Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zur Herstellung von warmumgeformten Bauteilen.

Im heutigen Automobilbau erhöht sich der Komfort für die Fahrzeuginsassen zunehmend, durch den Einsatz von Sonderausstattungen. Diese umfassen viele elektromechanische Bauteile wie Sensoren, Motoren, Aktuatoren, und dienen dazu dem Fahrer die Fahraufgabe zu erleichtern. Gleichzeitig mit dem Komfortzuwachs erhöht sich jedoch auch das Fahrzeuggewicht. Um dem entgegen zu wirken, wird im Stand der Technik versucht, die Strukturbauteile der Karosserie gewichtsreduziert auszugestalten.

Die Strukturbauteile der Karosserie sind nicht nur maßgeblich an der Stabilität des Fahrzeugs beteiligt, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Sicherheit im Crash-Fall. Um diesen Zielkonflikt zwischen Reduktion des Bauteilgewichts von Strukturbauteilen bei gleichzeitiger Beibehaltung bzw. Realisierung hoher mechanischer Kennwerte aufzulösen, hat es sich in der Vergangenheit bewährt, Strukturbauteile mittels Warmumformung herzustellen. Warmumformprozesse sind in der Literatur auch als Formhärten oder Presshärten beschrieben.

Zur Herstellung formgehärteter Bauteile, insbesondere zur Herstellung von Karosseriebauteilen sind zwei prinzipiell unterschiedliche Verfahren bekannt. Bei dem direkten Warmumformverfahren wird zunächst eine Platine in einem Ofen auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls erwärmt und in einem Werkzeug anschließend zeitgleich umgeformt und abgekühlt d.h. formgehärtet. In dem indirekten Warmumformverfahren wird aus einer Platine zuerst durch Kaltumformen ein fertig geformtes und beschnittenes Bauteil aus Stahl erzeugt. Dieses wird dann in einer Erwärmungsanlage auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls erwärmt und in einem Werkzeug anschließend durch rasches Abkühlen formgehärtet, in beiden Warmumformverfahren, wird die Platine oder ein bereits fertig geformtes und beschnittenes Bauteil aus Stahl im Anschluss an die Erwärmung auf die Austenitisierungstemperatur in dem Werkzeug thermomechanisch umgeformt, wobei die thermomechanische Umformung bei einer Temperatur oberhalb der Austinitisierungsendtemperatur Ac3 (ca.830°C) bevorzugt zwischen 900 und 1100°C erfolgt. Die Abkühlung der umgeformten Werkstücke erfolgt mittels einer Kühlung, die sich in einem geschlossenen Werkzeugkörper befinden. Dadurch können Bauteile mit besonders hohen mechanischen Eigenschaften, insbesondere mit hohen Festigkeiten erzeugt werden.

Die Patentschrift DE 19723655 B4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Stahlblechprodukten durch Erwärmen eines abgemessenen Stahlblechs, Warmverformung des Stahlblechs in einem Werkzeugpaar, Härten des gebildeten Produkts durch schnelles Abkühlen von einer austenitischen Temperatur, während es weiterhin in dem Werkzeugpaar gehalten ist und anschließende Bearbeitung des Produkts.

Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Formwerkzeug anzugeben zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Fahrzeugbauteilen aus Blech, bei denen besonders gute mechanische Kennwerte realisiert werden und gleichzeitig das Bauteilgewicht reduziert wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Formwerkzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Formwerkzeug zur Herstellung von warm umgeformten Bauteilen, insbesondere Blechformteilen vor, mit einem Werkzeugunterteil und einem Werkzeugoberteil, die zueinander relativ beweglich sind und die mit korrespondierenden Wirkflächen zur Formgebung des Bauteils ausgebildet sind, wobei mindestens die Wirkfläche eines Werkzeugteils zumindest abschnittsweise kühlbar ausgebildet ist und in dem Werkzeugteil Kühlleitungen vorgesehen sind. In mindestens einem der beiden Werkzeugteile kann mindestens eine Ausnehmung vorgesehen sein, die in einem geschlossenen Zustand des Werkzeugs mit dem Bauteil eine Luftkammer bildet, die als thermischer Isolator zwischen dem Bauteil und dem Werkzeugteil fungiert. Der Gegenstand der Erfindung basier auf dem Effekt, dass ein in einem Ofen auf eine Temperatur über AC3 erwärmtes Werkstück zwischen die Werkzeugteile eingebracht wird und im direkten Verfahren warmumgeformt wird, wobei das Werkstück zeitgleich geometrisch umgeformt und thermisch abgekühlt wird. In dem Bereich des Werkstücks an dem die Ausnehmung angrenzt, dient ein in der Kammer eingeschlossenes Medium als Isolator, so dass dadurch das Werkstück im Bereich der Kammer langsamer als in den restlichen Bereichen des Bauteils abgekühlt wird. Dadurch stellt sich in diesem Bereich des Werkstücks, ein Gefüge mit geringeren mechanischen Festigkeitskennwerten ein als im restlichen Bauteil. Als Medium eignen sich insbesondere Gase, beispielsweise Inertgase oder Umgebungsluft.

Die Ausnehmung kann volumenvariabel ausgebildet sein. Dadurch kann die Menge an Luft in der Kammer je nach Bedarf erhöht oder reduziert und damit der Grad der Isolation gegenüber dem gekühlten Werkzeugteil variiert werden. Hierbei wird eine höhere Isolation erzielt, je höher die Menge an Luft in der Kammer ist.

In dem Werkzeugteil in dem die Ausnehmung ausgebildet ist, kann ein Einsatz angeordnet sein, der eine werkzeugseitige Rückwand der Luftkammer ausbildet. Mit anderen Worten: der Einsatz hat einen dem Bauteil zugewandten Oberflächenabschnitt, der einen Teil der Wandung der Ausnehmung bildet. Weiterhin kann der Einsatz beweglich, insbesondere linear verschiebbar, in dem Werkzeugteil angeordnet ist. Dadurch kann je nach gewünschtem Isolationsgrad der Einsatz in eine korrespondierende Position überführt werden und dadurch das Volumen der Luftkammer definiert werden.

Darüber hinaus können in dem Einsatz Kanäle vorgesehen sein, zur Temperierung des Einsatzes. Bevorzugt wird der Einsatz mit einem temperierten Medium, insbesondere mit einem Gas oder mit einer Flüssigkeit beispielsweise Öl oder Wasser auf eine vorbestimmte Temperatur eingestellt. Das Medium wird dabei in einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung temperiert und durch die Kanäle des Einsatzes geleitet. Dies bietet den Vorteil, dass der Einsatz je nach Bedarf erwärmt oder abgekühlt werden kann. Dadurch kann das Volumen in der Kammer ebenfalls temperiert werden, wodurch gewünschte mechanische Eigenschaften in bestimmten Bereichen des Blechteils eingestellt werden können.

Der Einsatz kann in einem geschlossenen Zustand des Werkzeugs in einer zurückgezogenen Position sein, zur Erzeugung der Ausnehmung. In dieser Position wird dann eine mit Medium/Luft gefüllte Kammer ausgebildet. In einem geöffneten Zustand des Werkzeugs kann der Einsatz in einer vorgeschobenen Position sein, in der das Volumen der Ausnehmung gegenüber dem Volumen der Ausnehmung in der zurückgezogenen Position des Einsatzes zumindest verkleinert ist. Dadurch wird wahlweise nach jedem Umformvorgang oder nach einer vorbestimmten Anzahl von Umformvorgängen die Luft aus der Kammer entfernt und dadurch verhindert, dass sich die Luft in der Kammer übermäßig erwärmt. Die Ausnehmung bzw. die Kammer wird folglich regelmäßig mit dem Medium/Luft gespült. Der Warmumformvorgang - und nicht zu Letzt das Gefüge in diesem Bereich des Werkstücks - wird somit nicht beeinträchtigt.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Ausnehmung über eine Steuerung oder eine Regelung aktiv gespült werden. Die Blechformteile können aus Eisenmetall insbesondere aus Stahl und/oder aus Nichteisenmetall insbesondere aus Aluminium und/oder Magnesium ausgebildet sein.

Die Kühlleitungen können ein Kühlmittel im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Bauteils führen. Das in den Kühlleitungen geführte Kühlmittel, das gasförmig oder flüssig sein kann, kommt nicht in direkten Kontakt mit dem Bauteil. Die thermische Energie des Kühlmittels in den Kühlleitungen wirkt durch das Material des Werkzeugteils auf das Bauteil bzw. Werkstück, das beim Umformen mit dem Werkzeugteil im berührenden Kontakt steht. Somit können einzelne Bereiche des Bauteils bzw. des Werkstücks unterschiedlich schnell bzw. unterschiedlich stark abgekühlt werden und dadurch verschiedene mechanische Eigenschaften in dem Bauteil realisiert werden.

Darüber hinaus können die Kühlleitungen über ein gemeinsames Zuführsystem mit Kühlmittel versorgt werden. Dies bietet den Vorteil, dass eine gleichmäßige Temperierung bzw. Versorgung mit Kühlmittel gleicher Temperatur in allen Kühlleitungen sichergestellt wird.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Formwerkzeuges kann die Wirkfläche des Werkzeugoberteils und/oder die Wirkfläche des Werkzeugunterteils zumindest abschnittsweise kühlbar ausgebildet sein. Aufgrund der geringen Dicke des Blechbauteils, die im Bereich von 0,5 bis 5 mm liegt, ist eine einseitige Kühlung ausreichend. Um jedoch eine besonders schnelle und starke Abkühlung zu realisieren, kann es von Vorteil sein, eine beidseitige Kühlung zu realisieren.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Figurenbeschreibung, die Ansprüche sowie die Zeichnungen enthalten Merkmale, die ein Fachmann ggf. auch in anderer Kombination in Betracht ziehen würde, um sie an entsprechende Anwendungsfälle der Erfindung anzupassen. Es zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Schnittansicht durch ein Formwerkzeug.

Fig. 1 zeigt ein Formwerkzeug 10, das in Pressen einsetzbar ist zur Warmumformung von Werkzeugen, insbesondere Blechplatinen zu Blechbauteilen 17. Das Formwerkzeug 10 weist eine untere Werkzeughälfte 12u auf, die auf einer Grundplatte 1 1 aufsitzt. Die untere Formwerkzeughälfte 12u wirkt mit einer oberen Formwerkzeughälfte 12o zusammen. Die einander zugewandten Wirkflächen der oberen Formwerkzeughälfte 12o und der unteren Formwerkzeughälfte 12u sind korrespondierend ausgebildet, so dass sie wie Matrize und Stempel eines Pressenwerkzeugs fungieren. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist die Werkzeughälfte 12o als Stempel und die Werkzeughälfte 12u als Matrize ausgebildet. Ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, können in nicht gezeigten Alternativen Ausführungsformen die obere und die untere Formwerkzeughälfte ihre Anordnung betreffend vertauscht werden, so dass das Oberwerkzeug als Matrize und das Unterwerkzeug als Stempel fungieren. Die obere Werkzeughälfte 12o und die untere Werkzeughälfte 12u sind zueinander relativ beweglich. Die in Fig. 1 dargestellten Formwerkzeughälften 12o, 12u können auseinander- und wieder zusammengefahren werden. Beim Zusammenfahren der Formwerkzeughälften gerät ein Blechstück bzw. eine Blechplatine zwischen die Formwerkzeughälften, und wird von den Wirkflächen umfasst und umgeformt. Der in Fig. 1 dargestellte Zustand entspricht einer Endposition der Werkzeughälften 12u, 12o bei einem Umformvorgang in der das Bauteil 17 fertig umgeformt wird.

In der oberen Werkzeug hälfte 12o ist ein Einsatz 16 abgebildet, der entlang des Doppelpfeils B relativ zu der Werkzeughälfte 12o beweglich ist. Der Einsatz 16 ist somit linear verschiebbar in Richtung zu dem Bauteil 17 hin und von dem Bauteil 17 weg. In Figur 1 führt der Einsatz 16 eine Linearbewegung im Wesentlichen senkrecht zu der Bauteiloberfläche durch. Alternativ dazu kann jedoch auch eine Bewegung schräg zur Bauteiloberfläche durchgeführt werden. In dem in Figur 1 dargestellten geschlossenen Zustand des Werkzeugs 10, bildet der Einsatz 16 eine Ausnehmung 15 aus. Die Ausnehmung 15 fungiert als Kammer, die mit Luft befüllt ist. Diese Kammer 15 wird berandet von einer Oberfläche des Einsatzes 16, die dem Bauteil 17 zugewandt ist, einer inneren Oberfläche des Durchbruchs durch die obere Werkzeug hälfte 12o in dem der Einsatz 16 eingebracht ist und einem Abschnitt der Oberfläche des Bauteils 17. Die Luft in dieser Kammer 16 isoliert das aus dem Ofen kommende warme Blechteil 17 gegenüber der oberen Werkzeug hälfte 12o und dem darin befindlichen Einsatz 16. Somit ist der Wärmeübergang von dem Bauteil 17 auf das Formwerkzeug an dieser Stelle langsamer als in den übrigen Bauteilbereichen, in denen das Bauteil 17 direkt mit dem Werkzeug 10 in berührendem Kontakt steht. Das Bauteil 17 kühlt im Bereich der Luftkammer

15 langsamer ab, so dass sich in diesem Bereich ein Gefüge mit niedrigen mechanischen Kennwerten, insbesondere mit niedrigen Festigkeitswerten einstellt. Der Luftspalt 15 deckt damit exakt den Bereich ab, der im späteren Bauteil bzw. Fahrzeug durch niedrige Festigkeit und somit hohe Duktilität gekennzeichnet ist. Die Eigenschaften des Bauteils können damit so eingestellt werden, dass sich im Falle eines Fahrzeugcrashs eine gezielte Verformung des duktilen Bereichs ergibt.

Die Größe der Luftkammer 15 kann durch Verschiebung des Einsatzes 16 verändert werden. Je nach gewählter Position des Einsatzes 16 d.h. je nach Größe der Luftkammer 16, lassen sich entsprechend andere gewünschte Festigkeitswerte in dem Bereich des Bauteils einstellen. Die Luftkammer 16 kann dabei insbesondere mit geringem Volumen auch als Spalt ausgebildet sein.

Alternativ zum Medium Luft, können auch andere Gase zur Füllung der Kammer 16 verwendet werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können optional in dem Einsatz

16 Kanäle 18 angeordnet sein, die zur Temperierung des Einsatzes dienen. Hierzu wird der Einsatz 16 mit einem temperierten Medium durchspült und auf eine vorbestimmte Temperatur eingestellt. Das Medium wird dabei in einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung vortemperiert und durch die Kanäle 16 des Einsatzes 18 geleitet. Damit kann über die Temperatur des Mediums die Temperatur des Einsatzes 16 und damit der Luft in der Kammer 15 gesteuert oder geregelt werden. Als Medium eignen sich insbesondere Gase, beispielsweise Inertgase oder Flüssigkeiten beispielsweise Öl oder Wasser Das Vorsehen von Kanälen 18 ist jedoch nur optional. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Einsatz 16 auch ohne die mediumführenden Kanäle 18 ausgebildet sein.

In der unteren Formwerkzeughälfte 12u ist ein Formeinsatz 13 vorgesehen, in dem ein Kühlsystem, das mehrere Kühlleitungen 14 aufweist, integriert ist. Die Verwendung derartiger Kühleinsätze 13 bietet zum einen den Vorteil, dass verschiedene Bauteilkonturen geprägt werden können mit einem unteren Formwerkzeug 12u, indem der Formeinsatz 13 entsprechend der gewünschten Bauteilform ausgewechselt werden kann. Die Kühlleitungen 14 sind fluidisch mit einem Verteiler- oder Anschlusssystem verbunden. Das Kühlmittel wird somit über das Anschlusssystem eingebracht, und auf die Kühlleitungen 14 verteilt.

Die in Fig. 1 dargestellten Kühlleitungen 14 verlaufen im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Bauteils 17 und damit auch im Wesentlichen parallel zu der Wirkfläche der Formwerkzeughälften 12u, 12o. Die Kühlleitungen 14 folgen damit der Bauteilkontur in einem gewissen Abstand in den Formeinsatz 13 der unteren Formwerkzeughälfte 12u.

Als Kühlmittel für die Kühlleitungen 14 eignen sich gasförmige Kühlmedien, flüssige Kühlmedien oder eine Kombination daraus.

In Fig. 1 ist nur ein einziger Einsatz 16 abgebildet, der im oberen Werkzeugteil 12o angeordnet ist. Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann der Einsatz im unteren Werkzeugteil 12u angeordnet sein. Alternativ können ein oder mehrere Einsätze 13 sowohl in der oberen wie auch in der unteren Werkzeughälfte 12o, 12u positioniert sein. Darüber hinaus ist lediglich die untere Werkzeughälfte 12u mit Kühlleitungen 14 versehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung, kann alternativ dazu die Anordnung des Kühlsystems, d.h. das Anschlusssystem und die Kühlleitungen 14 auch in der oberen Werkzeughälfte 12o angeordnet sein. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können sowohl in der oberen Werkzeug hälfte 12o als auch in der unteren Werkzeughälfte 12u Kühlleitungen 14 vorgesehen sein. Darüber hinaus kann ein Formeinsatz 13 alternativ in der oberen Werkzeughälfte 12o oder in beiden Werkzeughälften angeordnet sein.

Bezugszeichenliste

10 Formwerkzeug

11 Werkzeug Grundplatte 12u Werkzeugunterteil 12o Werkzeugoberteil

13 Werkzeugeinsatz

14 Kühlleitungen

15 Ausnehmung

16 Einsatz

17 Bauteil

18 Kanäle