Titel Werkzeug zum Umformen und/oder partiellen Presshärten eines Werkstücks und Verfahren zum Umformen und/oder partiellen Presshärten eines Werkstücks

Stand der Technik Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Umformen und/oder partiellen Presshärten eines Werkstücks und ein Verfahren zum Umformen und/oder partiellen Presshärten eines Werkstücks.

Bei der Warmumformung bzw. beim Presshärten von Mangan-Bor-Stählen und möglichen Verbundwerkstoffen, wie z. B. TriBond®, werden zur lokalen Reduzierung der Abkühlgeschwindigkeit tempe- rierte Werkzeuge eingesetzt. Durch die reduzierte Abkühlgeschwindigkeit wird an dem so behandelten Werkstück lokal eine verbesserte Duktilität eingestellt. Dabei werden lokal Werkzeugoberflächentemperaturen von mehr als 400 °C, vorzugsweise zwischen 500 °C und 550 °C, angestrebt. Auch Leichtmetalle, wie beispielsweise Aluminium und Magnesium, werden in temperierten Werkzeugen bei Temperaturen von mehr als 150 °C umgeformt.

In der Regel werden zum lokalen Temperieren der Werkzeuge elektrisch betriebene Heizpatronen verwendet, die direkt ihre Wärmeenergie in den Werkzeugstahl abgeben . Infolgedessen können hohe Temperaturunterschiede von mehr als 200 °C entlang der Oberfläche entstehen, die dem allgemeinen Interesse an einem homogenen Erwärmen der Oberfläche entgegenstehen. Schließlich führen die unterschiedlichen Temperaturen zu unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten im Werkstoff des Werkstücks und somit zu unterschiedlichen Festigkeiten im gefertigten Werkstück. Zudem ist es oftmals aus konstruktiven Gründen nicht möglich, die Heizpatrone so anzuordnen, dass eine gewünschte Heizleistung an eine bestimmte Stelle gelangt. Außerdem erfordern Wartungsarbeiten am Werkzeug in regelmäßigen Abständen, dass die Heizpatronen ausgetauscht werden. Da die Heizpatronen allerdings mit Passung in das Werkzeug eingebracht sind, treten häufig durch die hohen Temperaturen stoffschlüssige Verbindungen zwischen der Heizpatrone und dem Werkzeug auf, wodurch ein Herauslösen der Heizpatrone aus dem Werkzeug erschwert wird.

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug zum Umformen und/oder partiellen Presshärten zur Verfügung zu stellen, mit dem in Hinblick auf die Temperaturverteilung ein möglichst homogener Bereich an der Werkzeugoberfläche bereitgestellt wird . Weiterhin wäre es wünschenswert, mögliche Wartungsarbeiten im Vergleich zum Stand der Technik zu vereinfachen bzw. die Handhabe der Wartungsarbeiten zu erleichtern . Die vorliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Werkzeug zum Umformen und/oder partiellen Presshärten eines Werkstücks, wobei das Werkzeug zumindest im temperierten Bereich einen Grundkörper mit einer Oberfläche und ein Wärmeleitsystem mit einem flüssigen Thermalmedium umfasst, wobei das Wärmeleitsystem derart in das Werkzeug integriert ist, dass zum Heizen der Oberfläche eine von einer Heizquelle ausgehende Wärme über das Wärmeleitsystem zur Oberfläche des Grundkörpers geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitsystem als Thermalmedium ein Thermalöl oder eine Schmelze umfasst.

Gegenüber dem Stand der Technik hat das erfindungsgemäße Werkzeug den Vorteil des Thermalöls oder der Schmelze, beispielsweise Salzschmelze oder einer zinkhaltigen Schmelze, z. B. Feinzink- schmelze (Zamak), die im Wärmeleitsystem angeordnet ist respektive sich in einem geschlossenen System befindet. Durch die Verwendung des Thermalöls oder der Schmelze ist eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb des flüssigen Thermalmediums erreichbar, wodurch diese gleichmäßige Wärmeverteilung im flüssigen Thermalmedium in vorteilhafter Weise dafür sorgt, dass das Wärmeleitsystem die Oberfläche gleichmäßig wärmt (geschlossenes System). Weiterhin sorgt das Wärmeleitsys- tem dafür, dass die Positionierung der Heizquelle in vorteilhafter Weise flexibler gestaltet werden kann, da es nicht länger zwingend erforderlich ist, die Heizquelle unmittelbar in der Nähe der Oberfläche zu positionieren.

Vorzugsweise handelt es sich beim Umformen um ein Warmumformen und/oder partielles Presshärten und die aufgewärmte Oberfläche ist zum Umformen und zum partiellen Einstellen einer höheren Dukti- lität im Werkstück vorgesehen. Dabei weist die Oberfläche eine Betriebstemperatur von wenigstens 400 °C, vorzugsweise eine Betriebstemperatur zwischen 500 °C und 550 °C, auf. Insbesondere ist es vorstellbar, dass das Werkzeug bevorzugt beim„tailored tempering " verwendet wird, um unterschiedliche Werkzeugsegmente jeweils mit einer homogenen Wärmeverteilung bereitzustellen, wobei sich die unterschiedlichen Werkzeugsegmente in ihrer Temperatur jeweils unterscheiden . Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise die Qualität der gefertigten Werkstücke weiter verbessern, die beim "tailored tempering " entstehen. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Heizquelle eine Heizpatrone ist, die vorzugsweise mittelbar oder unmittelbar mit dem Wärmeleitsystem in Kontakt steht. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Heizquelle im Werkzeug kontaktlos zum Grundkörper angeordnet ist. Bei der Warmum- formung von beispielsweise Leichtmetallen, wie Aluminium und Magnesium, weist die aufgewärmte Oberfläche des Werkzeugs eine Betriebstemperatur von mehr als 150 °C, insbesondere mehr als 200 °C auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Heiz- quelle innerhalb des Wärmeleitsystems angeordnet ist. Insbesondere wird die Heizquelle von dem Thermalöl oder der Schmelze umgeben bzw. umspült. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise in Form einer Verschweißung, zwischen dem Grundkörper und der Heizquelle vermeiden . Infolgedessen kann die Heizquelle ohne großen Aufwand, beispielsweise bei Wartungsarbeiten, aus dem Werkzeug herausgelöst werden .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die beheizte Oberfläche beim Umformen des Werkstücks dem Werkstück zugewandt ist. Insbesondere tritt die Oberfläche mit dem Werkstück beim Umformen in Kontakt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Oberfläche einen Teil einer Matrize oder eines Stempels bildet und/oder ein Oberflächenprofil aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Wärmeleitsystem einen Hauptkanal umfasst, wobei der Hauptkanal sich im Wesentlichen parallel zur Oberfläche erstreckt. Insbesondere erstreckt sich der Hauptkanal im Wesentlichen flächig unmittelbar unterhalb der Oberfläche. Dabei folgt der Hauptkanal vorzugsweise dem Verlauf des Oberflächenprofils. Insbesondere ist der Abstand des Wärmeleitsystems zum Hauptkanal im Wesentlichen konstant.

Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise eine Gleichverteilung der Temperatur entlang der Oberfläche weiter verbessern.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Wärmeleitsystem eine Vielzahl an Versorgungskanälen, die mit dem Hauptkanal in Fluidverbindung stehen, umfasst. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass mehrere Heizquellen in den Versorgungskanälen angeordnet sind. Insbesondere ist es vorgesehen, dass für jeden Versorgungskanal zumindest eine Heizquelle vorgesehen ist. Weiterhin sind die Versorgungskanäle bevorzugt in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet. Insbesondere sind die Hauptkanäle und/oder Versorgungskanäle als Aussparungen im Grundkör- per ausgestaltet. Beispielsweise wird eine dieser Aussparungen durch eine Bohrung und/oder eine gefräste Nut gebildet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Thermalmedium statisch in dem Wärmeleitsystem angeordnet ist oder das Wärmeleitsystem vom Thermalmedium durchströmt ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Werkzeug eine Grundplatte umfasst, wobei ein Zwischenraum zwischen der Grundplatte und dem Grund- körper das Wärmeleitsystem bildet. Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine Heizquelle an der Grundplatte angeordnet ist. Weiterhin ist es vorstellbar, dass die Vielzahl an Heizquellen derart an der Grundplatte angeordnet ist, dass die einzelnen Heizquellen in die Versorgungskanäle hineinragen. Beispielsweise lässt sich dann die Vielzahl an Heizquellen ohne großen Aufwand vom Werkzeug ent- fernen, in dem man die Grundplatte mit der Vielzahl an Heizquellen vom Grundköper löst. Dadurch wird das Durchführen der Wartungsarbeiten weiter erleichtert.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Umformen und/oder partiellen Presshärten eines Werkstücks mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Austauschen einer Heizquelle aus einem erfindungsgemäßen Werkzeug .

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Figur 1 zeigt ein Werkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung .

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

In Figur 1 ist ein Werkzeug 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass es sich um ein Werkzeug 1 zum Umformen, insbesondere Warmumformen und/oder partiellen Presshärten handelt. Beispielsweise werden mit dem Werkzeug 1 Werkstücke (hier nicht dargestellt) aus einem Mangan-Bor-Stahl oder aus einem Verbundstoff, insbesondere TriBond, geformt. Dazu umfasst das Werkzeug 1 einen Grundkörper 2, an dessen zu einem Werkstück gewandten Seite eine Oberfläche 6 zu finden ist, die beim Umformen mit dem Werkstück in Kontakt tritt. Dabei ist es weiterhin vorgesehen, dass diese Oberfläche 6 des Werkzeugs 1 eine Betriebstemperatur von mehr als 400 °C, insbesondere eine Betriebstemperatur zwi- sehen 500°C und 550°C, aufweist, wenn das Werkstück durch das Werkzeug 1 verformt bzw. umgeformt wird. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Werkzeug neben dem Grundkörper 2 eine Grundplatte 5 aufweist und sich durch die Anordnung von Grundplatte 5 und Grundkörper 2 ein Zwischenraum ausbildet. Durch das bevorzugte Auffüllen dieses Zwischenraums mit einem Thermalöl oder einer Schmelze (Salzschmelze) erhält der Zwischenraum die Funktionalität eines Wärmeleitsystems 3, das eine von einer Heizquelle 4 ausgehende Wärme zu der Oberfläche 6 leitet. Für eine möglichst gleichmäßige Verteilung umfasst das Wärmeleitsystem 3 einen Hauptkanal 7, der sich im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 6 des Grundkörpers 2, insbesondere flächig , erstreckt und besonders bevorzugt unmittelbar unterhalb der Oberfläche 6 verläuft. Insbesondere beträgt der Abstand des Hauptkanals von der Oberfläche 6 vorzugsweise weniger als 6 cm, bevorzugt weniger 4 cm und besonders bevorzugt weniger als 2 cm. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Wärmeleitsystem 3 rippenartig ausgestaltet ist. Dabei umfasst das Wärmeleitsystem 3 eine Mehrzahl an Versorgungskanälen 8, die jeweils mit dem Hauptkanal 7 in Fluidverbindung stehen. Insbesondere sind die Heizquellen 4 innerhalb der Versorgungskanäle 8 angeordnet. Denkbar ist dabei, dass die Heizquellen 4 direkt an der Grundplatte 5 montiert sind und/oder die Heizquellen 4 von dem Thermalöl oder der Schmelze (Salzschmelze) unmittelbar umgeben, insbesondere umspült sind (geschlossenes System). Dabei ist die Heizquelle 4 vorzugsweise kontaktlos zum Grundkörper 2 am Werkzeug 1 angeordnet. Insbesondere ist es vorstellbar, dass für Wartungsarbeiten an den Heizquellen 4, insbesondere Heizpatronen, die Grundplatte 5 vom Grundkörper 2 gelöst wird . Dafür ist es vorgesehen, dass die Grundplatte 5 lösbar an dem Grundkörper 2 angebracht ist.

Bezugszeichenliste

1 Werkzeug

2 Grundkörper

3 Wärmeleitsystem

4 Heizquelle

5 Grundplatte

6 Oberfläche

7 Hauptkanal

8 Versorgungskanal