DE102007005257A1 - Forming die or punch for hot deformation consists of at least two segments, at least one with recesses in contact surface with other - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Formmatrize oder Formpatrize zum Warmumformen oder Formhärten von Bauteilen, insbesondere Karosserieblechen, die aus mindestens zwei Segmenten besteht. Die Formmatrize oder Formpatrize weist eine Außenkontur auf, die beim Pressen oder Formen für das Bauteil formgebend ist.The The invention relates to a molding die or molding die for hot working or form hardening of components, in particular body panels, which consists of at least two segments. The molding die or Formpatrize has an outer contour when pressing or forming molds for the component.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Warmumformen oder Formhärten eines derartigen Bauteils.The The invention further relates to a method for hot forming or Mold hardening of such a component.
Um bestimmte mechanische Kennwerte, wie zum Beispiel die Duktilität und die Festigkeit eines metallischen Bauteils gezielt einzustellen, wird dieses einer Wärmebehandlung unterzogen, in welche auch ein Härten einbezogen sein kann. Hochfeste Stähle, beispielsweise FeMn-Stähle verlangen zu ihrer mechanischen Verarbeitung bei hohen Umformgraden ein Erwärmen auf Temperaturen von typischerweise oberhalb 900° Celsius. Um an ihnen eine gewünschte Festigkeit zu erreichen, wird ein Härten durchgeführt. Bei dieser Form der Wärmebehandlung wird das Bauteil mit einer hohen Geschwindigkeit abgekühlt, wobei entweder durch Entstehen bestimmter Gefügestrukturen wie der Martensitbildung oder der Bildung von Zwischenstufengefügen eine bestimmte Festigkeit erreicht wird. Auch durch Ausbildung von Segregaten (Ausscheidungshärten) oder durch Einlagerung von Fremdatomen (Bohr, Stickstoff, Ohnenstoff) kann derart eine Verfestigung erfolgen. Beim Härten kann dabei gleichzeitig auch ein formgestaltender oder formerhaltender Vorgang erfolgen. Beim direkten Formhärten wird das erhitzte Bauteil, beispielsweise eine Blechplatine, in der Form auf die Endkontur gebracht und dabei durch Abkühlen gehärtet. Bei einem zweistufigen Prozess wie dem indirekten Formhärten wird das Bauteil, beispielsweise ein Karosserieblech, zuerst kalt vorgeformt (tiefgezogen) und dann bei Temperaturen über 900° Celsius auf seine endgültige Form gebracht, bevor es in der Formpresse gezielt abgekühlt wird. Weiterhin ist auch denkbar, ein Bauteil durch kaltes oder warmes Tiefziehen endzuformen, es aufzuheizen und dann in der Form abzukühlen. In diesem Fall wirkt die Form beim Härten als formerhaltend und verhindert den Härteverzug.Around certain mechanical characteristics, such as ductility and set the strength of a metallic component targeted, this is subjected to a heat treatment, in which also hardening can be involved. High strength steels, For example, FeMn steels require their mechanical Processing at high degrees of deformation heating to temperatures typically above 900 degrees Celsius. To give you a desired To achieve strength, hardening is performed. In this form of heat treatment, the component with cooled at a high speed, either by Formation of certain microstructures such as martensite formation or the formation of Zwischenstufengefügen a certain strength is reached. Also by training segregates (precipitation hardening) or by incorporation of foreign atoms (Bohr, nitrogen, synthetic material) Such consolidation can take place in this way. When hardening can at the same time also a form-shaping or form-preserving one Operation done. In direct mold hardening, the heated component, For example, a sheet metal blank, in the form of the final contour brought and hardened by cooling. at a two-step process such as indirect form hardening The component, such as a body panel, first cold preformed (deep drawn) and then at temperatures above 900 ° Celsius brought to its final shape before it in the molding press is cooled selectively. Furthermore, it is also conceivable, a Finalize the component by cold or hot thermoforming, heat it up and then cool in the mold. In this case, the shape works when hardening as form-retaining and prevents the hardening distortion.
Durch das Formhärten ist es möglich, hochfeste Stähle, wie beispielsweise die bohrlegierte Stahlsorte 22MnB5 zu hohen Tiefziehgraden umzuformen, um dabei Festigkeiten > 1600 Newton/cm2 für das Bauteil zu erreichen. Somit können crashrelevante Karosseriebleche hoher Festigkeit mit hoher Designfreiheit entstehen.Form-hardening makes it possible to transform high-strength steels, such as the 22MnB5 type-borne steel, to high degrees of deep-drawing, thereby achieving strengths> 1600 Newton / cm 2 for the component. Thus, crash-relevant body panels of high strength can be created with high design freedom.
Beim Formhärten in der Serienproduktion, insbesondere von Karosseriebauteilen, stellen sich hohe Anforderungen an Qualität und Wirtschaftlichkeit des Bauteilherstellungsprozesses. Die Serienproduktion von Formhärteteilen ist insbesondere dann wirtschaftlich, wenn hohe Taktzeiten der Formhärtevorrichtung erzielt werden können. Hierzu ist eine möglichst effektive Kühlung des Werkzeuges nötig.At the Form hardening in mass production, in particular of body components, put high demands on quality and efficiency of the component manufacturing process. The serial production of form hardened parts is particularly economical when high cycle times of the mold hardening device can be achieved. For this one is possible effective cooling of the tool needed.
Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren
zur Temperaturregelung bei formgebenden Pressvorgängen
bekannt. So zeigt die
Die
Die
Die
Wird,
wie in der
Vor diesem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, ein Formhärtewerkzeug und ein Verfahren zum Formhärten eines Bauteils anzugeben, welches hohe Taktzeiten in der Serienproduktion solcher Bauteile erlaubt.In front This object of the prior art is to provide a mold hardening tool and to provide a method of thermoforming a component, which high cycle times in the series production of such components allowed.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges Formhärtewerkzeug bereitzustellen.Farther It is the object of the invention to provide a cost-effective mold hardening tool provide.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, lokal definierte Temperaturen und Abkühlraten im Formhärtewerkzeug zu erreichen.A Another object of the invention is locally defined temperatures and cooling rates in the mold hardening tool.
Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die vorliegende Erfindung verwirklicht, die vorsieht, die Formhärtematrize oder die Formhärtepatrize aus mindestens zwei Segmenten aufzubauen. Hierzu kann die Matrize oder Patrize aus einem oberen Segment, welches dem Bauteil beim Härten die Formkontur gibt und einem unteren Segment, welches als Auflage für das obere Segment wirkt, aufgebaut sein. Dies hat den Vorteil, dass nur ein Teil der Formhärtematrize oder Formhärtepatrize, nämlich das obere Segment, die so genannte Formschale, aus einem hochqualitativen temperaturbeständigen teuren Werkzeugstahl bestehen muss, während das in Bezug auf die Formgebung funktionslose untere Werkzeugsegment, der so genannte Kern, aus kostengünstigen Material, wie beispielsweise Grauguss gefertigt sein kann. Dieser Kern trägt dann stützend die obere Formschale.The Solution to this problem is achieved by the present invention that provides the mold cavity die or the Forming hardship male from at least two segments. For this, the female or male can be made from an upper segment, which the component during curing gives the shape contour and a lower Segment, which acts as a support for the upper segment, be constructed. This has the advantage that only part of the Formhärtematrize or shape-hardening patrix, namely the upper segment, the so-called form shell, made of a high quality temperature resistant expensive tool steel must exist while in relation on the shaping functionless lower tool segment, the like called core, made of inexpensive material, such as Cast iron can be made. This core then bears supportive the upper mold shell.
Die Berührungsflächen des Kerns und/oder der Formschale weisen Einformungen in Kanalform auf. Durch das Zusammenfügen von Kern und Formstahlschale entsteht ein Kanalmuster durch welches ein fluides Temperiermedium geführt wird. Als Kühl- oder Heizmittel können beispielsweise Wasser, Öle, Salze, oder auch gekühlte Gase wie Stickstoff verwendet werden.The Contact surfaces of the core and / or the shell mold have recesses in channel form. By joining together of core and form steel shell creates a channel pattern through which a fluid temperature control medium is performed. As a cooling or Heating means may include, for example, water, oils, salts, or cooled gases such as nitrogen can be used.
Weiterhin ist vorteilhaft an einer derartigen segmentierten Vorrichtung, dass in Relation zur Formfläche gekrümmte Kanäle in das Werkzeug eingebracht werden können. Da die Formgebende Außenkontur der Formhärtematrize oder Formhärtepatrize dreidimensional ausgebildet ist, entstehen bei gerade durch das Werkzeug führenden herkömmlichen Kühlleitungen oder Kühlbohrungen je nach Abstand des Kühlkanals zur Formoberfläche auf dieser lokale Wärmeunterschiede.Farther is advantageous in such a segmented device that curved channels in relation to the forming surface can be introduced into the tool. Because the shaping Outer contour of the mold hardening die or molding die is formed three-dimensional, arise at just by the Tool leading conventional cooling pipes or cooling holes depending on the distance of the cooling channel to the mold surface on these local heat differences.
Da in einer segmentierten Formmatrize oder Formpatrize die Kühlkanäle entlang der Berührungsfläche frei dimensionierbar sind, ist es möglich, die Kanäle entsprechend der Außenkontur zu führen, womit ein gleichmäßiger Abstand der Kanäle zur Außenfläche der Formoberfläche erreicht wird. Dadurch wird eine homogene Kühlwirkung in der Form erzielt.There in a segmented molding die or die, the cooling channels freely dimensioned along the contact surface are, it is possible to adjust the channels accordingly to lead the outer contour, making a uniform Distance of the channels to the outer surface of the Mold surface is achieved. This will be a homogeneous Cooling effect achieved in the mold.
Umgekehrt ist aber auch denkbar, lokal einen größeren Abstand der Kanäle zur Außenkontur zu wählen. Hieraus resultiert dann eine lokal geringere Kühlwirkung. Diese lokal variierende Kühlwirkung kann aber auch entstehen, wenn die Kanalquerschnitte lokal geändert sind, beispielsweise verkleinert. Bevorzugt sind die Kanäle im Kern und der Formschale derart eingebracht, dass sie sich kreuzen. Beim Durchleiten eines Fluids fließt dieses dann abschnittsweise jeweils durch Kanalanteile des Kerns und der Formschale.Vice versa But is also conceivable, locally a greater distance the channels to the outer contour to choose. This then results in a locally lower cooling effect. However, this locally varying cooling effect can also arise if the channel cross sections are changed locally, for example reduced. Preferably, the channels in the core and the shell mold placed in such a way that they intersect. When passing a Fluids then flows through this section by section Channel portions of the core and the shell mold.
Die zwischen den Kanälen verbliebenen Stege kommen abdichtend aufeinander zu liegen. Durch die Stege und weitere Berührungsflächen wird mittels Flächenpressung die Presskraft beim Formhärten abgefangen.The webs remaining between the channels come sealingly to lie on each other. Through the bars and other contact surfaces By means of surface pressure, the pressing force is absorbed during mold hardening.
Das Muster der Kanäle kann beispielsweise schlangenförmig oder auch als Fischgrätmuster ausgebildet sein. Das Einbringen des Musters in den Kern und die Formschale geschieht beispielsweise beim Giessen oder auch durch ein späteres Einfräsen. Vorteilhaft werden die eingeformten Strukturen und Muster gegenläufig angeordnet, beispielsweise als versetzte Fischgrätmuster in Kern und Formschale.The For example, the pattern of the channels may be serpentine or be designed as herringbone pattern. The introduction the pattern in the core and the shell shape happens for example when Pouring or by a later milling. Advantageously, the molded structures and patterns in opposite directions arranged, for example as staggered herringbone pattern in core and form shell.
In einer anderen Ausgestaltung kann ein Kanalmuster dadurch gebildet werden, dass Stegreihen in Strömungsrichtung des Fluids versetzt zueinander im Strömungskanal angeordnet sind.In In another embodiment, a channel pattern may be formed thereby be that ridge rows in the flow direction of the fluid offset from one another in the flow channel are arranged.
Wird ein Fluid durch die Formmatrize und/oder Formpatrize geleitet, so entstehen durch die gegenläufigen Strukturen an den Kreuzungspunkten und durch die Kontur und Anordnung der Kanäle und Stege Wasserwirbel. Das Wasser durchströmt die Fläche somit nicht laminar (wie bei herkömmlichen Kühlbohrungen und Leitungen) sondern turbulent. Die turbulente Strömung hat den Vorteil, dass ein besserer Kühlübertrag mittels Konvektion zu den Kanalflächen möglich ist. Hierdurch kann das Temperiermedium verbessert kühlen oder auch heizen.Becomes a fluid passed through the forming die and / or die, so arise through the opposing structures at the crossing points and by the contour and arrangement of the channels and lands Water vortex. The water flows through the surface thus not laminar (as with conventional cooling holes and lines) but turbulent. The turbulent flow has the advantage of having a better cooling transfer by convection to the channel surfaces possible is. As a result, the temperature control can cool improved or also heat.
Beim Formhärtevorgang wird ein Karosserieblech, beispielsweise aus einem hochfesten FeMn-Stahl wie 22MnB5, auf Temperaturen von 900° Celsius bis 1000° Celsius erwärmt und in das Formhärtewerkzeug eingelegt. Sodann wird die Formhärtevorrichtung zugefahren und dabei mit einem Pressdruck von 200 bis 2000 Tonnen, bevorzugt 600 bis 1000 Tonnen beaufschlagt. Die Blechhärtung erfolgt im Werkzeug mit Abkühlraten von 5 bis 1000 K/s, bevorzugt 20 bis 80 K/s.At the Mold hardening process is a body panel, for example from a high-strength FeMn steel such as 22MnB5, to temperatures of Heated to 1000 ° Celsius at 900 ° Celsius and inserted in the mold hardening tool. Then the Form hardening device closed and thereby with a pressing pressure from 200 to 2000 tons, preferably from 600 to 1000 tons applied. The sheet hardening takes place in the tool with cooling rates from 5 to 1000 K / s, preferably 20 to 80 K / s.
Durch geeignete Dimensionierung und Positionierung von Kühlkanälen im Inneren des Formhärtewerkzeuges ist es möglich, unterschiedliche Abkühlraten in verschiedenen Bereichen des Karosseriebleches einzustellen. So erniedrigt sich durch lokal von der Außenkontur weiter entfernte Kühlkanäle oder ein weniger dichtes lokales Netz der Kühlkanäle lokal die Abkühlrate, was zu lokal geringeren Festigkeiten des fertigen Bauteils führt und zu höheren Duktulitäten.By suitable dimensioning and positioning of cooling channels inside the mold hardening tool it is possible different cooling rates in different areas of the body panel. So humbled by locally from the outer contour more distant cooling channels or a less dense local network of cooling channels locally the cooling rate, resulting in locally lower strengths of the finished component leads and higher ductility.
Weiterhin ist es auch denkbar, getrennte Kanalsysteme einzufräsen und in einem ersten Kanalsystem eine Fluidtemperatur von beispielsweise 20° Celsius und in einem weiteren Kanalsystem eine Fluidtemperatur von beispielsweise 200° Celsius vorzusehen. Bei großen einzustellenden Temperaturunterschieden an der Außenkontur der Formmatrize oder der Formpatrize sind der Kern und die Formschale bevorzugt weiter zu segmentieren und die derartigen Segmente gegebenenfalls durch schwach wärmeleitende Materialien zu verbinden, um einen unerwünschten lateralen Wärmefluss zu verhindern.Farther it is also conceivable to mill separate sewer systems and in a first channel system, a fluid temperature of, for example 20 ° C and in another channel system, a fluid temperature to provide, for example, 200 ° Celsius. For big ones Temperature differences to be set on the outer contour the molding die or molding die, the core and the mold shell are preferred continue to segment and, where appropriate, such segments by weakly thermally conductive materials to connect to prevent an unwanted lateral heat flow.
Durch die Unterschiede in der Abkühlgeschwindigkeit können so örtlich nebeneinander hochfeste und duktile Bereiche in einem einzigen Karosserieblech bei der Formhärtung erreicht werden, was beispielsweise bei Seitenteilen im Kfz erwünscht ist. Diese sollen in einem bestimmten Bereich möglichst steif sein (Verwindungssteifigkeit) und in anderen Bereichen möglichst duktil (crashabsorbierender Bereich). So weist ein derartiges Karosserieblech in einem Bereich eine Vickershärte von 200 HV10 und in einem anderen Bereich eine Vickershärte von 500 HV10 auf.By the differences in the cooling rate can so locally next to each other high-strength and ductile areas achieved in a single body sheet in the form hardening be what, for example, desired for side panels in the vehicle is. These should be as stiff as possible in a certain area be (torsional stiffness) and in other areas as possible ductile (crash absorbing area). So has such a body panel in a range a Vickers hardness of 200 HV10 and in one other area a Vickers hardness of 500 HV10.
Bezüglich der Fertigungszeit besteht die Anforderung, eine möglichst hohe Taktrate zu erreichen. Diese Taktrate ist beim Formhärten insbesondere durch die Abkühlzeit der Formmatrize und/oder Formpatrize vorgegeben. Beim Pressformhärten gibt das bis zu 1000° Celsius heiße Blechbauteil seine Wärme an die Formmatrize und die Formpatrize ab. Ziel ist es, die Formmatrize und/oder Formpatrize möglichst schnell wieder auf eine Nenntemperatur abzukühlen, was durch eine turbulente Strömung in den Kühlkanälen (Wirbelwasserkühlung) erreicht wird. Hierdurch können in der Serienfertigung Taktraten von kleiner 30 s, bevorzugt 5 bis 20 s erreicht werden.In terms of The production time is the requirement, as possible to achieve a high clock rate. This clock rate is during mold hardening in particular by the cooling time of the molding die and / or molding die specified. In press hardening this gives up to 1000 ° Celsius Hot sheet metal component transfers its heat to the forming die and the shape of the mold. The goal is the mold die and / or form template as possible quickly cool back to a nominal temperature, which by a turbulent flow in the cooling channels (Vortex water cooling) is achieved. This allows in series production clock rates of less than 30 s, preferably 5 to 20 s can be achieved.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen erläutert.The The invention will be described below with reference to drawings and exemplary embodiments explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Ein
Formpatrize zum Warmumformen oder Formhärten nach der vorliegenden
Erfindung zeigt
Durch
den Aufbau mittels mindestens zweier Segmente muss nur die Formschale
An
den Kern
Wie
die
Ein
Kühlkanal oder Strömungskanal
In
Folge von Reibung an den Stegen
So kann die Position des Ablösepunktes dadurch verändert werden, dass die Oberfläche des Steges ähnlich der eines Golfballes mit Dellen oder Beulen versehen wird, wodurch an diesen Aus- oder Einformungen in der Oberfläche lokale Kleinverwirbelungen auftreten. Damit ist es möglich auch bei kreisförmigen Stegen ein ähnliches Strömungsbild wie bei ellipsenförmigen Stegen zu erzeugen.So can change the position of the separation point thereby Be that similar to the surface of the bridge of a golf ball is provided with dents or bumps, which at these Aus- or indentations in the surface local Small turbulences occur. This is possible as well in circular webs a similar flow pattern as to produce elliptical webs.
Vorteilhaft
wird für die Stege
Wird Wasser als Kühlfluid verwendet, so sollte ein Kühlwasser-Volumenstrom von 10–200 l/min, bevorzugt 20–40 l/min eingestellt werden.Becomes Water used as cooling fluid, so should a cooling water flow rate from 10-200 l / min, preferably 20-40 l / min become.
Die
Bevorzugt
werden für ein segmentiertes Werkzeug mit Wasserkühlung
kreisförmige Stege mit einem Durchmesser von 10 mm bis
100 mm und ellipsenförmige Stege mit Halbachsengrößen
a: 5–50 mm und b: 10–100 mm, wie in
Um
eine gleichmäßige Temperierung des Werkzeuges
zu erreichen, soll der Strömungskanal
Die
Zuleitung
Vorteilhaft
werden dabei, wie aus
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Warmumformen oder Formhärten eines Bauteils, insbesondere Blechbauteils wird das auf über 900°C erhitze Blechteil in die Formmatrize oder Formpatrize eingebracht. Sodann wird entweder das schon Vorgeformte Blechteil unter Halten seiner Kontur in der Form abgekühlt, oder es erfolgt vor diesem Härten noch ein Endformen im Werkzeug.at the method according to the invention for hot forming or mold hardening of a component, in particular sheet metal component is heated to over 900 ° C sheet metal part in the Forming die or Formpatrize introduced. Then either the already preformed sheet metal part while keeping its contour in the mold cooled, or it is done before this hardening a final molding in the tool.
Strömungskanalmuster
an einem fertigungsnahen Werkzeug zeigen die
Die
Presskräfte zwischen Kern und Formschale werden durch Stege
In gleicher Weise wie die beschriebene Formpatrize kann auch eine Formmatrize ausgestaltet sein.In The same way as the shaped die described can also be a molding die be designed.
- 11
- Kerncore
- 22
- Formschaleshell mold
- 33
- Einlassöffnunginlet port
- 44
- Auslassöffnungoutlet
- 55
- Strömungskanalflow channel
- 66
- Stegweb
- 77
- Zuleitungsupply
- 88th
- Ableitungderivation
- 99
- Beckenpool
- 1010
- Befestigungsmittelfastener
- 1111
- Dichtungpoetry
- 1212
- untere Berührungsflächelower Touchpad
- 1313
- obere Berührungsflächeupper Touchpad
- 1414
- Außenkonturouter contour
- 1515
- Formmatrize oder Formpatrizeforming die or form patrix
- 1616
- Auflageflächebearing surface
- 1717
- Ablösepunkttransfer point
- 1818
- Abkühlkurvecooling curve
- 1919
- Strömungsrichtungflow direction
- 2020
- Ablöse/VerwirbelungsbereichTransfer / fluidization
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- - DE 10230837 A1 [0009, 0010] DE 10230837 A1 [0009, 0010]
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