Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWUZielbranche
Werkzeugfertigung, Automobilindustrie
Problemstellung
Der Aufbau eines Presshärtwerkzeugs ist im Vergleich zu einem konventionellen Kaltumformwerkzeug wesentlich komplexer, da in Stempel und Matrize Kühlkanäle eingearbeitet werden müssen. Das Einbringen der Kanäle erfolgt dabei durch Tieflochbohren oder durch eine Segmentierung der Werkzeuge. Eine gezielte Temperierung einzelner Bereiche nahe und konform zur Werkzeugkontur ist damit nur sehr aufwändig und eingeschränkt realisierbar. Daraus resultieren ein hoher Energieeinsatz für das Kühlmedium und lange Zykluszeiten, um die für die martensitische Gefügeausbildung im Pressteil notwendigen Bedingungen im Werkzeug zu schaffen. Die Zykluszeit im Presshärtprozess wird zu ca. 30 Prozent durch die Bauteilabkühlung (Haltezeit der geschlossenen Form nach der Umformung vor der erneuten Öffnung zur Bauteilentnahme) bestimmt.
Lösung
Die Werkzeugkonstruktion sowie die Gestaltung der Kühlgeometrie erfolgten unter dem Gesichtspunkt der Werkzeugfertigung bei Anwendung konventioneller Verfahren wie Fräsen und Tieflochbohren. Parallel dazu begann die Gestaltung der innovativen, konturnahen Werkzeugkühlung. Dazu wurden verschiedene Varianten der Werkzeugkühlung entwickelt und mithilfe der numerischen Simulation miteinander verglichen. Anhand der Simulationsergebnisse und unter Berücksichtigung der fertigungstechnischen Besonderheiten des Laserstrahlschmelzens konnte die optimale Kühlkanalgeometrie für die Werkzeugfertigung abgeleitet werden. Die komplexen Kühlkanäle mit einem Durchmesser von nur 4 mm wurden netzartig mit gleichmäßig geringem Abstand zur Werkzeugoberfläche angeordnet.
Zur Bestätigung der Simulationsergebnisse wurden Umformversuche auf einer Standard-Warmumformpresse unter produktionsnahen Bedingungen durchgeführt. Die Fertigungs- und Maschinenparameter wurden dabei, ausgehend von Standardwerten aus der Serienfertigung, kontinuierlich angepasst und optimiert. Mithilfe neuester Messtechnik wie Temperatursensoren, Thermografie und computergestützter Analyse wurden alle relevanten Daten der Versuche aufgezeichnet und anschließend analysiert.
Die Wärmeabfuhr in den generativ gefertigten Werkzeugeinsätzen mit optimiertem Kühlsystem erfolgte 6-mal schneller als in den Werkzeugeinsätzen mit konventionell gebohrten Kühlkanälen. In weiteren Versuchen mit Werkstück und Pressvorgang wurden verschiedene Haltezeiten mit unterschiedlichen Volumenströmen des Kühlwassers gefahren. Hier wurden sowohl der Temperaturverlauf im Werkzeug als auch die Temperatur des Werkstücks vor, während und nach der Umformung aufgezeichnet und analysiert.