeug sind der Druckerzeuger
und der Druckspeicher kühlmittelleitend miteinander verbunden, wobei in die Verbindungsleitung
zwischen Druckerzeuger und Druckspeicher ein Überdruckventil und vorzugsweise ein
weiteres Rückschlagventil integriert sind.
[0040] Für die Praxis ist es vorteilhaft, wenn in das Kühlsystem und den Kühlmittelkreislauf
eine Filtereinrichtung integriert ist. Des Weiteren können im Kühlsystem ein Wärmetauscher
und/oder ein Kühler vorgesehen sein. Dieser ist vor oder nach der Filtereinrichtung
geschaltet oder auch in einem Filterbecken angeordnet.
[0041] Gebrauchtes Kühlmittel tritt aus dem Warmformwerkzeug aus und wird in einem Auffangsystem
aufgenommen und der Wiedernutzung zugeführt.
[0042] Die Erfindung ist nachfolgend mit Bezug auf die Figuren und durch Erläuterung von
verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Figuren zeigen:
- Figur 1
- schematisch eine erste Ausführungsform eines Warmformwerkzeuges in einer vertikalen
Schnittdarstellung;
- Figur 2
- schematisch eine zweite Ausführungsform eines Warmformwerkzeuges in einer vertikalen
Schnittdarstellung;
- Figur 3
- die Dampfdruckkurve von Wasser;
- Figur 4
- die Dampfdruckkurve von Wasser mit der Darstellung von zwei Punkten unterschiedlicher
Druckhöhe bei denen unterschiedliche Aggregatzustände des Wassers vorliegen;
- Figur 5
- ein Warmformwerkzeug entsprechend der Figur 2 in der Offenstellung mit der Darstellung
des Kühlsystems;
- Figur 6
- das Warmformwerkzeug entsprechend der Figur 5 in der Schließstellung und
- Figur 7
- eine Variante des Warmformwerkzeugs wie in der Figur 5 dargestellt.
[0043] Figur 1 zeigt ein Warmformwerkzeug 1. Das Warmformwerkzeug 1 umfasst im Wesentlichen
ein Oberwerkzeug 2 und ein Unterwerkzeug 3, die relativ zueinander verlagerbar sind
und zwischen denen ein Formraum 4 ausgebildet ist.
[0044] Im Formraum 4 eingespannt erkennt man ein umgeformtes Formbauteil 5 aus Stahl. Der
beim geschlossenen Formraum 4 zwischen Oberwerkzeug 2 und Unterwerkzeug 3 ausgebildete
Werkzeugspalt ist mit 6 bezeichnet. Zur Herstellung des Formbauteils 5 ist eine Platine
aus härtbarem Stahl auf eine Härtetemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur
erwärmt, dann in das Warmformwerkzeug 1 überführt und umgeformt worden. Im Formraum
4 eingespannt wird das Formbauteil 5 durch eine schnelle Abkühlung unterhalb der Martensit-Starttemperatur
abgekühlt und gehärtet.
[0045] Im Oberwerkzeug 2 und im Unterwerkzeug 3 sind Versorgungsleitungen 7 vorgesehen,
von denen Einspritzleitungen 8 zum Formraum 4 abgehen. Zur Kühlung des Formbauteils
5 wird Kühlmittel KM, in der Regel Wasser, von den Versorgungsleitungen 7 über die
Einspritzleitungen 8 in den Formraum 4 bzw. den Werkzeugspalt 6 und in zwischen dem
Formbauteil 5 und den Kontaktflächen 9 des Formraums 4 vorhandene Luftspalte 10 eingespritzt.
Zum Warmformwerkzeug 1 gehören weiterhin hier nicht dargestellte Druckerzeuger und/oder
ein Druckspeicher sowie Steuer- und Regelgeräte für die Einstellung des Kühlmitteldrucks
sowie der Kühlmittelmenge, der Zeitdauer der Kühlmittelzufuhr und Temperaturmesselemente.
[0046] Im Formraum 4 erfolgt eine direkte Kühlung durch Einspritzen bzw. Einpressen von
Kühlmittel KM und dem Kontakt des Kühlmittels KM mit dem Formbauteil 5. Die Kühlmittelversorgung
einschließlich der Versorgungsleitung 7, der Einspritzleitung 8 und der zugehörigen
drucktechnischen Apparate und Geräte gehören zu einem ersten Kühlsystem. Das erste
Kühlsystem arbeitet im Hochdruckbereich, wobei der Druck und der Aggregatzustand des
Kühlmittels KM einstellbar sind.
[0047] Im Oberwerkzeug 2 und im Unterwerkzeug 3 erkennt man ferner Kühlkanäle 11. Diese
gehören zu einem zweiten Kühlsystem, über welches eine indirekte Kühlung des Formbauteils
5 erfolgt. Durch die Kühlkanäle 11 wird ein Kühlmittel geführt, das die von dem warmen
Formbauteil 5 an das Warmformwerkzeug 1 bzw. das Oberwerkzeug 2 und das Unterwerkzeug
3 abgegebene Wärme aufnimmt und nach außen abführt. Als Kühlmittel kommt auch hier
bevorzugt Wasser zum Einsatz. Vorzugsweise wird das Kühlmittel beim zweiten Kühlsystem
in einem Kühlkreislauf mit Rückkühlung geführt. Während das Kühlmittel KM im ersten
Kühlsystem unter Hochdruck steht, liegt das Kühlmittel im zweiten Kühlsystem mit Betriebsdrücken
von bis zu 0,6 MPa vor.
[0048] Das in der Figur 2 dargestellte Warmformwerkzeug 12 entspricht vom grundsätzlichem
Aufbau mit Oberwerkzeug 2 und Unterwerkzeug 3 dem zuvor anhand Figur 1 erläuterten
Warmformwerkzeug 1. Demzufolge sind einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilkomponente
mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Auf eine nochmalige Erläuterung wird verzichtet.
[0049] Das Warmformwerkzeug 12 unterscheidet sich vom Warmformwerkzeug 1 dadurch, dass eine
indirekte Kühlung entfällt und im Oberwerkzeug 2 und im Unterwerkzeug 3 keine separaten
Kühlkanäle vorgesehen sind, über welche Wärme vom Warmformwerkzeug 12 abgeführt wird.
[0050] Die Figuren 5 und 6 zeigen ein Warmformwerkzeug 12 - wie auch anhand der Figur 2
erläutert - zusammen mit einem Kühlsystem KS. Die Figur 5 zeigt das Warmformwerkzeug
12 in der Offenstellung. Die Figur 6 zeigt das Warmformwerkzeug 12 in der Schließstellung
mit umgeformten und eingespannten Formbauteil 5.
[0051] Das Warmformwerkzeug 12 weist, wie vorstehend beschrieben, ein Oberwerkzeug 2 und
ein Unterwerkzeug 3 auf, die relativ zueinander verlagerbar sind und zwischen denen
ein Formraum 4 ausgebildet ist.
[0052] Im Oberwerkzeug 2 und im Unterwerkzeug 3 sind Versorgungsleitungen 7 vorgesehen,
von denen Einspritzleitungen 8 abgehen, die in den Formraum 4 münden. Das Kühlmittel
KM wird über ein Kühlsystem KS bereitgestellt. Zum Kühlsystem KS gehören Druckerzeuger
13 und ein Druckspeicher 14 nebst steuer- und regeltechnischen Apparaten und Geräten
sowie Absperrorgane und eine Vorfüllpumpe 15.
[0053] Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Kühlsystem KS zwei Druckerzeuger
13 auf in Form von Kolben-Zylinder-Einheiten 16, 17. Diese sind antriebstechnisch
mit dem Warmformwerkzeug 12 gekoppelt und werden durch das Oberwerkzeug 2 betätigt.
Die Kolben-Zylinder-Einheiten 16, 17 bestehen jeweils im Wesentlichen aus einem Zylinder
18 mit einem darin geführt verlagerbaren Kolben 19 sowie einer Kolbenstange 20, die
mechanisch mit dem Oberwerkzeug 2 in Verbindung steht. Die Kolben-Zylinder-Einheiten
16, 17 sind untereinander synchronisiert, wobei die Zylinderräume 21 kühlmittelleitend
kommunizieren. Durch die Kommunikation der Drucksysteme auf allen Seiten kann insbesondere
bei einer Fehlfunktion, wie zum Beispiel einer Undichtigkeit in einem der Druckhaltesysteme
eine Verkeilung der Presse unterbunden werden.
[0054] Die Vorfüllpumpe 15 versorgt das Kühlsystem KS mit Kühlmittel KM und sorgt für den
nötigen Vordruck. Durch die Vorfüllpumpe 15 wird das Kühlmittel KM über eine Zuführleitung
22 in den Zylinderraum 21 der Kolben-Zylinder-Einheit 16 überführt (Pfeil P1). In
die Zuführleitung 22 ist ein Rückschlagventil 23 integriert. Das Rückschlagventil
23 erlaubt den freien Durchfluss des Kühlmittels KM in Richtung zum Druckerzeuger
13 bzw. der Kolben-Zylinder-Einheit 16 und sperrt ihn in der umgekehrten Richtung.
In die Zuführleitung 22 zwischen Vorfüllpumpe 15 und Rückschlagventil 23 ist des Weiteren
ein Überdruckventils 30 integriert.
[0055] Die Vorfüllpumpe 15 liefert kontinuierlich Kühlmittel KM in die Druckerzeuger 13.
Die Vorfüllpumpe 15 kann kontinuierlich laufen, was die Standzeit erhöht, weil die
An- und Abschaltvorgänge minimiert werden können.
[0056] Von der Kolben-Zylinder-Einheit 16 wird das Kühlmittel KM über eine Hauptversorgungsleitung
24 in die Versorgungsleitungen 7 im Oberwerkzeug 2 und im Unterwerkzeug 3 überführt.
In der Hauptversorgungsleitung 24 ist ein Schließventil 25 angeordnet, über welches
die Zufuhr von Kühlmittel KM zum Warmformwerkzeug 12 geöffnet bzw. geschlossen werden
kann.
[0057] Der Druckspeicher 14 ist an die Hauptversorgungsleitung 24 angeschlossen. In die
Hauptversorgungsleitung 24 ist zwischen dem Druckerzeuger 13 bzw. der Kolben-Zylinder-Einheit
16 und dem Druckspeicher 14 vorgeschaltet ein Überdruckventil 26 und ein Rückschlagventil
27 integriert.
[0058] Der Druckspeicher 14 ist ausgeführt als Blasenspeicher und fungiert als Volumenpuffer
und Energiespeicher. Der Druckspeicher 14 besteht aus einem hochfesten Stahlbehälter
28. Im Stahlbehälter 28 ist eine geschlossene, elastische Speicherblase 29 integriert.
Die Speicherblase 29 ist mit Gas, in der Regel Stickstoff, befüllt. Durch die Speicherblase
29 werden das Gas und das Kühlmittel KM voneinander getrennt.
[0059] Auch wenn in dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel nur ein Druckspeicher 14 nebst
Steuer- und Ventilorganen dargestellt ist, ist in der Praxis eine symmetrische Auslegung
des Kühlsystems KS zweckmäßig. Demnach ist auch der in der Bildebene links dargestellte
Druckerzeuger 13 in Form der Kolben-Zylinder-Einheit 17 mit den vorerläuterten Ventilen
sowie einem Druckspeicher 14 ausgerüstet sowie mit Leitungen zum Überführen des Kühlmittels
KM in die Versorgungsleitungen 7. Die Arbeitsweise und das Funktionsprinzip zur Herstellung
von gehärteten Formbauteilen werden im Folgenden beschrieben.
[0060] Die Figur 5 zeigt das Warmformwerkzeug 12 in der Offenstellung. In der Figur 6 erkennt
man die Schließstellung des Warmformwerkzeugs 12. Beim Hochfahren des Oberwerkzeugs
2 wird Kühlmittel KM über die Vorfüllpumpe 15 in die Druckerzeuger 13 gepumpt (Pfeil
P1) oder über die Zuführleitung 22 aus einem hier nicht dargestellten Kühlmittelbehälter
eingesaugt. Zum Füllen des Kühlsystems KS mit Kühlmittel KM kann auch die Schwerkraft
ausgenutzt werden, wenn der Kühlmittelbehälter oberhalb des Warmformwerkzeugs 12 angeordnet
ist. Auch eine Kombination zwischen der Ausnutzung des geodätischen Drucks und dem
Ansaugen des Kühlmittels KM über die Kolben-Zylinder-Einheiten 16, 17 ist möglich.
Während dieser Phase ist der Druckspeicher 14 entspannt. Das Schließventil 25 ist
geschlossen.
[0061] Eine Metallplatine, insbesondere eine Platine aus härtbarem Stahl, wird bis auf eine
Temperatur im spezifischen Austenitisierungstemperaturbereich des Werkstoffs erwärmt
und anschließend in den Formraum 4 des Warmformwerkzeugs 12 auf das Unterwerkzeug
3 aufgelegt.
[0062] Das Warmformwerkzeug 12 wird geschlossen. Hierzu wird das Oberwerkzeug 2 nach unten
in Richtung zum Unterwerkzeug 3 bewegt. Bei der Schließbewegung werden die Kolben
19 der Kolben-Zylinder-Einheiten 16, 17 im Zylinder 18 abwärts bewegt. Hierbei wird
Kraft auf das Kühlmittel KM in den Zylinderräumen 21 der Kolben-Zylinder-Einheiten
16, 17 ausgeübt, was zu einem Druckanstieg führt. Das Kühlmittel KM wird aus den Zylindern
18 über die Hauptversorgungsleitung 24 in Richtung zum Warmformwerkzeug 12 in den
Druckspeicher 14 gedrückt (Pfeil P2). In der Praxis kann der Blasenvordruck bis zu
25 MPa, beispielsweise 13 MPa, betragen. Der Druck in den Druckspeichern 14 kann variieren,
da diese während des Kühlmittelversorgungszyklusses nicht immer vollständig entleert
werden. Zur Verhinderung eines Überdrucks im Druckspeicher 14 ist das Überdruckventil
26 vorgesehen. Das Rückschlagventil 27 verhindert einen Rückfluss vom Druckspeicher
14 in Richtung des vorgeschalteten Druckerzeugers 13.
[0063] Es hat sich gezeigt, dass bei einem Vordruck von kleiner als 6 MPa eine unvollständige
Wärmeübertragung zu einer signifikanten Verringerung der Abkühlung des Werkstücks
und damit der Festigkeit des fertigen Formbauteils 5 führt.
[0064] Durch Schließen des Warmformwerkzeugs 12 wird die Platine im warmen Zustand umgeformt.
Nach Beendigung der Schließbewegung ist das Formbauteil 5 fertig geformt, der Umformvorgang
also abgeschlossen. Mit Beendigung der Schließbewegung wird das Schließventil 25 geöffnet
und Kühlmittel KM wird durch Entspannen des Druckspeichers 14 über die Hauptversorgungsleitung
24 sowie die Versorgungsleitungen 7 und die Einspritzleitungen 8 in den Formraum 4
überführt (Pfeil P3).
[0065] Das Kühlmittel KM flutet die Luftspalte 10 zwischen dem Formbauteil 5 und den Kontaktflächen
9 des Formraums 4. Es kommt zum unmittelbaren Kontakt des Kühlmittels KM mit dem Formbauteil
5 und dem Oberwerkzeug 2 sowie dem Unterwerkzeug 3 bzw. den Kontaktflächen 9, wodurch
eine direkte Kühlung des Formbauteils 5 und der damit einhergehenden Härtung erfolgt.
Hierbei kommt es zu einem teilweisen Verdampfen des Kühlmittels. Der Druckspeicher
14 stellt einen Gegendruck von mindestens 0,5 MPa, vorzugsweise höher, sicher, um
ein weiteres Einspritzen und Aufrechterhalten des Drucks des Kühlmittels KM zu gewährleisten.
[0066] Das gebrauchte Kühlmittel KM läuft aus dem Warmformwerkzeug 12 ab und wird in einer
Auffangwanne aufgenommen und/oder über eine Sammelrinne abgeführt.
[0067] Nach dem Umformen bleibt das Warmformwerkzeug 12 kurz für die benötigte Haltezeit
zur Sicherstellung der Gefügeumwandlung zum Härten geschlossen. Anschließend wird
das Schließventil 25 geschlossen und das Warmformwerkzeug 12 fährt auseinander, so
dass der Zyklus von neuem beginnen kann.
[0068] Das erfindungsgemäß vorgesehene Kühlsystem KS ermöglicht ein sehr schnelles Einspritzen
von Kühlmittel KM ohne Verzögerung im Druckaufbau. Vorteilhaft hierzu sind insbesondere
die kurzen Kühlmittelwege, weil das Kühlsystem KS im Warmformwerkzeug 12 bzw. unmittelbar
in räumlicher Nähe des Warmformwerkzeugs 12 angeordnet ist. Die Integration des Kühlsystems
KS in das Warmformwerkzeug 12 führt zu einem wesentlich reduzierten Platzbedarf. Durch
die Integration des Kühlsystems KS in das Warmformwerkzeug 12 ist auch eine Mobilität
des Warmformwerkzeugs 12 möglich. Das Warmformwerkzeug 12 kann in verschiedenen Pressen
genutzt werden. Ein Umrüsten des Warmformwerkzeugs 12 von einer Presse zu einer anderen
Presse erfolgt komplett mit Oberwerkzeug 2 und Unterwerkzeug 3 einschließlich Kühlsystem
KS.
[0069] Anlagentechnisch zeichnet sich das Kühlsystem KS weiterhin dadurch aus, dass kaum
Druckschwankungen im System festzustellen sind.
[0070] Das Warmformwerkzeug 12, wie in der Figur 7 dargestellt entspricht vom grundsätzlichen
Aufbau dem Warmformwerkzeug 12 entsprechend den Figuren 5 und 6. Die Bauteile bzw.
Bauteilkomponenten sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen auf eine nochmalige
Beschreibung wird verzichtet. Die Modifikation besteht in der Anordnung einer Mess-
und Auswerteeinheit ME, die zur Ermittlung des Verschleißzustandes des Oberwerkzeugs
2 und/oder des Unterwerkzeugs 3 dient. Die Abblasmenge des Überdruckventils 26 kann
gemessen werden und als Verschleißanzeiger für die Werkzeuginstandhaltungsplanung
genutzt werden. Dazu ist die Abblasseite des Überdruckventils 26 mit einer Mess- und
Auswerteeinheit ME verbunden. Die Abblasmenge sinkt mit zunehmendem Werkzeugverschleiß
bzw. zunehmendem Volumen der Luftpolster zwischen Werkzeug und Werkstück an. Das bedeutet,
je größer der Verschleiß ist, umso mehr Wasser geht in die Luftspalte und umso weniger
wird je Hub des Werkzeugs als Überschuss ausgeblasen. Durch Überwachung und Auswertung
der Abblasmenge können Rückschlüsse auf den Werkzeugverschleiß gezogen und damit eine
Werkzeugdiagnose durchgeführt werden.
[0071] Nachfolgend sind das Grundprinzip und vier mögliche Ausführungsbeispiele der Kühlung
des Formbauteils in einem Warmformwerkzeug 1 bzw. 12 erläutert.
Grundprinzip:
[0072] Die apparative Ausgestaltung des Warmformwerkzeug 1 oder 12 ermöglicht es, dass das
Kühlmittel KM mit einem Druck p
KM oberhalb des Dampfdrucks p
D des Kühlmittels KM in den Formraum 4 und in den Werkzeugspalt 6 eingebracht wird.
Dies gewährleistet eine stabile Flüssigkeitsphase des Kühlmittels KM. Hierdurch wird
ein hoher Wärmeübergang bzw. eine hohe Wärmeabfuhr gewährleistet und damit eine sehr
gute Kühlung. Fertigungs- und/oder verschleißbedingte Luftspalte 10 zwischen der Kontaktfläche
9 des Formraums 4 und dem Formbauteil 5 werden durch das Kühlmittel KM geschlossen.
Da das Kühlmittel KM, vorliegend Wasser, unter einem hohen Druck p
KM oberhalb des Dampfdrucks p
D steht, wird ein Verdampfen beim Kontakt mit der heißen Bauteiloberfläche des Formbauteils
5 verhindert. Die Kühlung erfolgt gleichmäßig über die gesamte Formbauteiloberfläche.
Zonen schlechter Wärmeleitung durch Dampfbildung werden vermieden. Figur 3 zeigt die
Kurve des Dampfdrucks p
D von Wasser. Beim grundlegenden Prinzip der Erfindung wird ein flüssiger Aggregatzustand
des Kühlmittels KM eingestellt, in dem der Druck p
KM des Kühlmittels KM während der Kühlphase in einem Bereich oberhalb des Dampfdrucks
p
D eingestellt wird. Das Wasser wird zeitlich gesteuert mit Drücken p
KM bis zu 25 MPa bei sehr hohen Volumenströmen in den Formraum 4 des geschlossenen Warmformwerkzeugs
1, 12 bzw. in die Luftspalte 10 gepresst. Durch das in den Formraum 4 bzw. den Werkzeugspalt
6 und in die Luftspalte 10 eingespritzte, unter hohem Druck stehende Wasser wird ein
sehr guter Wärmeübergang und damit eine hohe Kühlwirkung sichergestellt. Das Verdampfen
des Wassers und ein für die Wärmeabfuhr nachteiliger, isolierender Dampffilm wird
vermieden. Der Wärmeübergang entspricht zumindest nahezu dem Wärmeübergang bei vollflächigem
Werkzeugkontakt.
Ausführungsbeispiel 1:
[0073] Durch die zeitliche Steuerung von Einspritzanfang und Einspritzende sowie die Druckhöhe
kann die Bauteilhärte gezielt gesteuert werden. Die Mindesthärte bildet hierbei die
Härte, die bei einer bestimmten Zuhaltezeit ohne Einspritzkühlung in dem Formbauteil
erreicht wird, bis hin zur maximalen Härte, die von den Werkstoffeigenschaften und
dem Legierungskonzept des Bauteilwerkstoffes abhängt. Die Steuerung von Einspritzanfang
und Einspritzende ist auch durch eine Onlinemessung der Formbauteiltemperatur im oder
vergleichend am Werkzeug möglich. Hierzu wird die Bauteiltemperatur T
B des Formbauteils 5 im Formraum 4 gemessen. Weiterhin kann die Werkzeugtemperatur
T
W im Bereich der Kontaktflächen 9 des Formraums 4 gemessen werden. Der Anfangszeitpunkt
T
A (Einspritzanfang) und der Endzeitpunkt T
E (Einspritzende) der Kühlmittelzufuhr wird in Abhängigkeit von der Bauteiltemperatur
T
B und/oder der Werkzeugtemperatur T
W gesteuert.
Ausführungsbeispiel 2:
[0074] Durch die möglichen extrem kurzen Zuhaltezeiten des Warmformwerkzeugs 1 bzw. 12 lassen
sich partiell gehärtete Formbauteile 5 herstellen, in dem nur bestimmte Bereiche des
Formbauteils 5 im Formraum 4 mit Kühlmittel KM beaufschlagt werden. Es erfolgt eine
sektionale Kühlmitteleinspritzung in ansteuerbare Bereiche des Formraums 4 und korrespondierend
hierzu auf die Bereiche des Formbauteils 5, die nach der Entnahme hart sein sollen.
In den Bereichen des Formbauteils 5, die nach dem Warmform- und Presshärtvorgang eine
geringere Festigkeit haben sollen, kann die Abkühlung noch zusätzlich durch den Einsatz
von Mitteln zur Beeinflussung der Wärmeübertragung verzögert werden, die in den Kontaktflächen
9 des Formraums 4 angeordnet sind. Bei solchen Mitteln kann es sich beispielsweise
um Heizelemente, Freimachungen, Luftspalte, Einsätze aus Materialien mit geringerer
oder höherer Wärmeleitfähigkeit oder Keramikeinsätze handeln.
[0075] Aus dem Warmformwerkzeug 1 bzw. 12 wird ein Formbauteil 5 entnommen, welches zumindest
zwei Zonen bzw. Bereiche aufweist, die voneinander verschiedene Temperaturen haben.
Dieses Formbauteil 5 wird zur weiteren Abkühlung in einer gesonderten Abkühlstation
fixiert gehalten. Diese Maßnahme wirkt sich vorteilhaft auf die definierte Abkühlung
der weichen, nicht oder weniger stark gehärteten Bereiche aus und verhindert ein Verziehen
des Formbauteils 5.
Ausführungsbeispiel 3:
[0076] Durch eine Variation der Einspritzdauer in Verbindung mit einer Variation des Einspritzdruckes
p
KM können frei unterschiedliche Wärmeübergangskoeffizienten über ein Formbauteil 5 verteilt
eingestellt werden. Je nach Einspritzdruck ist es möglich, im Formraum 4 bzw. im Werkzeugspalt
6 zwischen Oberwerkzeug 2 und Unterwerkzeug 3 eine Wasserschicht mit einer guten Wärmeleitung
und einen Nassdampf mit einer anderen, schlechteren Wärmeleitfähigkeit zu erzeugen.
Die beiden Betriebspunkte des Kühlmitteldrucks sind in der Figur 4 gekennzeichnet.
Punkt 1 liegt im Bereich einer stabilen Flüssigphase oberhalb der Kurve des Dampfdrucks
p
D. Punkt 2 liegt im Nassdampfbereich unterhalb der Kurve des Dampfdrucks p
D. Hierdurch besteht eine weitere Möglichkeit, die Bauteileigenschaften gezielt einzustellen.
Ausführungsbeispiel 4:
[0077] Durch ein Betreiben der Hochdruckeinspritzkühlung im Nassdampfbereich können Warmformwerkzeuge
günstig ohne eine konventionelle Kühlung aufgebaut werden. Es kann folglich ein Warmformwerkzeug
12 wie in Figur 2 sowie den Figuren 5 und 6 dargestellt zum Einsatz gelangen, bei
dem auf ein indirektes Kühlsystem verzichtet ist.
[0078] Beim Betreiben im Nassdampfbereich wird die Wärmeenergie aus dem Formbauteil flächig
dazu genutzt das Wasser aus der flüssigen Phase in die gasförmige Phase zu überführen.
Um keinen geschlossenen Wasserfilm im Werkzeugspalt 6 zu erzeugen, wird der Einspritzdruck
p
KM zeitgesteuert oder über eine Temperaturmessung am Formbauteil 5 angepasst. Alternativ
wird vergleichend die Werkzeugtemperatur T
W am Warmformwerkzeug 1 bzw. im Bereich der Kontaktflächen 9 des Formraums 4 gemessen
und ständig an den Dampfdruck p
D angepasst.
[0079] Bei den vorerläuterten Ausführungsbeispielen 1 bis 4 kann vorgesehen sein, das Überdruckventil
26 zusätzlich zu indirekten Verschleißanzeige des Warmformwerkzeugs 1 bzw. 12 zu nutzen.
Dazu wird die Ablassmenge am Überdruckventil 26 messtechnisch durch die Mess- und
Auswerteeinheit ME erfasst und ausgewertet. Damit kann im laufenden Betrieb über die
Zeit eine Aussage über die Abnutzung des Formwerkzeugs 1, 12 getroffen werden, um
rechtzeitig Werkzeugüberholungen bzw. -instandhaltungen einplanen und durchführen
zu können.
Bezugszeichen:
[0080]
- 1 - Warmformwerkzeug
- 2 - Oberwerkzeug
- 3 - Unterwerkzeug
- 4 - Formraum
- 5 - Formbauteil
- 6 - Werkzeugspalt
- 7 - Versorgungsleitung
- 8 - Einspritzleitung
- 9 - Kontaktfläche
- 10 - Luftspalt
- 11 - Kühlkanal
- 12- Warmformwerkzeug
- 13 - Druckerzeuger
- 14 - Druckspeicher
- 15 - Vorfüllpumpe
- 16 - Kolben-Zylinder-Einheit
- 17 - Kolben-Zylinder-Einheit
- 18 - Zylinder
- 19 - Kolben
- 20 - Kolbenstange
- 21 - Zylinderraum
- 22 - Zuführleitung
- 23 - Rückschlagventil
- 24 - Hauptversorgungsleitung
- 25 - Schließventil
- 26 - Überdruckventil
- 27 - Rückschlagventil
- 28 - Stahlbehälter
- 29 - Speicherblase
- 30 - Überdruckventil
- KM - Kühlmittel
- KS - Kühlsystem
- pKM - Kühlmitteldruck
- pD - Dampfdruck
- TB - Bauteiltemperatur
- TW - Werkzeugtemperatur
- TA - Anfangszeitpunkt (Einspritzanfang)
- TE - Endzeitpunkt (Einspritzende)
- P1 - Pfeil
- P2 - Pfeil
- P3 - Pfeil
- ME - Mess- und Auswerteeinheit
1. Verfahren zur Herstellung von gehärteten Formbauteilen, insbesondere von Struktur-
oder Karosseriebauteilen von Kraftfahrzeugen, wobei eine Metallplatine erwärmt, anschließend
im Formraum (4) eines Warmformwerkzeugs (1; 12) zum Formbauteil (5) warm umgeformt
und durch Kontakt mit einem Kühlmittel (KM) im Formraum (4) des Warmformwerkzeugs
(1; 12) gehärtet wird, wozu das Kühlmittel (KM) durch Zuflusskanäle (7, 8) in den
Formraum (4) geleitet wird, und das Formbauteil (5) zumindest teilweise mit einem
Kühlmittel (KM) gekühlt wird, dessen Druck (pKM) oberhalb des Dampfdrucks (pD) des Kühlmittels (KM) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (KM) mit einem Druck von bis zu 25 MPa in den Formraum (4) eingebracht
wird und der Aggregatzustand des Kühlmittels (KM) durch Steuerung des Einspritzdruckes
und/oder der Einspritzdauer einstellbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelverteilung im Formraum (4) variabel steuerbar ist, wobei erste Bereiche
des Formbauteil (5) mit Kühlmittel (KM) beaufschlagt werden und zweite Bereiche des
Formbauteils (5) nicht mit Kühlmittel (KM) beaufschlagt werden oder ein erster Bereich
und ein zweiter Bereich zeitlich versetzt mit Kühlmittel (KM) beaufschlagt werden.
3. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (KM) mit einem Druck (pKM) in den Formraum (4) eingebracht wird und der Druck (pKM) während der Kühlphase steuerungstechnisch an den Dampfdruck (pD) des Kühlmittels angepasst wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (pKM) zeitgesteuert und/oder temperaturgesteuert, in Abhängigkeit einer Temperaturmessung
am Formbauteil (5) im Warmformwerkzeug (1; 12) und/oder einer Temperaturmessung am
Warmformwerkzeug (1; 12), eingestellt wird.
5. Warmformwerkzeug zum Umformen und Härten von Metallblechen mit einem Oberwerkzeug
(2) und einem Unterwerkzeug (3) sowie einem Kühlsystem (KS), wobei zumindest eines
der Werkzeuge (2, 3) Zuflusskanäle (7, 8) aufweist, über welche ein Kühlmittel (KM)
in den zwischen Oberwerkzeug (2) und Unterwerkzeug (3) ausgebildeten Formraum (4)
leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (KS) mindestens einen Druckerzeuger (13) in Form einer Kolben-Zylinder-Einheit
(16, 17) umfasst, wobei der Druckerzeuger (13) zumindest mittelbar durch das Oberwerkzeug
(2) und/oder das Unterwerkzeug (3) betätigbar ist und der Aggregatzustand des Kühlmittels
(KM) durch den Einspritzdruck und/oder die Einspritzdauer einstellbar ist.
6. Warmformwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (KM) mit einem Druck (pKM) in den Formraum (4) einspritzbar ist und die Höhe des Drucks (pKM) und/oder die Einspritzdauer (TE) steuerbar sind.
7. Warmformwerkzeug nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Oberwerkzeug (2) und/oder im Unterwerkzeug (3) Versorgungsleitungen (7) für das
Kühlmittel (KM) und von den Versorgungsleitungen (7) abzweigende und in dem Formraum
(4) mündende Einspritzleitungen (8) vorgesehen sind.
8. Warmformwerkzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kontaktflächen (9) des Formraums (4) Mittel zur Beeinflussung der Wärmeübertragung
angeordnet sind.
9. Warmformwerkzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mess- und Auswerteeinheit (ME) vorgesehen ist zur Ermittlung des Verschleißzustandes
des Oberwerkzeugs (2) und/oder des Unterwerkzeugs (3).
10. Warmformwerkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in das Kühlsystem (KS) mindestens ein Druckspeicher (14) integriert ist.
11. Warmformwerkzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger (13) und der Druckspeicher (14) unter Eingliederung eines Überdruckventils
(26) miteinander verbunden sind.
12. Warmformwerkzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 5 oder 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Druckerzeuger (13) und dem Druckspeicher (14), ein Überdruckventil (26)
vorgesehen ist und das Überdruckventil (26) mit einer Mess- und Auswerteeinheit (ME)
gekoppelt ist, wobei durch die Mess- und Auswerteeinheit (ME) der Verschleißzustand
des Oberwerkzeugs (2) und/oder des Unterwerkzeugs (3) ermittelbar ist.
1. Method for producing cured formed components, in particular structure or body components
of motor vehicles, a metal blank being heated, subsequently being hot formed in the
forming chamber (4) of a hot forming mould (1; 12) to form the formed component (5)
and being cured in the forming chamber (4) of the hot forming mould (1; 12) by contact
with a coolant (KM), for which purpose the coolant (KM) is fed into the forming chamber
(4) via feed channels (7, 8), and the formed component (5) being cooled by a coolant
(KM) at least in part, the pressure (pKM) of said coolant being greater than the steam pressure (pD) of the coolant (KM), characterised in that the coolant (KM) is introduced into the forming chamber (4)at a pressure of up to
25 MPa and the state of aggregation of the coolant (KM) can be set by controlling
the injection pressure and/or the injection duration.
2. Method according to claim 1, characterised in that the coolant distribution in the forming chamber (4) can be variably controlled, first
regions of the formed component (5) being contacted by the coolant (KM) and second
regions of the formed component (5) not being contacted by the coolant (KM) or a first
region and a second region being contacted by the coolant (KM) in a time-staggered
sequence.
3. Method according to at least one of claims 1 or 2, characterised in that the coolant (KM) is introduced into the forming chamber (4)at a pressure (pKM) and, during the cooling phase, control means match said pressure (pKM) to the steam pressure (pD) of the coolant.
4. Method according to at least one of claims 1 to 3, characterised in that the pressure (pKM) is set in a time-controlled and/or temperature-controlled manner as a function of
a temperature measurement on the formed component (5) in the hot forming mould (1;
12) and/or as a function of a temperature measurement on the hot forming mould (1;
12).
5. Hot forming mould for forming and curing metal sheets, comprising a top die (2) and
a bottom die (3)and a cooling system (KS), at least one of the dies (2, 3)comprising
feed channels (7, 8)via which a coolant (KM) can be fed into the forming chamber (4)
formed between the top die (2) and the bottom die (3), characterised in that the cooling system (KS) comprises at least one pressure generator (13) in the form
of a piston-cylinder unit (16, 17), the pressure generator (13) being operatable at
least indirectly by the top die (2) and/or the bottom die (3) and it being possible
to set the state of aggregation of the coolant (KM) by means of the injection pressure
and/or the injection duration.
6. Hot forming mould according to claim 5, characterised in that the coolant (KM) can be injected into the forming chamber (4) at a pressure (pKM) and the level of the pressure (pKM) and/or the injection duration (TE) can be controlled.
7. Hot forming mould according to either claim 5 or claim 6, characterised in that supply lines (7) for the coolant (KM) and injection lines (8) branching off from
the supply lines (7) and opening out in the forming chamber (4) are provided in the
top die (2) and/or in the bottom die (3).
8. Hot forming mould according to at least one of claims 5 to 7, characterised in that means for influencing heat transfer are arranged in the contact surfaces (9) of the
forming chamber (4).
9. Hot forming mould according to at least one of claims 5 to 8, characterised in that a measuring and evaluation unit (ME) is provided for determining the state of wear
of the top die (2) and/or of the bottom die (3).
10. Hot forming mould according to any of claims 5 to 9, characterised in that at least one pressure accumulator (14) is integrated into the cooling system (KS).
11. Hot forming mould according to at least one of claims 5 to 10, characterised in that the pressure generator (13) and the pressure accumulator (14) are interconnected
by the incorporation of a pressure relief valve (26).
12. Hot forming mould according to at least one of claims 5 or 10 to 12, characterised in that a pressure relief valve (26) is provided between the pressure generator (13) and
the pressure accumulator (14) and the pressure relief valve (26) is coupled to a measuring
and evaluation unit (ME), it being possible to determine the state of wear of the
top die (2) and/or of the bottom die (3) by means of the measuring and evaluation
unit (ME).
1. Procédé de fabrication de pièces moulées durcies, en particulier de pièces de structure
ou de carrosserie de véhicules automobiles, dans lequel un flan métallique est chauffé,
puis façonné à chaud en pièce moulée (5) dans l'espace de façonnage (4) d'un outil
de façonnage à chaud (1 ; 12) et durci par contact avec un agent réfrigérant (KM)
dans l'espace de façonnage (4) de l'outil de façonnage à chaud (1 ; 12), en acheminant
l'agent réfrigérant (KM) par des canaux d'alimentation (7, 8) dans l'espace de façonnage
(4), et la pièce moulée (5) est refroidie au moins en partie par un agent réfrigérant
(KM) dont la pression (pKM) se situe au-dessus de la pression de vapeur (pD) de l'agent réfrigérant (KM), caractérisé en ce que l'agent réfrigérant (KM) est amené à une pression allant jusqu'à 25 MPa dans l'espace
de façonnage (4) et l'état physique de l'agent réfrigérant (KM) peut être réglé par
commande de la pression d'injection et/ou la durée d'injection.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distribution de l'agent réfrigérant dans l'espace de façonnage (4) peut être commandé
de manière variable, dans lequel des premières zones de la pièce façonnée (5) sont
alimentées en agent réfrigérant (KM) et des secondes zones de la pièce moulée (5)
ne sont pas alimentées en agent réfrigérant (KM) ou bien une première zone et une
seconde zone sont alimentées en agent réfrigérant (KM) de manière décalée dans le
temps.
3. Procédé selon au moins l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'agent réfrigérant (KM) est amené à une pression (pKM) dans l'espace de façonnage (4) et la pression (pKM) est ajustée à la pression de vapeur (pD) de l'agent réfrigérant (KM) par une technique de commande au cours de la phase de
refroidissement.
4. Procédé selon au moins l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pression (pKM) est réglée par commande de la durée et/ou commande de la température en fonction
d'une mesure de la température sur la pièce moulée (5) dans l'outil de façonnage à
chaud (1 ; 12) et/ou d'une mesure de température dans l'outil de façonnage à chaud
(1 ; 12).
5. Outil de façonnage à chaud pour façonner et durcir des tôles métalliques avec un outil
supérieur (2) et un outil inférieur (3) ainsi qu'un système de refroidissement (KS),
dans lequel au moins l'un des outils (2, 3) présente des canaux d'alimentation (7,
8) par lesquels un agent réfrigérant (KM) peut être acheminé dans l'espace de façonnage
(4) formé entre l'outil supérieur (2) et l'outil inférieur (3), caractérisé en ce que le système de refroidissement (KS) comprend au moins un générateur de pression (13)
sous la forme d'une unité à piston-cylindre (16, 17), dans lequel le générateur de
pression (13) peut être commandé au moins indirectement par l'outil supérieur (2)
et/ou l'outil inférieur (3) et l'état physique de l'agent réfrigérant (KM) peut être
réglé par la pression d'injection et/ou par la durée d'injection.
6. Outil de façonnage à chaud selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'agent réfrigérant (KM) peut être injecté sous une pression (pKM) dans l'espace de façonnage (4) et la hauteur de la pression (pKM) et/ou la durée d'injection (TE) peut ou peuvent être commandées.
7. Outil de façonnage à chaud selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il est prévu dans l'outil supérieur (2) et/ou dans l'outil inférieur (3) des conduites
d'alimentation (7) pour l'agent réfrigérant (KM) et des conduites d'injection (8)
s'écartant des conduites d'alimentation (7) et débouchant dans l'espace de façonnage
(4).
8. Outil de façonnage à chaud selon au moins l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que des moyens permettant d'influencer la transmission de chaleur sont aménagés dans
les faces de contact (9) de l'espace de façonnage (4).
9. Outil de façonnage à chaud selon au moins l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il est prévu une unité de mesure et d'évaluation (ME) pour déterminer l'état d'usure
de l'outil supérieur (2) et/ou de l'outil inférieur (3).
10. Outil de façonnage à chaud selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'au moins un accumulateur de pression (14) est intégré au système de refroidissement
(KS).
11. Outil de façonnage à chaud selon au moins l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que le générateur de pression (13) et l'accumulateur de pression (14) sont liés l'un
à l'autre avec incorporation d'une soupape de sûreté (26).
12. Outil de façonnage à chaud selon au moins l'une des revendications 5 ou 10 à 12, caractérisé en ce qu'il est prévu entre le générateur de pression (13) et l'accumulateur de pression (14)
une soupape de sûreté (26) et la soupape de sûreté (26) est couplée à une unité de
mesure et d'évaluation (ME), dans lequel l'état d'usure de l'outil supérieur (2) et/ou
de l'outil inférieur (3) peut être déterminé par l'unité de mesure et/ou d'évaluation
(ME).