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Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Warmumformen und/oder Presshärten eines Blechmaterials, welches wenigstens zwei zueinander relativ bewegliche Werkzeugteile mit korrespondierenden Werkzeugwirkflächen aufweist und wenigstens einen Schneidstempel, mit dem in das zwischen den Werkzeugteilen befindliche Blechmaterial im noch warmen Zustand eine Ausnehmung eingebracht werden kann.
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Als Warmumformen wird das Umformen eines metallischen Blechmaterials oberhalb der Rekristallisationstemperatur bezeichnet. Als Sonderfall des Warmumformens kann das Presshärten angesehen werden, bei dem im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Warmumformen (oder gegebenenfalls auch nur Formhalten) ein schnelles Abkühlen des metallischen Blechmaterials erfolgt, wodurch erhebliche Festigkeitssteigerungen erzielbar sind.
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Das Warmumformen oder Presshärten erfolgt typischerweise mit einem pressengebundenen Formwerkzeug, welches mehrere zueinander relativbewegliche Werkzeugteile (bspw. ein Werkzeugoberteil und ein Werkzeugunterteil) aufweist, zwischen denen das metallische Blechmaterial bzw. das Werkstück umgeformt wird, wozu diese Werkzeugteile mit korrespondierenden Werkzeugwirkflächen ausgebildet sind. Zur aktiven Kühlung der Werkzeugwirkflächen können in den Werkzeugteilen Kühleinrichtungen (bspw. mit Kühlfluid durchströmbare Kühlkanäle) vorgesehen sein.
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Das Warmumformen und/oder Presshärten ermöglicht die Herstellung von hochfesten Blechformteilen, womit gemeint ist, dass das geformte Blechmaterial hochfeste Werkstoffeigenschaften (Festigkeit bspw. über 1000 MPa) aufweist. Durch Warmumformen und/oder Presshärten hergestellte Blechformteile finden daher insbesondere Verwendung im Automobilbau. Die hochfesten Werkstoffeigenschaften erschweren das Einbringen von Ausnehmungen (wie insbesondere Löcher) nach dem Warmumformen und/oder Presshärten. In der nächstliegenden
DE 10 2004 019 693 A1 derselben Anmelderin wird daher vorgeschlagen, das Blechmaterial im Formwerkzeug während des Abkühlens und somit in einem noch warmen und weniger festen Zustand zu lochen (so genanntes Warmlochen).
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Problematisch bei der in der nächstliegenden
DE 10 2004 019 693 A1 beschriebenen Vorgehensweise ist, dass das sich weiter abkühlende Blechmaterial nach dem Lochen im Formwerkzeug wandern kann und/oder dass es zu Form und Lageänderungen des Lochrands kommt, was sich nachteilig auf die Fertigungspräzision auswirkt. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs ergeben sich sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Formwerkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten eines Blechmaterials umfasst wenigstens zwei zueinander relativ bewegliche Werkzeugteile mit korrespondierenden Werkzeugwirkflächen, zwischen denen (durch Schließen des Formwerkzeugs) das Blechmaterial geformt und hierbei insbesondere auch abgekühlt werden kann, und wenigstens einen Schneidstempel, mit dem bei geschlossenem Formwerkzeug in das zwischen den Werkzeugteilen befindliche Blechmaterial im noch warmen Zustand eine Ausnehmung eingebracht werden kann. Es ist vorgesehen, dass die korrespondierenden Werkzeugwirkflächen im umgebenden Bereich der in das Blechmaterial einzubringenden Ausnehmung derart gestaltet sind, dass in diesem Bereich das Blechmaterial bei geschlossenem Formwerkzeug mit einer lokal höheren bzw. lokal erhöhten Flächenpressung beaufschlagt ist.
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Unter einer Ausnehmung wird insbesondere ein Ausschnitt aus dem Blechmaterial verstanden, wobei es sich um eine Lochung (Schnittführung mit geschlossener Schnittlinie zur Heraustrennung eines Abfallteils) oder um eine Ausklinkung (Schnittführung mit offener Schnittlinie zur Abtrennung eines Abfallteils) handeln kann.
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Bei den Werkzeugteilen handelt es sich insbesondere um ein Werkzeugoberteil und ein Werkzeugunterteil. Der Schneidstempel kann relativbeweglich im Werkzeugoberteil oder im Werkzeugunterteil angeordnet sein, wobei das erfindungsgemäße Formwerkzeug mehrere Schneidstempel aufweisen kann, die sowohl im Werkzeugoberteil als auch im Werkzeugunterteil angeordnet sein können. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Formwerkzeug eine mit dem Schneidstempel korrespondierende Schneidmatrize aufweist, die gegenüberliegend vom Schneidstempel im anderen Werkzeugteil angeordnet ist. Die Schneide des Schneidstempels wirkt mit einer Schneide an der Schneidmatrize zusammen, wodurch in bekannter Weise das Blechmaterial geschnitten werden kann.
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Das erfindungsgemäße Formwerkzeug ist insbesondere derart konzipiert, dass das zwischen den Werkzeugteilen befindliche erwärmte Blechmaterial, welches bspw. eine Temperatur von über 900° C aufweisen kann, beim Schließen des Formwerkzeugs (durch aufeinander Zubewegen der zueinander relativbeweglichen Werkzeugteile) zunächst geformt wird (je nach Verfahrensweise handelt es sich hierbei um ein Umformen oder gegebenenfalls auch nur Formhalten) und anschließend bei noch geschlossenem Formwerkzeug die wenigstens eine Ausnehmung in das noch warme Blechmaterial eingebracht wird. Das Einbringen der wenigstens einen Ausnehmung mittels Schneidstempel erfolgt somit bevorzugt in der Abkühlphase, wobei das Blechmaterial bspw. noch eine Temperatur von 400° C bis 600° C aufweisen kann.
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Der Schneidstempel kann mittels Schieber oder hydraulischem Antrieb betätigt werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Schneidstempel nach dem Einbringen der Ausnehmung sogleich zurückgezogen wird, wie in der
DE 10 2004 019 693 A1 beschrieben.
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Die Erfindung sieht vor, dass die Werkzeugwirkflächen des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs im umgebenden Bereich der in das Blechmaterial einzubringenden Ausnehmung derart gestaltet sind, dass in diesem Bereich das Blechmaterial bei geschlossenem Formwerkzeug mit einer lokal höheren Flächenpressung als in anderen Blechformteilbereichen beaufschlagt wird. Die lokal höhere Flächenpressung in dem betreffenden Bereich kann bspw. mehr als das 1,25-fache, bevorzugt mehr als das 1,5-fache, besonders bevorzugt mehr als das 1,75-fache und insbesondere mehr als das 2-fache bezüglich einer gemittelten Flächenpressung in den anderen Blechformteilbereichen betragen. Die lokal höhere Flächenpressung besteht, solange das Formwerkzeug geschlossen ist (bspw. bei Pressenstößel in UT) und ist insbesondere auch beim Einbringen der Ausnehmung mit Hilfe des Schneidstempels gegeben, vor allem jedoch in der Abkühlphase, insbesondere nach dem der Schneidstempel zurückgezogen ist, bis das Formwerkzeug wieder geöffnet wird.
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Durch die lokal höhere Flächenpressung im umliegenden Bereich der Ausnehmung können Schwankungen in der Lage und in der Form der Ausnehmung im Wesentlichen verhindert werden. Insbesondere kann ein so genanntes Aufziehen der Ausnehmungsränder durch Abkühlung der angrenzenden Blechmaterialbereiche unterbunden werden, da das Blechmaterial neben der Ausnehmung quasi festgehalten bzw. festgeklemmt wird, wobei dieser Zustand beim weiteren Abkühlen unter der erhöhten Flächenpressung so zu sagen eingefroren wird. Die Fertigungspräzision wird erheblich gesteigert.
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Eine lokal höhere Flächenpressung im umgebenden Bereich der einzubringenden oder auch eingebrachten Ausnehmung lässt sich bspw. durch entsprechendes Einarbeiten (Tuschieren) der korrespondierenden Werkzeugwirkflächen in diesem Bereich bewerkstelligen. Weitere Möglichkeiten sind Gegenstand nachfolgend näher erläuterter Weiterbildungen und Ausgestaltungen.
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Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die Werkzeugwirkflächen des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs im umgebenden Bereich der in das Blechmaterial einzubringenden Ausnehmung derart gestaltet sind, dass das Blechmaterial in diesem Bereich (beim Schließen des Formwerkzeugs) eine tellerförmige Verprägung erfährt, womit gemeint ist, dass in das Blechmaterial im betreffenden Bereich eine tellerförmige Verprägung eingeformt wird. Eine tellerförmige Verprägung zeichnet sich durch einen im Wesentlichen ebenen und insbesondere kreisförmigen Tellerspiegel und einen umgebenden Tellerrand aus. Eine solche Verprägung ermöglicht eine gute Abstimmbarkeit und Einstellung der zu erreichenden Flächenpressung in diesem Bereich. Ferner kann durch die Verprägung ein Abklemmeffekt erzielt werden (Klemmsicken-Prinzip), der verhindert, dass durch Abkühlung des Blechmaterials in den die Ausnehmung umgebenden Blechmaterialbereichen das Blechmaterial von der erzeugten Ausnehmung weggezogen wird. Zudem kann eine solche Verprägung positive Auswirkungen auf den Schneidvorgang haben. Insbesondere ist vorgesehen, dass die tellerförmige Verprägung im Wesentlichen kurvenstetige Übergänge aufweist und somit kantenfrei ausgebildet ist.
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Die Verprägungshöhe kann in etwa dem 1-fachen bis 2-fachen der Blechdicke des Blechmaterials (in diesem Bereich) entsprechen, wobei bei dickeren Blechen zumeist eine geringere Verprägungshöhe ausreichend ist. Die Dicke des Blechmaterials kann bspw. 1 mm bis 3 mm betragen. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Durchmesser der Verprägung in etwa dem 2-fachen bis 3-fachen des Durchmessers der einzubringenden Ausnehmung entspricht. Diese Angabe bezieht sich insbesondere auf eine kreisförmige Ausnehmung und kann bei entsprechender Flächenumrechnung auch für nicht-kreisförmige Ausnehmungen gelten.
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Die in das Blechmaterial einzubringende Ausnehmung weist bevorzugt eine geschlossene Kontur (geschlossene Schnittlinie) auf. Bei dem Schneidstempel handelt es sich somit vorrangig um einen Lochstempel und insbesondere um einen Kreislochstempel zum Erzeugen von kreislochförmigen Ausnehmungen. Der Kreislochstempel kann einen Durchmesser von 5 mm bis 30 mm, bevorzugt von 8 mm bis 25 mm und insbesondere von 10 mm bis 20 mm aufweisen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs ist vorgesehen, dass in (wenigstens) einer der Werkzeugwirkflächen (wenigstens) ein diese Werkzeugwirkfläche mitbildender Werkzeugeinsatz (Inlay) angeordnet ist, welcher im umgebenden Bereich der in das Blechmaterial einzubringenden Ausnehmung (bezüglich der angrenzenden Werkzeugwirkfläche) übersteht, so dass in diesem Bereich das Blechmaterial bei geschlossenem Formwerkzeug mit einer lokal höheren bzw. lokal erhöhten Flächenpressung beaufschlagt ist. Bevorzugt sind die Übergänge kurvenstetig und somit kantenfrei ausgebildet.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Überstand des Werkzeugeinsatzes (womit der Überstand bezüglich der angrenzenden Werkzeugwirkfläche gemeint ist) einstellbar ist. Das Einstellen kann bspw. durch Unterlegen mit Distanzplättchen oder Passfolien erfolgen.
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Der Werkzeugeinsatz ist insbesondere auch dafür ausgebildet, dass dieser (beim Schließen des Formwerkzeugs) im umgebenden Bereich der in das Blechmaterial einzubringenden Ausnehmung eine tellerförmige Verprägung des Blechmaterials herbeiführt, wie obenstehend erläutert.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der Werkzeugeinsatz auch eine mit dem Schneidstempel korrespondierende Schneidmatrize aufweist, so dass mehrere Funktionalitäten im Werkzeugeinsatz vereint sein können.
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Eine bevorzugte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen und nicht maßstabsgerechten Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt aus einem pressgehärteten Blechformteil, das mit einem erfindungsgemäßen Formwerkzeug hergestellt wurde.
- 2 zeigt in einer Schnittansicht einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs.
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1 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt aus einem pressgehärteten Blechformteil 100. Beim Warmumformen und Presshärten wird in das Blechmaterial M mit einem zum Formwerkzeug gehörenden Schneidstempel eine kreisförmige Ausnehmung (Loch) 110 eingeschnitten bzw. eingestanzt, wobei sich das Blechmaterial M in einem noch warmen Zustand befindet. Vor dem Einbringen der Ausnehmung 110 wird in das Blechmaterial M in dem die Ausnehmung 110 umgebenden bzw. umschließenden Bereich eine flache tellerförmige Verprägung 120 eingeformt, was ebenfalls im Formwerkzeug erfolgt. Die tellerförmige Verprägung 120 ist kurvenstetig ausgebildet, was durch die Konturlinie 125 veranschaulicht ist. Mit 121 ist der Tellerspiegel und mit 122 ist der den Tellerspiegel 121 umlaufende Tellerrand bezeichnet. Die Ausnehmung 110 und die Verprägung 120 sind konzentrisch zueinander angeordnet.
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Das Blechformteil 100 kann mehrere identisch oder unterschiedlich ausgebildete Ausnehmungen aufweisen, so dass dieses auch mehrere in Form und Lage verschiedene Verprägungen 120 aufweisen kann.
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2 zeigt einen Schnitt durch ein pressengebundenes Formwerkzeug 200 zur Herstellung des Blechformteils 100. Gezeigt ist der Abschnitt zur Herstellung des in 1 gezeigten Blechformteilausschnitts.
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Das Formwerkzeug 200 weist ein Werkzeugoberteil 210 mit einer Werkzeugwirkfläche 211 und ein Werkzeugunterteil 220 mit einer Werkzeugwirkfläche 221 auf. Die Werkzeugwirkflächen 211 und 221 sind als korrespondierende Werkzeugwirkflächen ausgebildet, zwischen den das Blechmaterial M geformt und auch gekühlt werden kann (die in den Werkzeugteilen befindlichen Kühleinrichtungen sind nicht dargestellt). Hierzu sind die Werkzeugteile 210 und 220 relativbeweglich zueinander, bspw. derart, dass das Werkzeugoberteil 210 an einem Pressenstößel befestigt ist und kraftbeaufschlagt auf das Werkzeugunterteil 220 abgesenkt werden kann. Die Darstellung der 2 zeigt den geschlossenen Zustand (geschlossenes Formwerkzeug).
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Im Werkzeugoberteil
210 ist ein als relativbeweglicher Schneidstempel bzw. Lochstempel
230 ausgebildetes Schneidwerkzeug angeordnet, der mit einer im Werkzeugunterteil
220 angeordneten Schneidmatrize
250 zusammenwirkt, wodurch in bekannter Weise (siehe
DE 10 2004 019 693 A1 ) bei geschlossenem Formwerkzeug
200 in das noch warme Blechmaterial
M die Ausnehmung
110 eingebracht werden kann. Die Schnittachse
L ist im Wesentlichen senkrecht zum Tellerspiegel
121 der tellerförmigen Verprägung
120 im Blechmaterial
M. Mit
A ist das mit dem Schneidstempel
230 herausgeschnittene Blechabfallstück bezeichnet. Der Schneidstempel
230 wird nach dem Schneiden der Ausnehmung
110 sofort zurückgezogen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Werkzeugwirkflächen 211 und 221 in dem die Ausnehmung 110 umgebenden ringförmigen Bereich B (siehe auch 1) derart gestaltet sind, dass in diesem Bereich das Blechmaterial M bei geschlossenem Formwerkzeug (wie dargestellt) mit einer lokal höheren Flächenpressung als in anderen Blechformteilbereichen beaufschlagt ist. Durch das verstärkte Einklemmen des Blechmaterials M (zwischen den korrespondierenden Werkzeugwirkflächen 211 und 221) im Bereich B wird verhindert, dass dieses nach dem Einbringen der Ausnehmung 110 und während des weiteren Abkühlens im umliegenden Bereich der Ausnehmung 110 zwischen den Werkzeugwirkflächen 211 und 221 wandert und/oder dass es zu einem so genannten Aufziehen der Ausnehmungsränder bzw. des Lochrands durch Abkühlung der angrenzenden Blechmaterialbereiche kommt.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsmöglichkeit ist im Werkzeugunterteil 220 ein die Werkzeugwirkfläche 221 mitbildender Werkzeugeinsatz 240 angeordnet, welcher aufgrund eines geringen (nicht dargestellten) Überstands in dem die Ausnehmung 110 umgebenden Bereich B die lokal höhere Flächenpressung bewirkt. Die im Bereich B erzielbare Flächenpressung kann durch Einlegen und Austausch von Passfolien 260 (oder dergleichen), mit denen der Werkzeugeinsatz 240 unterlegt ist, eingestellt werden. Ferner ist denkbar, dass der Werkzeugeinsatz 240 auf auswechselbaren oder einstellbaren Druckfedern abgestützt ist, wodurch dieser mit definierter Druckkraft gegen die Werkzeugwirkfläche 211 des Werkzeugoberteils 210 gedrückt wird, was eine definierte Flächenpressung hervorruft.
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Im Werkzeugeinsatz 240 ist auch die Schneidmatrize 250 angeordnet. Somit ist der Werkzeugeinsatz 240 multifunktional.
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Ferner ist der Werkzeugeinsatz 240 derart ausgebildet, dass dieser beim Schließen des Formwerkzeugs 200 auch die tellerförmige Verprägung 120 um die einzubringende Ausnehmung 110 herum erzeugt, wobei die korrespondierende Werkzeugwirkfläche 211 am Werkzeugoberteil 210 entsprechend ausgebildet ist. Die Verprägung 120 erfolgt in Richtung des Werkzeugoberteils 210 bzw. in Richtung des Schneidstempels 230. Die tellerförmige Verprägung 120 kann jedoch auch in die entgegengesetzte Richtung geformt werden.
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Die Ausnehmungen 110 der mit dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug 200 hergestellten Blechformteile 100 weisen ein sehr geringes Form- und Lagetoleranzfeld auf. Ferner ermöglicht die Erfindung die Reduzierung von Herstellungskosten, eine Verbesserung der Prozesssicherheit und eine Erhöhung der Produktivität.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Blechformteil
- 110
- Ausnehmung (Loch)
- 120
- Verprägung
- 121
- Verprägungsspiegel
- 122
- Verprägungsrand
- 125
- Konturlinie
- 200
- Formwerkzeug
- 210
- Werkzeugoberteil
- 211
- Werkzeugwirkfläche
- 220
- Werkzeugunterteil
- 221
- Werkzeugwirkfläche
- 230
- Schneidstempel, Lochstempel
- 240
- Werkzeugeinsatz
- 250
- Schneidmatrize
- 260
- Passfolie, Distanzplättchen
- A
- Abfallstück (Butzen)
- B
- umgebender Bereich
- L
- Bewegungsachse, Schneidrichtung
- M
- Blechmaterial