Title:
Verfahren zum Fertigen eines hohlen Bauteils, Bauteil und Presse zum Fertigen eines hohlen Bauteils
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines hohlen Bauteils aus einem Werkstück mittels einer Presse mit mindestens einem Werkzeug und zwei Dichtstempeln zum Umformen des Werkstückes, wobei das Werkstück ein Metall und/oder eine Metalllegierung aufweist und als Hohlkörper mit zwei offenen Enden ausgebildet ist, mit folgenden Schritten
– Erwärmen des Werkstückes, insbesondere oberhalb einer Härtetemperatur,
– Einlegen des erwärmten Werkstückes in das Werkzeug,
– Schließen der Presse und Pressen des erwärmten Werkstückes, wobei vor und/oder während des Pressens ein Dichten der beiden offenen Enden des Hohlkörpers mittels der beiden Dichtstempel, ein Aufbau eines Gasdruckes mittels eines Pressgases innerhalb des Hohlkörpers und ein Umformen des Hohlkörpers unter dem Gasdruck erfolgt,
– Unmittelbares Abkühlen des umgeformten Hohlkörpers in dem Werkzeug, sodass ein höherfestes hohles Bauteil vorliegt,
wobei ein Schutzgas zum Erzeugen einer Schutzgasatmosphäre in einem Einbauraum der Presse verwendet wird, sodass ein Transfer des Werkstückes und/oder ein Härten des umgeformten Hohlkörpers oberhalb einer Zunderbildungstemperatur frei von einer Bildung von Zunder erfolgt oder erfolgen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil und eine Presse zum Fertigen eines hohlen Bauteils.




Inventors:
Merten, Christof (57299, Burbach, DE)
Application Number:
DE102016107946A
Publication Date:
11/02/2017
Filing Date:
04/28/2016
Assignee:
Schuler Pressen GmbH, 73033 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102013004905A1N/A2013-09-26
DE69817947T2N/A2004-07-15
DE19623559A1N/A1997-12-18
DE2928083C2N/A1987-01-08



Foreign References:
WO2012098230A12012-07-26
Attorney, Agent or Firm:
WEIDNER STERN JESCHKE Patentanwälte Partnerschaft, 99096, Erfurt, DE
Claims:
1. Verfahren zum Fertigen eines hohlen Bauteils aus einem Werkstück (107) mittels einer Presse (101) mit mindestens einem Werkzeug (106, 108) und zwei Dichtstempeln (110, 111) zum Umformen des Werkstückes, wobei das Werkstück ein Metall und/oder eine Metalllegierung aufweist und als Hohlkörper mit zwei offenen Enden ausgebildet ist, mit folgenden Schritten
– Erwärmen des Werkstückes, insbesondere oberhalb einer Härtetemperatur,
– Einlegen des erwärmten Werkstückes in das Werkzeug,
– Schließen der Presse und Pressen des erwärmten Werkstückes, wobei vor und/oder während des Pressens ein Dichten der beiden offenen Enden des Hohlkörpers mittels der beiden Dichtstempel, ein Aufbau eines Gasdruckes mittels eines Pressgases innerhalb des Hohlkörpers und ein Umformen des Hohlkörpers unter dem Gasdruck erfolgt,
– Unmittelbares Abkühlen des umgeformten Hohlkörpers in dem Werkzeug, sodass ein höherfestes hohles Bauteil vorliegt,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Schutzgas zum Erzeugen einer Schutzgasatmosphäre in einem Einbauraum (120) der Presse verwendet wird, sodass ein Transfer des Werkstückes und/oder ein Härten des umgeformten Hohlkörpers oberhalb einer Zunderbildungstemperatur frei von einer Bildung von Zunder erfolgt oder erfolgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einzig oder zusätzlich zum Schutzgas das Pressgas als Schutzgas verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Pressgas und/oder Schutzgas Stickstoff verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Werkstückes durch ein induktives Erwärmen mittels einer Induktionsspule (114) und/oder durch ein konduktives Erwärmen erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Werkstückes in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen direkt neben dem Werkzeug und/oder im Werkzeug erfolgt.

7. Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach einem Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gefertigt ist, sodass das Bauteil frei von Zunder ist.

8. Presse (101) zum Fertigen eines hohlen Bauteils aus einem Werkstück (107) mit mindestens einem Werkzeug (106, 108), zwei Dichtstempeln (110, 111) und einem Antrieb (102), wobei die Presse derart eingerichtet ist, dass das Fertigen des Hohlkörpers nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführbar ist. Presse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die

9. Presse eine induktive Erwärmungseinrichtung (113) und/oder eine konduktive Erwärmungseinrichtung direkt neben dem Werkzeug und/oder im Werkzeug aufweist.

10. Presse nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einbauraum (120) und/oder die Erwärmungseinrichtung oder die Erwärmungseinrichtungen und/oder eine Handhabungseinrichtung (116, 117) zum Transport des Werkstückes gasdicht eingehaust ist oder sind, sodass das Werkstück und/oder das Bauteil oberhalb einer Zunderbildungstemperatur frei von Zunder fertigbar ist oder sind.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines hohlen Bauteils aus einem Werkstück mittels einer Presse mit mindestens einem Werkzeug und zwei Dichtstempeln zum Umformen des Werkstückes, wobei das Werkstück ein Metall und/oder ein Metalllegierung aufweist und als Hohlkörper mit zwei offenen Enden ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil und eine Presse zum Fertigen eines hohlen Bauteils.

Zur Fertigung von Bauteilen wird das Blechwarmumformverfahren Presshärten seit Jahren vor allem für Blechteile eingesetzt. Dabei werden die Formgebung und die Wärmebehandlung eines Blechbauteils kombiniert eingesetzt.

Bei der Fertigung von hohlen Bauteilen ist diese Verfahrenskombination aufgrund von Werkstoffunverträglichkeiten nur beschränkt einsetzbar. Beispielsweise können Rohre mit AlSi-Beschichtung kalt kaum verformt werden, ohne die Beschichtung zu beschädigen, während Rohre mit Zinkbeschichtung nicht oberhalb der Schmelztemperatur der Beschichtung verformt werden dürfen, da sich sonst Mikro-Risse aufgrund von Flüssigmetallversprödung bilden.

Folglich können nur unbeschichtete Rohre zur Fertigung von höherfestigen hohlen Bauteilen eingesetzt werden, ohne den Umformprozess einzuschränken, insbesondere wenn vorher ein Biegen und/oder Vorformen durchgeführt werden muss.

Nachteilig ist das Auftreten von Verzunderungen, sobald sich das erwärmte unbeschichtete Rohr in Kontakt mit der umgebenden Luft befindet. Die Verzunderung des unbeschichteten hohlen Werkstücks bei den Presshärten und/oder beim Transfer vom Ofen führt zu einer Schädigung der Oberfläche und/oder Verminderung der Wandstärke des Werkstückes.

Durch Zunder wird ein starker Werkzeugverschleiß während der Fertigung verursacht. Zudem muss der Zunder aufwändig vom Rohr und/oder aus dem Werkzeug entfernt werden, weil dieser sonst zu Fertigungsfehlern und/oder Verschleiß führt. Dies hat beispielsweise zur Folge, dass das Werkstück und/oder Bauteil kugelgestrahlt werden muss. Nachteilig sind dabei insbesondere der hohe Aufwand zur Nachbehandlung und der eventuell auftretende Verzug des Bauteils.

Folglich ist die direkte Fertigung von höherfesten hohlen Bauteilen aus Rohren nur sehr eingeschränkt und mit hohem Aufwand realisierbar.

Die DE 196 23 559 A1 offenbart ein Verfahren zum Härten von metallischen Werkstücken, insbesondere Schraubendreherklingen oder -einsätze, wobei das Härtegut in einer Ofenkammer eines Ofens in einer definierten Schutzgasatmosphäre wärmebehandelt wird und durch ein öffnenbare Mitteltür aus der heißen Ofenkammer in eine Abschreckkammer einer Abschreckvorrichtung verbracht wird, wobei als Abschreckmittel ein schnellbewegtes, verdichtetes Gas, insbesondere Stickstoff, Wasserstoff oder Helium, verwendet wird.

Die WO 2012/098230 beschreibt ein Verfahren zum bearbeiten und Härten von metallischen Werkstücken zum Fertigen von Kurbelwellen, wobei ein Spannen eines zu bearbeitenden Werkstückes in einer Werkstückaufnahme einer Werkzeugmaschine, ein Zerspanen des eingespannten Werkstückes, ein Härten des Werkstückes durch Erwärmen des bearbeiteten und in der Werkstückaufnahme eingespannten Werkstückes und Abschrecken des erwärmten und in der Werkstückaufnahme eingespannten Werkstückes mit einem pyrogenen Kühlmittel, beispielsweise Stickstoff, erfolgt.

Ein Warmumformen eines hohlen Werkstückes und gleichzeitiges Härten unter Vermeidung der Zunderbildung ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Fertigen eines hohlen Bauteils aus einem Werkstück mittels einer Presse mit mindestens einem Werkzeug und zwei Dichtstempeln zum Umformen des Werkstückes, wobei das Werkstück ein Metall und/oder eine Metalllegierung aufweist und als Hohlkörper mit zwei offenen Enden ausgebildet ist, mit folgenden Schritten:

  • – Erwärmen des Werkstückes, insbesondere oberhalb einer Härtetemperatur,
  • – Einlegen des erwärmten Werkstückes in das Werkzeug,
  • – Schließen der Presse und Pressen des erwärmten Werkstückes, wobei vor und/oder während des Pressens ein Dichten der beiden offenen Enden des Hohlkörpers mittels der beiden Dichtstempel, ein Aufbau eines Gasdruckes eines Pressgases innerhalb des Hohlkörpers und ein Umformen des Hohlkörpers unter dem Gasdruck erfolgt,
  • – Unmittelbares Abkühlen des umgeformten Hohlkörpers in dem Werkzeug, sodass ein höherfestes hohles Bauteil vorliegt,
wobei ein Schutzgas zum Erzeugen einer Schutzgasatmosphäre in einem Einbauraum der Presse verwendet wird, sodass ein Transfer des Werkstückes und/oder ein Härten des umgeformten Hohlkörpers oberhalb einer Zunderbildungstemperatur frei von einer Bildung von Zunder erfolgt oder erfolgen.

Somit wird ein höherfestes Bauteil direkt aus einem Rohr durch Umformen und Härten gefertigt. Es ist besonders vorteilhaft, dass als Werkstück direkt ein unbeschichtetes Rohr verwendet werden kann, welches vor dem Umformen gebogen und/oder vorgeformt werden kann.

Insbesondere ist ein hohles Bauteil fertigbar, welches keinen Zunder oder nur sehr geringen Zunder aufweist. Folglich wird der Verschleiß des Bauteils und/oder des Werkzeuges vermindert.

Ebenso wird der Fertigungsaufwand vermindert, da zur Vermeidung der Zunderbildung weder das Werkstück vorher beschichtet noch bei Verwendung eines unbeschichteten Werkstückes nachher aufwändig der Zunder entfernt werden muss.

Folglich kann das Metall und/oder die Metalllegierung des Werkstückes frei gewählt werden. Somit ist die Fertigung eines höherfesten hohlen Bauteils flexible durchführbar und nicht dadurch limitiert, dass eine Beschichtung zur Vermeidung von Zunderbildung nicht alle notwendig Prozessschritte der Fertigung mitmacht oder Werkstoffunverträglichkeiten auftreten.

Es ist besonders vorteilhaft, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren ein qualitativ hochwertiges, höherfestes hohles Bauteil fertigbar ist.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass die Fertigung eines hohlen Bauteils in einer Schutzgasatmosphäre stattfindet, sodass nach Erwärmen des Werkstückes über eine Zunderbildungstemperatur die Bildung von Zunder durch die Schutzgasatmosphäre vermieden wird. Somit kann das Werkstück im Einbauraum der Presse unter Schutzgasatmosphäre erwärmt und/oder gehandhabt und/oder umgeformt und/oder gehärtet werden, ohne dass eine Zunderbildung erfolgt.

Folgendes Begriffliche sei erläutert:
Ein „Bauteil“ ist insbesondere ein aus einem Werkstück gefertigtes Einzelteil eines technischen Komplexes wie zum Beispiel einer Maschine und/oder eines Apparates. Das Bauteil entsteht insbesondere plastisch aufgrund einer Formänderung durch gezieltes Umformen eines Werkstückes. Somit weist ein Bauteil insbesondere fast fertige oder fertige Formen oder Geometrien auf.

Unter „Werkstück“ wird insbesondere ein einzelnes abgegrenztes Teil weitgehend festen Materials verstanden, welches bearbeitet wird. Insbesondere wird aus dem Werkstück durch Umformen und/oder weitere Bearbeitungsschritte ein Bauteil gefertigt.

Eine „Presse“ ist insbesondere eine Umformmaschine mit geradliniger Relativbewegung des Werkzeuges. In einer Presse werden insbesondere eine Reihe von Fertigungsverfahren wie Urformen, Umformen, Tiefziehen, Fügen, Beschichten, Trennen, Schneiden und/oder Ändern von Stoffeigenschaften durchgeführt. Eine Presse ist insbesondere eine weggebundene, energiegebundene oder kraftgebundene Presse. Zum Umformen kann die Presse insbesondere ein Umformwerkzeug aufweisen. In der Presse kann insbesondere ein Verfahren zum Umformen, Innenhochdruck-Umformen und/oder Härten durchgeführt werden.

Ein „Werkzeug“ ist insbesondere ein Objekt, mit dem das Bearbeiten eines Werkstückes erfolgt, wobei das Werkzeug durch einen Menschen und/oder eine Maschine geführt wird. Bei einem Werkzeug kann es sich insbesondere um ein Formwerkzeug und/oder ein Bearbeitungswerkzeug handeln. Das Werkzeug wird insbesondere in einem formenden Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Umformen, und/oder zum Härten verwendet. Das Werkzeug wird insbesondere in einer Werkzeugmaschine und/oder einer Presse eingesetzt. Das Werkzeug kann insbesondere aus einem Unterwerkzeug und/oder einem Oberwerkzeug und/oder zwei Werkzeughälften bestehen. Insbesondere kann ein Werkzeug eine Innenkontur aufweisen, welche als Außenkontur einem Werkstück und/oder Hohlkörper aufgebracht wird.

Ein „Dichtstempel“ ist insbesondere ein Stempel und/oder Horizontalzylinder, welcher während und/oder nach dem Schließen des Werkzeuges ein Rohrende und/oder ein offene Ende eines Hohlkörpers abdichtet. Insbesondere ist ein Dichtstempel durch einen oder mehrere Hydraulikzylinder angetrieben. Zwei Dichtstempel werden insbesondere beim Innenhochdruck-Umformen von einem Rohr verwendet, um die beiden Rohrenden abzudichten, mittels der Dichtstempel das Rohrmaterial nachzuschieben und/oder von den Rohrteilenden her zu stauchen. Insbesondere weist ein Dichtstempel eine Pressgas- und/oder Schutzgaszufuhr auf, sodass über den Dichtstempel Pressgas und/oder Schutzgas in das Innere des Rohrs zugeführt werden kann.

„Umformen“ ist insbesondere ein Fertigungsverfahren, bei dem Metalle und/oder Metalllegierungen gezielt plastisch in eine andere Form gebracht werden. Insbesondere werden ein Hohlkörper und/oder ein Werkstück durch Umformen in ein Bauteil überführt. Beim Umformen kann es sich insbesondere um Tiefziehen und/oder Pressen handeln. Beim Umformen kann es sich insbesondere um ein Kaltumformen handeln, bei dem das Werkstück im kalten Zustand, beispielsweise Raumtemperatur, dem Umformprozess zugeführt wird. Des Weiteren kann es sich beim Umformen auch insbesondere um ein Halbwarmumformen und/oder ein Warmumformen handeln, wobei bei letzterem das Werkstück vor dem Umformen auf eine Temperatur beispielsweise über der Rekristallisationstemperatur des Werkstückes erwärmt wird.

Beim „Umformen“ kann es sich insbesondere um ein warmes „Innenhochdruck-Umformen“ handeln, bei dem ein Hohlkörper ausgeweitet, in axialer und/oder radialer Richtung gestaucht und anschließend durch einen Kalibrierdruck gegen eine Werkzeugwand expandiert wird. Beim Innenhochdruck-Umformen handelt es sich insbesondere um ein werkzeuggebundenes Innenhochdruck-Umformen. Das Innenhochdruck-Umformen wird insbesondere in einer speziellen hydraulischen Presse mittels eines zweiteiligen Werkzeuges durchgeführt und beispielsweise ein Rohr in das Unterwerkzeug eingelegt. Zu beiden Seiten der Rohrenden befinden sich insbesondere axiale Dichtstempel. Nach dem Schließen des Werkzeugs werden insbesondere die axialen Dichtstempel gegen die Rohrenden gedrückt und dichten diese ab. Das Rohr wird insbesondere mit Druckmedium und/oder Pressgas befüllt. Während des Umformvorgangs halten insbesondere die Dichtstempel das Rohr dicht und können das Rohr bei Bedarf stauchen, während das Druckmedium gleichzeitig das Rohr aufweitet und das Rohr dadurch zum Anliegen an die Werkzeugkontur bringt. Der Materialfluss kann insbesondere zusätzlich durch einen Gegenhalter geregelt werden. Mittels des Kalibrierdrucks wird insbesondere das Werkstück derart ausgeformt, dass seine Aussenkontur wiederholungsgenau der Innenkontur des Werkzeuges entspricht.

Abschließend wird insbesondere das Werkzeug geöffnet und das gefertigte Bauteil kann ausgeworfen werden. Beim Innenhochdruck-Umformen wird insbesondere das Umformen eines metallischen Rohrs im geschlossenen Formwerkzeug mittels eines Innendrucks von bis zu 1.000bar durchgeführt, wobei als Druckmedium insbesondere ein Pressgas und/oder ein Schutzgas verwendet wird.

Unter „Metallen“ werden hier insbesondere Schwermetalle, Leichtmetalle, Unedelmetalle oder Halbmetalle sowie deren Legierungen verstanden. Ein Metall kann insbesondere in fester und/oder flüssiger Form vorliegen. Beispiele für Metalle sind Eisen, Nickel, Kupfer, Chrom, Aluminium und Titan.

Eine „Metalllegierung“ ist insbesondere ein metallischer Werkstoff, welcher aus mindestens zwei Elementen besteht. Für die Eigenschaften einer Metalllegierung sind insbesondere die Art und Anzahl der Legierungspartner, ihr Massenanteil an der Legierung sowie die Temperatur entscheidend. Bei einer Metalllegierung kann es sich um eine Eisenlegierung und/oder eine Nicht-Eisenlegierung handeln. Stahl ist beispielsweise eine metallische Legierung mit dem Hauptbestandteil Eisen. Weitere Beispiele für Legierungen sind Eisen-Nickel (FeNi), Chrom-Nickel (CrNi), Chrom-Nickel-Molybdän (CrNiMo) und Mangan-Bor-Stahl wie 22MnB5.

Ein „Hohlkörper“ ist insbesondere ein Körper, welcher im Inneren einen Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum insbesondere ein leerer und/oder gefüllter Raum im Inneren des Hohlkörpers ist. Ein Hohlkörper kann insbesondere eine oder mehrere Öffnungen aufweisen. Bei einem Hohlkörper kann es sich beispielsweise um einen Hohlzylinder mit einer inneren Bohrung im Kreiszylinder entlang seiner Achse handeln. Insbesondere liegt ein Hohlkörper als ein Rohr vor. Ein Hohlkörper weist insbesondere einen Durchmesser von 10mm bis 200mm und eine Wandstärke von 0,3mm bis 10mm auf.

Unter „Erwärmen“ wird insbesondere ein Aufheizen eines Werkstückes verstanden. Insbesondere findet das Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb einer Härtetemperatur statt.

Unter „Härten“ wird insbesondere ein Verändern der Stoffeigenschaft des Materials und/oder Umwandlung des Gefüges des Werkstückes und/oder des Hohlkörpers verstanden. Das Härten erfolgt insbesondere durch eine Wärmebehandlung mit anschließendem schnellem Abkühlen des Werkstückes. Beim Härten findet insbesondere ein Erwärmen des Werkstückes auf oder oberhalb der „Härtetemperatur“ statt. Bei Stahl wird unter Härtetemperatur insbesondere auch die Austenitisierungstemperatur verstanden, bei welcher Eisen sich von der Ferrit-Struktur (bei Raumtemperatur) in die Austenitstruktur umwandelt. Der Austenit kann bei einem schlagartigen Abkühlen nicht mehr in die Ferritstruktur zurückkehren. Stattdessen wandelt es sich insbesondere in eine Martensitstruktur um, welche durch Kohlenstoff verspannt ist. Bei Stahl liegt insbesondere die Austenitisierungstemperatur oberhalb von 723°C. Bevorzugt liegt die Härtetemperatur ≥ 900°C und vorteilhaft > 930°C. Die anschließende Abkühlgeschwindigkeit liegt bei mindestens 27°K pro Sekunde, bevorzugt bei > 100°K pro Sekunde. Je höher insbesondere die Abkühlungsgeschwindigkeit ist, desto mehr Martensit bildet sich beim Abkühlen und desto höher wird die Härte des Werkstückes.

Unter einem „Pressgas“ wird insbesondere ein Gas verstanden, welches beim Pressen und/oder Umformen und/oder Härten eines Werkstückes verwendet wird. Bei einem Pressgas kann es sich insbesondere um ein Inertgas handeln, welches sehr reaktionsträge ist und keine oder nur sehr wenige chemische Reaktionen eingeht. Bei einem Pressgas handelt es sich beispielsweise um Stickstoff und/oder ein Edelgas wie Argon. Mittels des Pressgases wird ein Druck im Inneren des Hohlkörpers und/oder Rohres aufgebaut. Das Pressgas wird insbesondere zum Innenhochdruck-Umformen eingesetzt. Das Pressgas kann insbesondere auch dazu dienen, den Sauerstoffanteil im umgebenen Gas zu reduzieren oder ganz zu ersetzen. Bei einem Pressgas kann es sich insbesondere auch um ein Schutzgas handeln. Das Pressgas kann neben der Zufuhr über einen oder mehrere Dichtstempel insbesondere auch über eine gesonderte Gaszufuhr direkt in den Einbauraum der Presse geleitet werden und dort eine Schutzgasatmosphäre bewirken.

Ein „Schutzgas“ ist insbesondere ein Gas, welches die Aufgabe hat, die Luft der Erdatmosphäre und insbesondere den Sauerstoff der Luft zu verdrängen und dadurch eine Schutzgasatmosphäre zu erzeugen. Ein Schutzgas verhindert insbesondere, dass das Metall und/oder die Metalllegierung mit dem Luftsauerstoff reagiert und/oder sich Zunder bildet. Eine Schutzgasatmosphäre kann insbesondere im Einbauraum der Presse und/oder einer Schutzgaseinhausung vorliegen, wobei die Schutzgaseinhausung insbesondere auch größer als der eigentliche Einbauraum der Presse sein kann.

Der „Einbauraum“ ist insbesondere der Raum einer Presse zwischen Stößel und Pressentisch. Insbesondere befinden sich im Einbauraum das Werkzeug, die Handhabungs- und/oder Transfereinrichtung und/oder weitere Einrichtungen. Insbesondere ist der Einbauraum einer Presse der Raum unterhalb und oder neben dem Stößel innerhalb der Presse.

Als „Zunder“ (auch „Abbrand“) wird insbesondere der Verlust an Metall und/oder Metalllegierung verstanden, welcher sich durch Verbrennen, Vergasen, Verspritzen, Verschlacken und/oder Verzundern ergibt. Zunder ist in der Metallverarbeitung insbesondere der Metallverlust auf Metalloberflächen, welcher durch Oxidation des Metalls und/oder Metalllegierung unter Einwirken von Sauerstoff und/oder Luft und anderen oxidierenden Gasen bei der „Zunderbildungstemperatur“ entsteht.

In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens wird einzig oder zusätzlich zum Schutzgas das Pressgas als Schutzgas verwendet.

Somit kann flexibel sowohl ein Schutzgas und/oder ein Pressgas zum Erzeugen einer Schutzgasatmosphäre im Einbauraum der Presse als auch ein Pressgas zum optimierten Umformen des Werkstückes eingesetzt werden.

Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Pressgas zum Umformen, insbesondere zum Innenhochdruck-Umformen, gleichzeitig als Schutzgas im Einbauraum der Presse verwendet wird. Somit kann das Pressgas aus dem Umformprozess im Bereich des Einbauraums der Presse gleichzeitig als Schutzgas genutzt werden.

Hierzu kann das Pressgas kontinuierlich in den Einbauraum der Presse eingeblasen werden und/oder das Pressgas wird nach dem Umformen für den Aufbau der Schutzgasatmosphäre in dem Einbauraum der Presse verwendet. Somit kann eine Gasart sowohl als Schutzgas als auch als Pressgas verwendet werden. Beispielsweise steht das Pressgas bei einem Gasdruck von 500bar des Pressgases beim Umformen und einem Hohlkörperinnenvolumen von 4L für die Füllung eines Raumes von 2m3 zur Verfügung.

Um ein optimales Umformen des Werkstückes und/oder ein Vermeiden von Zunderbildung zu realisieren, wird als Pressgas und/oder Schutzgas Stickstoff verwendet.

In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens erfolgt das Erwärmen des Werkstückes durch ein induktives Erwärmen mittels einer Induktionsspule und/oder durch ein konduktives Erwärmen.

Somit kann ein schnelles Erwärmen des Werkstückes insbesondere unter der Schutzgasatmosphäre im Einbauraum der Presse erzielt werden. Somit wird eine Zunderbildung bei Erwärmen des Werkstückes und/oder des Bauteiles oberhalb der Zunderbildungstemperatur vermieden.

Zudem wird ein schnelles und gleichmäßiges Erwärmen des Werkstückes unter der Schutzgasatmosphäre im Einbauraum vor Einlegen in das Werkzeug und Umformen ermöglicht.

Somit kann in kürzester Zeit eine Erwärmung auf die Austenitisierungstemperatur und/oder Härtetemperatur und/oder eine andere gewünschte Temperatur erreicht werden.

Eine „Induktionsspule“ ist insbesondere eine Spule, welche insbesondere von nieder- und/oder mittelfrequentem Wechselstrom durchflossen wird und dadurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches im Werkstück und/oder Hohlkörper Wirbelströme induziert, wodurch das Werkstück und/oder der Hohlkörper insbesondere erwärmt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Wärme unmittelbar im Werkstück und/oder Hohlkörper selbst entsteht und nicht durch Wärmeleitung von einer Erwärmungseinrichtung zum Werkstück und/oder Hohlkörper übertragen werden muss. Für das induktive Erwärmen des Werkstücke und/oder Hohlkörpers ist insbesondere ein Spalt und/oder Abstand zwischen der Induktionsspule und/oder dem Werkstück und/oder dem Hohlkörper einzuhalten.

Ein „konduktives Erwärmen“ ist insbesondere ein Erwärmen eines Werkstückes und/oder Hohlkörpers aufgrund eines Stromflusses in dem Werkstück und/oder Hohlkörper durch Stromkontakte an beiden Enden des Werkstückes und/oder Hohlkörpers und durch direkte Leitung von Gleich- oder Wechselstrom durch das Werkstück und/oder Hohlkörper, wobei das Werkstück und/oder der Hohlkörper als elektrischer Widerstand dient.

In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens erfolgt das Erwärmen des Werkstückes in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre.

Somit kann das Werkstück in einem konventionellen Ofen erwärmt und durch die Schutzgasatmosphäre gleichzeitig eine Zunderbildung vermieden werden, wobei der Ofen insbesondere an die Schutzgaseinhausung angekoppelt ist.

Ein „Ofen“ ist insbesondere eine Vorrichtung zur kontrollierten Erzeugung von Wärme. Bei einem Ofen kann es sich insbesondere um einen Rohrofen handeln.

Um die Transferzeit zu reduzieren und somit ein Abkühlen des Werkstückes zu vermeiden, erfolgt das Erwärmen direkt neben dem Werkzeug und/oder im Werkzeug.

Somit kann das Erwärmen des Werkstückes in einer induktiven Erwärmungseinrichtung und/oder einer konduktiven Erwärmungseinrichtung direkt neben dem Werkzeug im Einbauraum der Presse erfolgen, sodass die Transferzeit zum Einlegen des Werkstückes in das Werkzeug reduziert wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da das Erwärmen unabhängig von dem Stößelhub der Presse erfolgt und das Werkstück vor dem Umformen weniger abkühlt.

Alternativ kann das Erwärmen des Werkstückes auch direkt im Werkzeug, beispielsweise über eine Induktionsspule erfolgen, sodass kein Transfer des Werkstückes zwischen Erwärmen und Umformen notwendig ist. Nachteilig ist jedoch, dass während des Erwärmens im Werkzeug dieses nicht für das Umformen verwendet werden kann, sodass sich die Anzahl der Stößelhübe und somit der gefertigten Bauteile in einem bestimmten Zeitraum reduzieren. Alternativ kann das konduktive Erwärmen auch im Greifersystem erfolgen.

Insbesondere weist der Einbauraum eine Zufuhr- und/der Entnahmeschleuse auf und/oder ist gasdicht eingehaust.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Bauteil, wobei das Bauteil nach einem zuvor beschriebenen Verfahren gefertigt ist, sodass das Bauteil frei von Zunder ist.

Somit kann ein höherfestes unbeschichtetes hohles Bauteil in hoher Qualität gefertigt werden. Insbesondere weist das derart gefertigte Bauteil homogene Oberflächeneigenschaften und/oder Wandstärken auf.

Zudem kann der unbeschichtete Hohlkörper als Werkstück zunächst gebogen und/oder vorgeformt werden, bevor dieser erwärmt, umgeformt und gehärtet wird. Es ist besonders vorteilhaft, dass das Bauteil frei von Zunder fertigbar ist, sodass weder eine Nachbehandlung erforderlich ist noch dabei ein Verzug und/oder Verschleiß des Bauteiles auftritt. Somit kann ein komplex geformtes, höherfestes und zunderfreies Bauteil hoher Qualität bereitgestellt werden.

Durch das Erwärmen des Werkstückes, Umformen und Abkühlen des Werkstückes unter Schutzgasatmosphäre im Einbauraum der Presse sind geringere Transferzeiten und dadurch höhere Produktionsraten des Bauteils möglich.

In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Presse zum Fertigen eines hohlen Bauteils aus einem Werkstück mit mindestens einem Werkzeug, zwei Dichtstempeln und einem Antrieb, wobei die Presse derart eingerichtet ist, dass das Fertigen des Hohlkörpers nach einem zuvor beschriebenen Verfahren durchführbar ist.

Dadurch kann eine Presse bereitgestellt werden, in der qualitativ hochwertige und höherfeste hohle Bauteile in kurzen Fertigungszeiten hergestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Presse weist die Presse eine induktive Erwärmungseinrichtung und/oder eine konduktive Erwärmungseinrichtung direkt neben dem Werkzeug und/oder im Werkzeug auf.

Dadurch kann das Erwärmen des Werkstückes in einer Erwärmungseinrichtung direkt unter Schutzgasatmosphäre im Einbauraum der Presse neben und/oder im Werkzeug erfolgen. Somit wird die Transferzeit zwischen Erwärmen und Umformen reduziert und Handhabungseinrichtungen zum Transfer des Werkstückes wie Transportschienen und Greifer eingespart. Neben der kürzeren Transportzeit des Werkstückes zum Werkzeug kann auch ein sehr langer Ofen eingespart und die Erwärmungseinrichtung platzsparend direkt neben dem Werkzeug angeordnet werden.

Um eine Fertigung unter Schutzgasatmosphäre zu realisieren, ist oder sind ein Einbauraum und/oder die Erwärmungseinrichtung oder die Erwärmungseinrichtungen und/oder eine Handhabungseinrichtung für den Transport des Werkstückes gasdicht eingehaust, sodass das Werkstück und/oder das Bauteil oberhalb einer Zunderbildungstemperatur frei von Zunder fertigbar ist oder sind.

Dadurch wird eine Presse bereitgestellt, in der ein Bauteil frei von Zunder fertigbar ist und das Erwärmen des Werkstückes, das Umformen und das Abkühlen und somit Härten des Werkstückes vollständig innerhalb des Einbauraums der Presse erfolgt.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Schnittdarstellung einer Presse mit geöffnetem Werkzeug zum Innenhochdruck-Umformen und eine daneben angeordnete induktive Erwärmungseinrichtung mit einem unbeschichteten Rohr und

2 eine schematische Schnittdarstellung der Presse mit geschlossenem Werkzeug und Innenhochdruck-Umformen des erwärmten unbeschichteten Rohrs.

Eine Presse 101 weist einen Antrieb 102 und einen Stößel 104 auf. An dem Stößel 104 ist ein Werkzeughalter 105 angeordnet, welcher die Werkzeugoberhälfte 106 aufweist. Die Werkzeugunterhälfte 108 ist an einem Pressentisch 109 angeordnet. Entlang der Innenkontur der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 sind jeweils Wasserkühlungen 115 innerhalb der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 geführt.

An der Werkzeugunterhälfte 108 ist ein erster axialer Dichtstempel 110 angeordnet, welcher eine Stickstoffzufuhr 112 aufweist.

Neben der Werkzeugunterhälfte 108 ist eine induktive Erwärmungseinrichtung 113 angeordnet, welche entlang ihrer Innenkontur Induktionsspulen 114 aufweist. Des Weiteren weist die Presse 101 einen zweiten axialen Dichtstempel 111 und die Transportschienen 116 und 117 auf.

Die Werkzeugoberhälfte 106, die Werkzeugunterhälfte 108, der erste axiale Dichtstempel 110 und mit der Stickstoffzufuhr 112 und der zweite axiale Dichtstempel 111, die induktive Erwärmungseinrichtung 113 und die Transportschienen 116 und 117 sind in dem gasdichten Einbauraum 120 angeordnet, welcher eine Zufuhrschleuse 121 und eine Entnahmeschleuse 122 aufweist.

Folgende Arbeitsgänge werden mit der Presse 101 zum Fertigen eines hohlen Trägers als Bauteil realisiert:
In der Presse 101 sind die Werkzeugoberhälfte 106 und die Werkzeugunterhälfte 108 geöffnet. Ein vorgebogenes und vorgeformtes unbeschichtetes Rohr 107 aus 22MnB5 wird durch die Zufuhrschleuse 121 in den gasdichten Einbauraum 120 eingebracht und in die induktive Erwärmungseinrichtung 113 eingelegt.

Mittels der Induktionsspulen 114 der induktiven Erwärmungseinrichtung 113 wird das unbeschichtete Rohr 107 auf 930°C innerhalb von drei Sekunden erwärmt.

Der gasdichte Einbauraum 120 ist über die Stickstoffzufuhr 112 mit Stickstoff als Schutzgas gefüllt, sodass beim Erwärmen des unbeschichteten Rohr 107 keine Oxidation durch Luftsauerstoff und somit keine Zunderbildung stattfindet.

Nach dem Erwärmen wird das erwärmte unbeschichtete Rohr 107 mittels der Transportschiene 116 in die Werkzeugunterhälfte 108 eingelegt. Die Werkzeugoberhälfte 106 und die Werkzeugunterhälfte 108 werden geschlossen und eine Presskraft von 15.000kN aufgebracht.

Parallel zum Aufbau der Presskraft werden der erste axiale Dichtstempel 110 und der zweite axiale Dichtstempel 111 gegen die offenen Enden des erwärmten unbeschichteten Rohres 107 verfahren und dichten das Rohr 107 ab. Über die Stickstoffzufuhr 112 des ersten axialen Dichtstempels 110 wird als Druckmedium und Schutzgas Stickstoff in das innere des erwärmten unbeschichteten Rohres 107 zugeführt. Dabei wird ein Druck von 800bar aufgebaut.

Durch den ersten axialen Dichtstempel 110 und den zweiten axialen Dichtstempel 111 wird das erwärmte unbeschichtete Rohr 107 abgedichtete und gestaucht, während durch das Druckmedium Stickstoff die Aufweitung sowie das Anlegen des unbeschichteten Rohres 107 an die Innenkontur der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 erfolgt.

Durch Einstellen eines Kalibrierdrucks von 1.000bar wird das erwärmte unbeschichtete Rohr 107 passgenau ausgeformt, sodass es als seine Außenkontur die Innenkontur der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 annimmt.

Anschließend wird das erwärmte, umgeformte, unbeschichtete Rohr 107 über die mittels der Wasserkühlungen 115 gekühlten Werkzeugwände der geschlossenen Werkzeugoberhälfte 106 und Werkzeugunterhälfte 108 innerhalb von 10 Sekunden abgekühlt, wobei ein Härten durch Martensitbildung unter der Schutzgasatmosphäre des Stickstoffs erfolgt.

Nach Erreichen der Entnahmetemperatur werden der Innendruck und dann die Presskraft entlastet und die axialen Dichtstempel 110 und 111 werden zurückgezogen. Anschließend fährt der Stößel 104 der Presse 101 nach oben, sodass die Werkzeugoberhälfte 106 und die Werkzeugunterhälfte 108 geöffnet werden. Mittels eines nicht gezeigten Greifers wird das gehärtete umgeformte unbeschichtete Rohr 107 auf die Transportschiene 117 gebracht. Mittels der Transportschiene 117 wird das gehärtete umgeformte unbeschichtete Rohr 107 über die Entnahmeschleuse 122 aus dem gasdichten Einbauraum 120 gebracht, welcher kontinuierlich über die Stickstoffzufuhr 112 mit Stickstoff als Schutzgas geflutet wird.

Dadurch liegt ein aus dem unbeschichteten Rohr 107 durch Umformen und Härten gefertigter hohles Formteil (nicht gezeigt) als Bauteil vor. Bei dem gefertigten Formteil handelt es sich um ein hochfestes qualitativ hochwertiges Bauteil ohne Verzunderung und Abbrand, sodass weitere Nachbehandlungsschritte, wie Kugelstrahlen, nicht notwendig sind. Somit weist das gefertigte hohle Formteil einen sehr homogenen Wandstärkenverlauf und homogene Oberflächeneigenschaften auf.

Bezugszeichenliste

101
Presse
102
Antrieb
104
Stößel
105
Werkzeughalter
106
Werkzeugoberhälfte
107
unbeschichtetes Rohr
108
Werkzeugunterhälfte
109
Pressentisch
110
Erster axialer Dichtstempel
111
Zweiter axialer Dichtstempel
112
Stickstoffzufuhr
113
induktive Erwärmungseinrichtung
114
Induktionsspule
115
Wasserkühlung
116
Transportschiene
117
Transportschiene
120
gasdichter Einbauraum
121
Zufuhrschleuse
122
Entnahmeschleuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • DE 19623559 A1 [0008]
  • WO 2012/098230 [0009]