Bauteils

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur

Herstellung eines geformten Bauteils mittels einer

Vorrichtung, wobei ein einen Hohlbereich aufweisendes und zumindest teilweise aus einem Stahl-Werkstoff bestehendes Werkstück in ein Werkzeug der Vorrichtung eingebracht wird und wobei mit einem Andockstempel der Vorrichtung unter Druck ein Fluid in den Hohlbereich des in dem Werkzeug befindlichen Werkstücks eingebracht wird und das Werkstück in der

Vorrichtung warmumgeformt wird. Weiterhin betrifft die

Erfindung eine Vorrichtung zum Formen eines einen Hohlbereich aufweisenden und zumindest teilweise aus einem Stahl- Werkstoff bestehenden Werkstücks mit einem Werkzeug zur Aufnahme des Werkstücks und mit mindestens einem

Andockstempel zum Einbringen eines Fluids in den Hohlbereich des in dem Werkzeug befindlichen Werkstücks.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Werkstücke aus Stahl wie Rohre oder Platinen bzw. die daraus hergestellten Bauteile wie etwa Profile bei oder nach ihrer Umformung zu Härten. Dabei werden die Werkstücke bzw. Bauteile je nach Stahl-Werkstoff auf eine Temperatur oberhalb der Acl- bzw. der Ac3-Temperatur gebracht, sodass ein im Wesentlichen austenitisches Gefüge vorliegt, und anschließend abgekühlt oder abgeschreckt. Das sich so einstellende martensitische Gefüge verleiht dem Bauteil dann eine gesteigerte Härte, sodass vergleichsweise stabile Bauteile trotz geringen

Gewichts hergestellt werden können. Insbesondere bei der großtechnischen Herstellung von

gehärteten Profilen, vor allem bei Hohlprofilen, wurden in der Vergangenheit lediglich vergleichsweise einfache

Geometrien umgesetzt. Komplexere Geometrien können hingegen beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Profile aus mehreren Teilen, etwa Halbschalen, zusammengesetzt werden. Durch die benötigte Verbindung der Teile zu einem Profil können jedoch die Stabilität, das Gewicht und der

Herstellungsprozess des Profils negativ beeinflusst werden.

Ein anderer Ansatz, um Bauteile wie etwa Profile mit einer komplexeren Struktur herstellen zu können, wird mit dem sogenannten Heiß-Blasformen verfolgt. Beim Heiß-Blasformen wird ein heißes in der Regel gasförmiges Fluid mit einem

Andockstempel unter Druck in einen durch den Andockstempel abgedichteten Hohlbereich eines Werkstücks, etwa in das

Innere eines Rohres, eingebracht. Das unter Hochdruck

eingebrachte Fluid formt das Werkstück gegen ein äußeres formgebendes Werkzeug (sogenanntes Innenhochdruckumformen oder „high pressure hydroforming" ) und/oder das äußere formgebende Werkzeug wird gegen das unter moderatem Druck stehende Werkstück gepresst (sogenanntes „low pressure hydroforming" ) . Im letzteren Fall dient das eingebrachte Fluid zur Fixierung eines bestimmten Volumens im Hohlbereich des Werkstücks, um das Werkstück sodann von außen mit dem Werkzeug umformen zu können.

Soll das hergestellte Bauteil gehärtet sein, kann das Bauteil in einem separaten Prozessschritt gehärtet werden. Dies stellt allerdings eine vergleichsweise kostenintensive Lösung dar, um gehärtete Profile mit komplexen Geometrien bereitstellen zu können. Daher wurde im Stand der Technik der Ansatz verfolgt, das Heiß-Blasformen und das Härten in einer Vorrichtung zu realisieren. Hierzu geeignete Verfahren und Vorrichtungen sind

beispielsweise aus dem Stand der Technik der DE 698 03 588 T2 bekannt. Es wird vorgeschlagen, ein hohles Stahlwerkstück mit einem erhitzten und unter Druck gesetzten Medium blaszuformen und anschließend in dem Umformwerkzeug abzuschrecken, indem das dominierende erwärmte Medium durch ein unter Druck gesetztes kühles Medium ersetzt wird.

Zwar kann auf diese Weise eine Verbesserung des

Herstellungsprozesses von gehärteten Bauteilen mit komplexen Geometrien erreicht werden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die auf diese Weise hergestellten Bauteile aus dem Stand der Technik, insbesondere in ihren Endbereichen, also dort, wo die Fluide in den Hohlbereich des Werkstücks eingebracht werden, keine zufriedenstellende Qualität aufweisen.

Insbesondere kann dadurch kein entlang seiner gesamten Länge vollständig durchgehärtetes Profil bereitgestellt werden. Auch ist die Umformbarkeit des Werkstücks in diesen Bereichen nicht zufriedenstellend, sodass es zu einem frühen

Materialversagen kommen kann. Aus diesem Grund werden in der Regel die Enden solcher Bauteile oder Profile nach dem

Umformen oder Härten entfernt, was jedoch zu einem hohen Materialausschuss oder Schrottanteil führt und somit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt. Vor diesem Hintergrund stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welches bzw. welche die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen auch mit komplexer Geometrie erlaubt und gleichzeitig eine zufriedenstellende Härtung der Bauteile ermöglicht . Die zuvor genannte Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung durch ein gattungsgemäßes Verfahren dadurch gelöst, dass im Bereich des Andockstempels der

Abkühlung des Werkstücks entgegengewirkt wird, insbesondere während der Warmumformung. Der Abkühlung kann dabei sowohl durch zusätzliche Mittel als auch durch die Vorrichtung selbst entgegengewirkt werden.

Es hat sich gezeigt, dass das Vorhandensein des

Andockstempels bzw. der Vorrichtung im Bereich des

Andockstempels selbst für zuvor genannte Nachteile

verantwortlich ist, da durch den Kontakt des Andockstempels bzw. der Vorrichtung mit dem Werkstück, um unter Druck das Fluid in den Hohlbereich des Werkstücks einzubringen und das Werkstück umzuformen, ein Teil der Wärme von dem Werkstück im Bereich des Andockstempels über den Andockstempel abgeführt wird. Dadurch kann sich während der Warmumformung die

Temperatur des Werkstücks im Bereich des Andockstempels und auch in angrenzenden Werkstückbereichen verringern bzw.

bereits keine ausreichend hohe Temperatur erreicht werden. Der gewünschte Temperaturverlauf des Werkstücks bei einem Aufheizen über die Acl- oder die Ac3-Temperatur, einem anschließenden Warmumformen vorzugsweise bei Temperaturen oberhalb der Acl- oder Ac3-Temperatur des Stahl-Werkstoffs und einem darauf folgenden raschen Abkühlen wird dadurch beeinträchtigt. Dadurch, dass nun im Bereich des Andockstempels der Abkühlung von dem Werkstück entgegengewirkt wird, kann der nachteilige Effekt eines unerwünschten Temperaturverlaufs des Werkstücks im Bereich des Andockstempels reduziert oder minimiert werden. Somit kann eine zufriedenstellende Umformbarkeit auch im Bereich des Andockstempels erreicht werden und ein im Wesentlichen vollständig durchgehärtetes Bauteil hergestellt werden, sodass Materialausschüsse im Bereich des

Andockstempels reduziert oder sogar vermieden werden können. Gleichzeitig können die Vorteile des Blasformens, das heißt die Herstellung auch von komplexen Geometrien, genutzt werden. Es hat sich zudem gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren ein Nachschieben des Materials des Werkstücks aus den Bereichen der Andockstempel begünstigt und hohe

Umformgerade erreichbar sind.

Im Ergebnis kann ein Verfahren bereitgestellt werden, welches die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen auch mit komplexer Geometrie erlaubt und gleichzeitig eine

zufriedenstellende Härtung der Bauteile ermöglicht.

Unter einer Entgegenwxrkung der Abkühlung des Werkstücks wird insbesondere verstanden, dass der Abkühlung soweit

entgegengewirkt wird, dass eine durch Abkühlung

hervorgerufene Phasentransformation im Werkstück im

Wesentlichen unterbunden werden kann, insbesondere während der Warmumformung des Werkstücks. Die Werkstücktemperatur kann also auch im Bereich des Andockstempels oberhalb der Rekristallisationstemperatur oder der Acl- oder sogar Ac3- Temperatur des Stahl-Werkstoffs gehalten werden. Erst nach dem Warmumformen, beispielsweise durch Abschrecken, wird das Werkstück wieder unter diese Temperatur gebracht. Die Werkstücke sind in der Regel Halbzeuge, welche zu einem Bauteil, insbesondere zu einem Profil, umgeformt werden können. Besonders bevorzugt sind die Werkstücke rohrförmige Werkstücke, welche zu einem rohrförmigen Profil umgeformt werden können. Die rohrförmigen Werkstücke können

beispielsweise zwei Öffnungen aufweisen, zum Beispiel an jedem Ende eine. In diesem Fall kann ein Andockstempel für jede Öffnung des Werkstücks vorgesehen sein. Es ist jedoch auch denkbar, Werkstücke mit einer oder mehr als zwei

Öffnungen zu verwenden. In diesem Fall kann eine

entsprechende Zahl von Andockstempeln vorgesehen sein. Die hergestellten Bauteile, insbesondere rohrförmige Profile, eignen sich insbesondere als Karosseriebauteile, etwa als Säulen oder Träger einer Fahrzeugkarosserie. Besonders im

Automobilbereich sind die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile, wie eine hohe Steifigkeit der Bauteile bei geringem Gewicht und wirtschaftlicher Herstellung, erwünscht .

Der Stahl-Werkstoff des Werkstücks kann beispielsweise ein Mangan-Bohr-Stahl sein. Diese Stähle können je nach Legierung durch eine Härtung Zugfestigkeiten von über 1500 MPa bis hin zu 2000 MPa erreichen.

Für das erfindungsgemäße Verfahren sind darüber hinaus

Werkstücke bevorzugt, welche eine Wanddicke zwischen 0,5 und 3,0 mm aufweisen. Das zum Formen verwendete Fluid weist vorzugsweise eine

Temperatur oberhalb er Acl- oder Ac3-Temperatur des Stahl- Werkstoffs des Werkstücks auf. Das Fluid ist vorzugsweise ein Gas, grundsätzlich kann jedoch auch eine Flüssigkeit

vorgesehen sein. Durch eine ausreichend hohe Temperatur des Fluids kann einer zu starken Abkühlung des Werkstücks bei der Warmumformung entgegengewirkt werden.

Alternativ kann das Fluid auch untemperiert in das Werkstück, beispielsweise bei Raumtemperatur eingebracht werden.

Insbesondere Fluide mit geringer Wärmeleitfähigkeit eignen sich besonders gut, da zumindest für die Zeitdauer der

Warmumformung keine zu starke Abkühlung des Werkstücks eintritt .

Das Werkstück kann beispielsweise vor dem Einbringen in das Werkzeug oder auch erst in der Vorrichtung selbst auf eine Temperatur zum Warmumformen gebracht werden, also auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur, vorzugsweise auf eine Temperatur oberhalb der Acl- oder Ac3- Temperatur des Stahl-Werkstoffs. Das Werkzeug umgreift das Werkstück vorzugsweise zumindest teilweise. Beispielsweise ist das Werkzeug als Gesenk ausgebildet. Beispielsweise umfasst das Werkzeug zwei

Gesenkhälften, in die das Werkstück eingebracht werden kann. Das Werkzeug ist vorzugsweise ein formgebendes Werkzeug und weist beispielsweise zumindest abschnittsweise eine

Negativform des herzustellenden Bauteils auf.

Der Andockstempel weist auf seiner Außenumfangsfläche bevorzugt einen Dichtbereich auf, über welchen der

Hohlbereich des Werkstücks gegenüber dem Außenbereich abgedichtet wird. In Abhängigkeit von der Geometrie des umzuformenden Werkstücks können auch zwei oder mehr Andockstempel vorgesehen sein. Der Andockstempel kann die zusätzliche Funktion haben, während der Warmumformung

Material des Werkstücks nachzuschieben. Im Falle von mehr als einem Andockstempel kann im Bereich aller oder nur einzelner Andockstempel der Abkühlung des Werkstücks entgegengewirkt werden .

Die Warmumformung in der Vorrichtung kann einerseits dadurch erreicht werden, dass der Druck des in den Hohlbereich des Werkstücks eingebrachten Fluids selbst bereits ausreicht, um eine Umformung des Werkstücks zu erreichen. Hierbei drückt eine im Wesentlichen nach außen gerichtete Umformkraft das Werkstück gegen das Werkzeug. Ein als Gesenk ausgebildetes Werkzeug umschließt das Werkstück hierbei in der Regel vollständig, bevor das Fluid unter Hochdruck in den

Hohlbereich des Werkstücks eingebracht wird. Andererseits kann das unter Druck eingebrachte Fluid auch dazu dienen, ein bestimmtes Volumen in dem Hohlbereich des Werkstücks zu fixieren. Die Umformung kann dann beispielsweise durch das Werkzeug der Vorrichtung von außen erfolgen. Ein als Gesenk ausgebildetes Werkzeug schließt sich dabei erst vollständig, nachdem das Fluid unter moderatem Druck eingebracht wurde. Es kann grundsätzlich auch eine Kombination der zuvor genannten Verfahren angewandt werden.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Abkühlung entgegenwirkt, indem das Werkstück in dem Werkzeug im Bereich des Andockstempels zumindest zeitweise erwärmt wird. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise Mittel zum Erwärmen des Werkstücks im Bereich des

Andockstempels aufweisen, beispielsweise im Werkzeug oder im Andockstempel. Es hat sich gezeigt, dass durch ein Erwärmen des Werkstücks im Bereich des Andockstempels, insbesondere während des Warmumformens, trotz einer gleichzeitigen

Wärmeabführung über die Vorrichtung, etwa den Andockstempel, einem zu starken oder schnellen Abkühlen des Werkstücks in diesem Bereich ausreichend entgegengewirkt werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Abkühlung entgegengewirkt, indem im Bereich des Andockstempels die Wärmeübertragung von dem Werkstück auf die Vorrichtung reduziert wird. Es hat sich gezeigt, dass auch durch eine Reduzierung der

Wärmeübertragung von dem Werkstück auf die Vorrichtung einem zu starken oder schnellen Abkühlen des Werkstücks in dem Bereich des Andockstempels entgegengewirkt werden kann. Dass die Wärmeübertragung auf die Vorrichtung reduziert wird, heißt beispielsweise, dass die Wärmeübertragung auf das Werkzeug im Bereich des Andockstempels und/oder auf den Andockstempel selbst reduziert wird. Gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärmeübertragung reduziert, indem die Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung im Bereich des

Andockstempels reduziert wird. Durch die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung im Bereich des

Andockstempels kann trotz einer eventuell bestehenden

Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung im Bereich des Andockstempels und dem Werkstück im Bereich des

Andockstempels der Wärmeübertragung entgegenwirkt werden. Hierbei kann beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit des Andockstempels selbst und/oder die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs im Bereich des Andockstempels reduziert sein.

Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu vom Andockstempel entfernten Bereichen des Werkzeugs

reduziert sein. Insbesondere kann dies erreicht werden, indem eine Vorrichtung (beispielsweise das Werkzeug oder der

Andockstempel) aufweisend ein Material mit geringer

Wärmeleitfähigkeit im Bereich des Andockstempels verwendet wird. Beispielsweise kann ein Andockstempel im Wesentlichen bestehend aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit und/oder eine Werkzeug mit einem Material mit geringer

Wärmeleitfähigkeit im Bereich des Andockstempels verwendet werden. Das Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit kann beispielsweise ein Werkzeugstahl mit geringer

Wärmeleitfähigkeit sein. Es sind jedoch auch andere

Materialien wie beispielsweise Keramik denkbar. Unter einer reduzierten Wärmeleitfähigkeit bzw. einem

Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit wird insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit verstanden, welche geringer ist als die des verwendeten Stahl-Werkstoffs. Beispielsweise ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials mit geringer

Wärmeleitfähigkeit geringer als 40, vorzugsweise geringer als 30 oder sogar geringer als 20 W/ (m * K) .

Wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Wärmeübertragung reduziert, indem ein

Zusatzstoff zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung, insbesondere dem Werkzeug, eingebracht wird, kann eine

Reduzierung der Wärmeübertragung ohne wesentliche

Modifikationen der Vorrichtung erreicht werden.

Beispielsweise kann im Bereich des Andockstempels ein

Schmiermittel, ein Zellstoff oder eine Keramik zwischen der

Vorrichtung und dem Werkstück vorgesehen sein. Dadurch werden die Wärmeleitfähigkeit und damit die Wärmeübertragung auf die Vorrichtung weiterhin verringert. Wird der Zusatzstoff zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung vorgesehen, wird zudem die Dichtung zwischen dem Werkstück und dem

Andockstempel nicht beeinträchtigt. Der Zusatzstoff kann beispielsweise mit dem Werkstück in die Vorrichtung

eingebracht werden oder bereits auf der Vorrichtung

vorgesehen sein.

Der Zusatzstoff weist bevorzugt eine geringe

Wärmeleitfähigkeit auf, insbesondere eine geringere

Wärmeleitfähigkeit als der verwendete Stahl-Werkstoff des Werkstücks und/oder als das Material der Vorrichtung im

Bereich des Andockstempels. Beispielsweise ist die

Wärmeleitfähigkeit des Zusatzstoffs geringer als 20,

vorzugsweise geringer als 10 oder sogar geringer als

1 W/ (m * K) .

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärmeübertragung durch eine Reduzierung der Kontaktfläche zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung reduziert, insbesondere durch eine geometrische Modifizierung der Oberfläche des Andockstempels, vorzugsweise durch eine Strukturierung, insbesondere eine oder mehrere Aussparungen. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Werkzeug im Bereich des Andockstempels derart geometrisch modifiziert sein. So kann über eine Reduzierung der Kontaktfläche zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück die Wärmeleitfähigkeit und damit die Wärmeübertragung von dem Werkstück auf die

Vorrichtung verringert werden, sodass im Endeffekt der

Abkühlung des Werkstücks im Bereich des Andockstempels entgegengewirkt werden kann. Häufig ist es nicht möglich, zusätzliche Stoffe insbesondere zwischen dem Werkstück und dem Andockstempel zu positionieren, ohne die

Dichtungsfunktion des Andockstempels zu beeinträchtigen. Es hat sich jedoch herausgestallt, dass eine Reduzierung der Kontaktfläche, wie durch das Vorsehen von einer oder mehreren Aussparungen auf der Oberfläche des Andockstempels, auch im Dichtbereich des Andockstempels die Wärmeübertragung

reduziert werden kann und trotzdem eine ausreichende

Abdichtung für das Umformen, wie das Heiß-Blasformen,

hergestellt werden kann. Durch eine Modifizierung kann auf besonders einfache Weise der Kontakt zwischen Vorrichtung und Werkstück verringert werden, wobei die in den Aussparungen vorzugsweise vorgesehene Luft als Isoliermedium dienen kann. Unter einer Reduzierung der Kontaktfläche wird beispielsweise verstanden, dass die Kontaktfläche im Vergleich zu einer Kontaktfläche ohne eine geometrische Modifizierung der

Oberfläche um mindestens 20%, vorzugsweise um mindestens 40%, besonders bevorzugt um mindestens 60%, reduziert ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärmeübertragung reduziert, indem die Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung und dem

Werkstück im Bereich des Andockstempels reduziert wird.

Dadurch kann trotz möglicherweise hoher Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Materialien die Wärmeübertragung reduziert werden. Eine Einschränkung auf die Verwendung von Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit oder Zusatzstoffen kann so umgangen werden, sodass eine größere Freiheit bei der

Gestaltung der Vorrichtung erreicht werden kann.

Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich die

Wärmeübertragung sowohl durch eine Reduzierung der

Wärmeleitfähigkeit als auch der Temperaturdifferenz zu minimieren . Unter einer Reduzierung der Temperaturdifferenz wird

verstanden, dass zumindest eine positive Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück im Bereich des Andockstempels (wenn also die Temperatur des Werkstücks im Bereich des Andockstempels größer ist als die Temperatur der Vorrichtung im Bereich des Andockstempels) reduziert wird. Eine derartige zu hohe positive Temperaturdifferenz führt nämlich zu einer Reduzierung der Temperatur im Werkstück, sodass ein Nachschieben des Materials während der Umformung bzw. eine Abschreckung von einer ausreichend hohen

Werkstückstemperatur und somit Härtung beeinträchtigt wird. Die Temperaturen der Vorrichtung und des Werkstücks im

Bereich des Andockstempels sind während der Warmumformung im Optimalfall also im Wesentlichen gleich.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperaturdifferenz dadurch reduziert, dass die Vorrichtung, insbesondere der Andockstempel und/oder das Werkzeug, im Bereich des Andockstempels temperiert wird. So kann die Temperaturdifferenz in den maßgeblichen Bereichen besonders einfach und effizient reduziert werden. Derartige temperierte Bereiche können beispielsweise Heizelemente aufweisen. Insbesondere ist durch die Temperierung die Acl- oder sogar die Ac3-Temperatur des Stahl-Werkstoffs

erreichbar. Dadurch kann das Werkstück im Bereich des

Andockstempels während der Warmumformung oberhalb der

Rekristallisationstemperatur oder oberhalb der Acl- oder sogar der Ac3-Temperatur gehalten werden. Beispielsweise wird der Andockstempel oder das Werkzeug im Bereich des

Andockstempels vor und/oder während der Warmumformung auf eine entsprechende Temperatur aufgeheizt. Die Temperierung kann beispielsweise durch induktive Erwärmung oder durch Heizpatronen erfolgen, um nur einige Beispiele zu nennen.

Wird nach dem Warmumformen des Werkstücks das umgeformte Werkstück in der Vorrichtung, insbesondere mittels eines Kühlmediums, abgeschreckt, kann das Härtegefüge besonders wirtschaftlich eingestellt werden und ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile bereitgestellt werden. Dies ist möglich, da keine zusätzliche Erwärmung des umgeformten Werkstücks bzw. Bauteils auf oberhalb der Acl- bzw. Ac3-Temperatur notwendig ist, da der Stahl-Werkstoff auch nach der Umformung in den Bereichen des Andockstempels ausreichend hohe Temperaturen aufweist. Somit ist ein

Abschrecken innerhalb der Vorrichtung möglich, welches etwaige zusätzliche Transportschritte und

Abschreckvorrichtungen erspart. Die Abschrecktemperatur ist dabei wesentlich von dem verwendeten Stahl-Werkstoff

abhängig. Als Kühlmedium kann beispielsweise eine

Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, vorgesehen sein. Es können aber auch andere Kühlmedien vorgesehen sein, etwa gasförmige oder feste. Das Abschrecken des Werkstücks erfolgt bevorzugt bei zurückgefahrenem Andockstempel. Es ist jedoch auch denkbar, das Kühlmedium über den Andockstempel in das umgeformte Werkstück einzubringen.

Es versteht sich, dass die verschiedenen aufgezeigten

Möglichkeiten, um einer Abkühlung des Werkstücks im Bereich des Andockstempels entgegenzuwirken, miteinander kombiniert werden können.

Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs aufgezeigte Aufgabe mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung zum Formen eines einen Hohlbereich aufweisenden und zumindest teilweise aus einem Stahl-Werkstoff bestehenden Werkstücks, insbesondere zur Durchführung eines

erfindungsgemäßen Verfahrens, dadurch gelöst, dass im Bereich des Andockstempels Mittel vorgesehen sind, um der Abkühlung des Werkstücks entgegenzuwirken.

Die Mittel, um der Abkühlung des Werkstücks entgegenzuwirken, können dabei sowohl zusätzliche Mittel sein als auch

beispielsweise Teile oder besondere Ausgestaltungen der

Vorrichtung selbst sein. Auch können die Mittel durch eine bestimmte Materialwahl oder eine bestimmte geometrische

Ausgestaltung realisiert sein. Somit kann wie in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren bereits ausgeführt, der nachteilige Effekt eines

unerwünschten Temperaturverlaufs des Werkstücks im Bereich des Andockstempels, insbesondere während des Warmumformens, reduziert werden. So kann eine zufriedenstellende

Umformbarkeit auch im Bereich des Andockstempels erreicht und ein im Wesentlichen vollständig durchgehärtetes Bauteil hergestellt werden, sodass Materialausschüsse im Endbereich der Bauteile reduziert oder sogar vermieden werden können. Gleichzeitig können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft auch komplexe Geometrien hergestellt werden.

Die Mittel, um der Abkühlung des Werkstücks entgegenzuwirken, können insbesondere derart eingerichtet sein, dass während der Warmumformung des Werkstücks eine Phasentransformation im Werkstück durch Abkühlung im Wesentlichen unterbunden werden kann, die Werkstücktemperatur also auch im Bereich des

Andockstempels oberhalb der Rekristallisationstemperatur oder der Acl- oder sogar der Ac3-Temperatur des Stahl-Werkstoffs gehalten werden kann.

Im Ergebnis kann daher eine Vorrichtung bereitgestellt werden, welche die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen auch mit komplexer Geometrie erlaubt und gleichzeitig eine zufriedenstellende Härtung der Bauteile ermöglicht.

Die Vorrichtung kann zudem weitere Mittel zur Durchführung zuvor beschriebener Verfahrensschritte aufweisen.

Beispielsweise kann die Vorrichtung Mittel zum Aufwärmen oder Kühlen des Werkstücks aufweisen. Beispielsweise kann die Vorrichtung Heizelemente, etwa Induktionsspulen, oder Mittel zum Einbringen eines Kühlmediums aufweisen.

Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist als Mittel, um der Abkühlung des Werkstücks

entgegenzuwirken, mindestens ein Heizelement zur Erwärmung des Werkstücks im Bereich des Andockstempels vorgesehen. Es hat sich gezeigt, dass durch ein Erwärmen des Werkstücks im Bereich des Andockstempels, insbesondere während des

Warmumformens, trotz einer gleichzeitigen Wärmeabführung über die Vorrichtung, etwa den Andockstempel, einem zu starken oder schnellen Abkühlen des Werkstücks in diesem Bereich ausreichend entgegengewirkt werden kann.

Gemäß einer nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind als Mittel, um der Abkühlung des Werkstücks entgegenzuwirken, Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung von dem Werkstück auf die Vorrichtung vorgesehen. Durch das

Vorsehen der Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung kann erreicht werden, dass weniger Wärme von dem Werkstück im Bereich des Andockstempels über den Andockstempel abgeführt wird, um so einer Abkühlung entgegenzuwirken.

Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung sind als Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung Mittel zur Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung im Bereich des

Andockstempels vorgesehen. Entsprechende Mittel können etwa Zusatzstoffe oder Abstandselemente sein, welche im Bereich des Andockstempels vorgesehen sind und entweder Teile der Vorrichtung selbst sein oder als zusätzliche Elemente ausgebildet sein können. Durch Mittel zur Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung im Bereich des

Andockstempels kann trotz einer eventuell bestehenden

Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung im Bereich des Andockstempels und dem Werkstück im Bereich des

Andockstempels die Wärmeübertragung reduziert werden.

Insbesondere kann die Vorrichtung im Bereich des

Andockstempels, insbesondere der Andockstempel und/oder das Werkzeug im Bereich des Andockstempels, als Mittel zur

Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Mögliche Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit sind beispielsweise ein

Werkzeugstahl mit geringer Wärmeleitfähigkeit oder eine Keramik.

Unter einer reduzierten Wärmeleitfähigkeit bzw. einem

Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit wird insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit verstanden, welche geringer ist als die des verwendeten Stahl-Werkstoffs. Beispielsweise ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials mit geringer Wärmeleitfähigkeit geringer als 40, vorzugsweise geringer als 30 oder sogar geringer als 20 W/ (m * K) .

Die Wärmeübertragung kann weiterhin vorteilhaft dadurch reduziert werden, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung als Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung ein Zusatzstoff zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung, insbesondere dem Werkzeug, eingebracht ist. Ein solcher

Zusatzstoff kann beispielsweise ein Schmiermittel sein, welches auf der Vorrichtung oder dem Werkstück vorgesehen sein kann.

Die Wärmeübertragung kann weiterhin vorteilhaft dadurch reduziert werden, wenn gemäß einer nächsten Ausgestaltung der Vorrichtung als Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung die Kontaktfläche zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung reduziert ist, insbesondere die Oberfläche des Andockstempels geometrisch modifiziert ist und vorzugsweise eine

Strukturierung, insbesondere eine oder mehrere Aussparungen aufweist. Die reduzierte Kontaktfläche ist bevorzugt im

Dichtbereich des Andockstempels vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Werkzeug im Bereich des

Andockstempels derart geometrisch modifiziert sein. Sind als Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung Mittel zur Reduzierung der Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück im Bereich des Andockstempels vorgesehen, kann eine Wärmeübertragung unabhängig von der

Wärmeleitfähigkeit der in Kontakt stehenden Bereiche der

Vorrichtung und dem Werkstück im Bereich des Andockstempels erreicht werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung können als Mittel zur Reduzierung der Temperaturdifferenz besonders einfach ein temperierter Andockstempel und/oder ein im

Bereich des Andockstempels temperiertes Werkzeug vorgesehen sein. Die Temperierung kann beispielsweise mittels

Induktionsspulen oder Heizpatronen erfolgen. Ebenfalls können Fluide verwendet werden, welche den Andockstempel und/oder das Werkzeug im Bereich des Andockstempels erhitzen können.

Schließlich kann die Vorrichtung dadurch vorteilhaft

weitergebildet werden, dass der Andockstempel verfahrbar ist. Dadurch kann der Andockstempel nicht nur nahezu unabhängig von der Werkstückgeometrie sicher gegen das Werkstück

abdichten, sondern auch ein Abkühlen oder Abschrecken des umgeformten Werkstücks erleichtert werden, da bei

zurückgefahrenem Andockstempel auf einfache Weise ein Spülen mittels eines Kühlmediums, beispielsweise Wasser, erfolgen kann .

In Bezug auf weitere Vorteile und vorteilhafte

Ausgestaltungen der Vorrichtung gemäß der zweiten Lehre der Erfindung wird auf die Ausführungen in Bezug das Verfahren gemäß der ersten Lehre der Erfindung verwiesen.

Im Weitern wird die Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht einen Teil eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Formen eines Werkstücks 2 zur Herstellung eines geformten Bauteils. Das Werkstück 2 besteht aus einem härtbaren Stahl und ist in diesem Fall ein rohrförmiges Werkstück, welches in ein rohrförmiges Profil umgeformt werden soll. Das Werkstück 2 weist zudem einen Hohlbereich 2a auf. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Werkzeug 4, welches zwei formgebende

Gesenkhälften 4a und 4b aufweist, und einen axial verfahrbaren Andockstempel 6. Die Form des herzustellenden Profils wird durch die formgebenden Innenumfangsflächen der Gesenkhälften 4a und 4b bestimmt. Das Werksstück 2 ist bereits in das Werkzeug 4 eingebracht, wobei die Öffnung des Hohlbereichs 2a des Werkstücks 2 durch den Andockstempel 6 dicht verschlossen ist. Hierzu liegt der Andockstempel 6 mit seiner als Dichtbereich ausgestalteten Oberfläche 6a dicht an der Innenumfangsfläche im Endbereich des Werkstücks 2 an. Der Andockstempel 6 ist hierzu an das Werkstück 2 angepasst und ist in diesem Fall im Wesentlichen rotationssymmetrisch und konisch zulaufend ausgebildet. Zum Einbringen eines Fluids in den Hohlbereich 2a zum Formen des Werkstücks weist der

Andockstempel 6 eine koaxial angeordnete Fluidzuführung 8 auf .

Die Vorrichtung kann beispielsweise noch einen zweiten oder weitere Andockstempel aufweisen, mit dem eine zweite Öffnung bzw. weitere Öffnungen des rohrförmigen Werkstücks 2

abgedichtet werden (nicht dargestellt) . Exemplarisch wird jedoch lediglich ein Andockstempel 6 beschrieben.

Das Werkstück 2 kann beispielsweise bereits vor dem

Einbringen in das Werkzeug 4, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, auf eine Temperatur oberhalb der Ac3-Temperatur gebracht werden. Alternativ kann das Werkstück 2 aber auch erst im Werkzeug 4 erwärmt werden.

Wird nun ein heißes Fluid, beispielsweise oberhalb der Acl- Temperatur, mittels der Fluidzuführung 8 in den Hohlbereich 2a des in dem Werkzeug 4 fixierten Werkstücks 2 eingebracht, kann das Werkstück 2 in Zusammenwirken mit den formgebenden Gesenkhälften 4a, 4b warmumgeformt werden. Hierbei kann die Umformung durch das unter Hochdruck eingebrachte Fluid oder durch ein Zusammenführen der Gesenkhälften 4a, 4b bei unter moderatem Druck eingebrachten Fluid realisiert werden.

Ebenfalls kann eine Kombination dieser Verfahren vorgesehen sein.

Um die Umformung zu unterstützen weist der Andockstempel 6 weiterhin den Vorsprung 6b auf, welcher das Werkstück

hintergreift. Hierdurch kann Material des Werkstücks 2 in den Bereich zwischen den Gesenkhälften 4a, 4b nachgeschoben werden, sodass sichergestellt werden kann, dass in Bereichen hoher Umformgrade genug Material zur Verfügung steht.

Wie bereits beschrieben, liegt der Andockstempel 6 jedenfalls während der Umformung mit dem Dichtbereich 6a an der

Innenumfangsfläche im Endbereich des Werkstücks 2 an. Dadurch würde bei Vorrichtungen und Verfahren aus dem Stand der

Technik jedoch ein nicht zu vernachlässigender Wärmeübertrag von dem erwärmten Werkstück 2 auf den Andockstempel 6 erfolgen und eine Abkühlung des Werkstücks 2 in diesem und angrenzenden Bereichen zur Folge haben.

Um der Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des

Andockstempels 6 entgegenzuwirken, weist die Vorrichtung 1 nun zur Reduzierung der Wärmeübertragung von dem Werkstück 2 auf die Vorrichtung 1 Mittel zur Reduzierung der

Temperaturdifferenz zwischen dem Andockstempel 6 der

Vorrichtung 1 und dem Werkstück 2 in Form eines über

Heizelementen 10 temperierten Andockstempels 6 auf. Die Heizelemente 10 können beispielsweise durch Heizpatronen oder eine aktive Temperierung realisiert sein. Durch die

Heizelemente 10 kann der Andockstempel beispielsweise auf eine Temperatur oberhalb der Acl- oder der Ac3-Temperatur gebracht werden. Dadurch wird eine Phasenumwandlung des

Stahl-Werkstoffs während der Warmumformung durch Abkühlung im Bereich des Andockstempels verhindert. Durch ein

anschließendes Abkühlen bzw. Abschrecken des umgeformten Werkstücks 2 kann daher eine Härtung insbesondere auch im Bereich des Andockstempels 6 erfolgen, ohne das Werkstück erneut erwärmen zu müssen. Alternativ kann das Heizelement 10 beispielsweise auch als Induktionsspule ausgebildet sein, sodass primär eine

Erwärmung des Werkzeugs 2 im Bereich des Andockstempels 6 erreicht wird. In diesem Fall wird nicht zwangsweise die Temperaturdifferenz zwischen dem Andockstempel 6 und dem Werkstück 2 verringert, aber jedenfalls einer Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 durch die

Erwärmung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegengewirkt . Zum Härten kann der Andockstempel 6 nach dem Warmumformen des Werkstücks 2 zu einem Profil beispielsweise in axialer

Richtung entfernt werden, sodass durch das Einbringen eines Kühlmediums das hergestellte Profil gehärtet werden kann. Somit kann eine verbesserte Umformbarkeit im Bereich des Andockstempels 6 erreicht werden und ein im Wesentlichen vollständig durchgehärtetes Bauteil hergestellt werden, sodass Materialausschüsse aufgrund ungehärteter

Werkstückbereiche aus dem Bereich des Andockstempels 6 verringert werden. Gleichzeitig kann die Herstellung von

Hohlprofilen mit komplexer Geometrie erreicht werden. Zudem wird ein Nachschieben des Materials des Werkstücks 2 aus dem Bereich des Andockstempels 6 aufgrund der reduzierten

Abkühlung des Werkstücks 2 vereinfacht, sodass hohe

Umformgerade des Werkstücks 2 erreichbar sind. Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer

Vorrichtung 1', welche ähnlich zu der Vorrichtung 1 aus Fig. 1 ist. Insofern wird im Folgenden lediglich auf die

Unterschiede eingegangen und gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen werden. Die Vorrichtung 1' aus Fig. 2 weist im Unterschied zur Vorrichtung 1 aus Fig. 1 keine Mittel zur Reduzierung der Temperaturdifferenz zwischen dem Werkstück 2 und der Vorrichtung 1' auf, sondern weist stattdessen Mittel zur Reduzierung der

Wärmeleitfähigkeit des Andockstempels 6 und des Werkzeugs 4 im Bereich des Andockstempels 6 auf. Die Mittel sind in diesem Fall dadurch vorgesehen, dass sowohl das Werkzeug 4 im Bereich des Andockstempels 6 als auch der Andockstempel 6 selbst ein Material 11 mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweisen. In diesem Fall besteht der Andockstempel 6 aus einem Werkzeugstahl 11 oder einer Keramik mit geringer

Wärmeleitfähigkeit und die Gesenke 4a, 4b weisen im Bereich des Andockstempels 6 ebenfalls einen Werkzeugstahl 11 oder eine Keramik mit geringer Wärmeleitfähigkeit auf, wie durch den kreuzschraffierten Bereich gekennzeichnet. Hierdurch kann ebenfalls die Wärmeübertragung von dem Werkstück 2 auf die Vorrichtung 1' reduziert werden und letztendlich einer

Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegengewirkt werden. Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer

Vorrichtung 1'', welche ähnlich zu der Vorrichtungen aus Fig. 1 bzw. 2 ist. Bei der Vorrichtung 1' ' aus Fig. 3 ist zur Reduzierung der Wärmeübertragung in diesem Fall ein Zusatzstoff 12 im Wesentlichen im gesamten Bereich zwischen dem Werkstück 2 und den Gesenken 4a, 4b der Vorrichtung 1'' vorgesehen. Im Ergebnis kann wiederum die Wärmeübertragung von dem Werkstück 2 auf die Vorrichtung 1' ' reduziert werden und letztendlich einer Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegengewirkt werden.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer

Vorrichtung 1' ' ' , welche ähnlich zu den zuvor gezeigten

Vorrichtungen aus den Fig. 1 bis 3 gestaltet ist. Im

Unterschied sind jedoch im Bereich des Andockstempels die Mittel, welche vorgesehen sind, um der Abkühlung des

Werkstücks 2 entgegenzuwirken, durch eine Reduzierung der Kontaktfläche zwischen dem Werkstück 2 und der Dichtfläche 6a des Andockstempels 6 realisiert. Dies wird dadurch erreicht, dass die Oberfläche 6a des Andockstempels 6 geometrisch modifiziert ist, indem eine Strukturierung in Form von

Aussparungen 14 in die als Dichtbereich ausgestaltete

Oberfläche 6a des Andockstempels 6 eingebracht ist. Im

Ergebnis kann durch die reduzierte Kontaktfläche wiederum die Wärmeübertragung von dem Werkstück 2 auf die Vorrichtung \' ' ' reduziert werden und letztendlich einer Abkühlung des

Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegengewirkt werden.

Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer

Vorrichtung 1' ' ' ' , welche ähnlich zu den zuvor gezeigten Vorrichtungen aus den Fig. 1 bis 4 gestaltet ist. Um der Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegenzuwirken, weißt die Vorrichtung ' ' ' ' wie die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 zur Reduzierung der Wärmeübertragung von dem Werkstück 2 auf die Vorrichtung 1 Mittel zur

Reduzierung der Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtung 1'''' und dem Werkstück 2 auf. In diesem Fall wird allerdings nicht der Andockstempel 6, sondern das Werkzeug 4 durch die Heizelementen 16 temperiert, sodass die Temperaturdifferenz zwischen dem Werkzeug 4 und dem Werkstück 2 reduziert wird. Die Heizelemente 16 können wiederum durch Heizpatronen oder eine aktive Temperierung realisiert sein. Durch die

Heizelemente 10 kann der Andockstempel beispielsweise auf eine Temperatur oberhalb der Acl- oder der Ac3-Temperatur gebracht werden. Dadurch wird eine Phasenumwandlung des Stahl-Werkstoffs während der Warmumformung durch Abkühlung im Bereich des Andockstempels verhindert. Durch ein

anschließendes Abkühlen bzw. Abschrecken des umgeformten Werkstücks 2 kann daher eine Härtung insbesondere auch im Bereich des Andockstempels 6 erfolgen, ohne das Werkstück erneut erwärmen zu müssen.

Alternativ kann auch das Heizelement 16 als Induktionsspule ausgebildet sein, sodass primär eine direkt Erwärmung des

Werkzeugs 2 im Bereich des Andockstempels 6 erreicht wird. In diesem Fall wird also wiederum nicht zwangsweise die

Temperaturdifferenz zwischen dem Werkzeug 4 und dem

Werkstücks 2 verringert, aber jedenfalls einer Abkühlung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 durch die

Erwärmung des Werkstücks 2 im Bereich des Andockstempels 6 entgegengewirkt .