Werkzeugform zur Herstellung von metallischen Formteilen durch Giess-, Heiss-, Kalt- oder Warmumformung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Werkzeugform

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugform zur Herstellung von metallischen Formteilen durch Gieß-, Heiß-, Warm- oder Kaltumformung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Werkzeugform.

Für die bekannten Gieß- und Umformverfahren werden bekanntermaßen Stahlformen verwendet. Bei der Verwendung von Stahlformen ist nachteilig, dass bei der Gieß-, Heiß- oder Warmumformung sowohl die Form als auch das Werkstück sehr stark korrodiert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Form mit Schmiermittel und Trennmittel benetzt sein muss, um ein Fließen des Werkstoffes während des Umformvorganges zu ermöglichen.

Es ist nun allerdings auch bekannt, derartige Stahlformen mit Keramiken im Bereich der Kavität auszukleiden. Derartige Keramiken haben zum einen den Vorteil, dass die Verwendung von Trenn- und Schmiermitteln überflüssig wird, aber was noch viel wesentlicher ist, ist die Tatsache, dass chemische Reaktionen zwischen Umformmaterial und Formmaterial bei der Verwendung von keramischen Einsätzen im Wesentlichen unterbunden werden.

Eine derartige Form wird beispielsweise in der DE 199 08 952 A 1 beschrieben. Nachteilig an einer solchen Stahlform, die mit einer keramischer Masse ausgekleidet ist, ist allerdings, dass insbesondere bei der Warm- und der Heißumformung aufgrund der Wärmeeinwirkung die Form sich selbst unter der Wärme stark ausdehnt. Selbst wenn man davon ausgeht, dass eine derartige Wärmeausdehnung im gewissen Umfang bei der Herstellung der Form berücksichtigt werden kann, so ist dies mit letzter Sicherheit jedoch nicht möglich, da im Betrieb die Temperatur der Form gewissen Schwankungen unterliegt, so dass das in der Werkzeugform im Wege der Heiß- oder Warmumformung hergestellte Werkstück im Nachgang an den eigentlichen Umformvorgang noch nachbearbeitet werden muss, was zusätzliche Kosten verursacht. Hinzu kommt, dass die Herstellung der Stahlformen aufwendig, zeitintensiv und dementsprechend teuer ist. Im Betrieb benötigen die Stahlformen wegen der Korrosion eine intensive Pflege, die wiederum Kosten verursacht.

Aus der DE 41 20 105 A1 ist bekannt, eine Gießform zu 99 % aus Siliziumdioxid herzustellen. Eine solche aus Siliziumdioxid hergestellte Form kann aber nicht zur Umformung von Werkstücken verwendet werden, da solchen Belastungen eine Siliziumoxidform nicht stand hält.

Aus der DE 28 54 555 A1 ist des Weiteren bekannt, eine Form mit Wolfram zu beschichten.

Bei einer Werkzeugform gemäß der EP 0 399 727 ist ein mehrschichtiger Aufbau unter Verwendung von Aluminiumoxid und Zirkonsilikat vorgesehen, mit gewollt unterschiedlich porösen Schichten. Eine Form mit einer derart porösen Außenhaut wäre wiederum nicht in der Lage, die geforderte Zug- und Druckfestigkeit zu erreichen, die notwendig ist, um eine derartige Werkzeugform zum Kalt-, Warm- oder Heißumformen zu benutzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugform der eingangs genannten Art zur Herstellung von metallischen Formteilen durch Gieß-, Heiß-, Warm- oder Kaltumformung bereitzustellen, die auch unter hohen Temperaturen im Wesentlichen formstabil ist, d. h. sich auch unter extremer Wärmeeinwirkung nicht nennenswert ausdehnt bzw. zusammenzieht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Werkzeugform vollständig aus einer homogenen keramischen Masse ausgebildet ist, mit einem oder mehrerer der nachfolgend aufgeführten Bestandteile:

• Silikoncarbid
• Silikonnitrid
• Magnesiumoxid
• Zirkonnitrid
• Titannitrid
• Zirkondiborid
• Titandiborid
• Graphit

Weitere vorteilhafte Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Eine Werkzeugform, die vollständig aus einer homogenen keramischen Masse mit einem oder mehrere der oben aufgeführten Bestandteile besteht, weist insbesondere den Vorteil auf, dass diese selbst unter extremer Wärmeeinwirkung einen nur geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Insofern ist eine Nachbearbeitung eines in einer solchen Form hergestellten Werkstückes nicht erforderlich. Dies bedeutet gleichfalls, dass gegebenenfalls die Dicke des Werkstückes, das in einer solchen Form aus keramischen Material hergestellt ist, geringer sein kann, da eine Nachbearbeitung - wie bereits oben beschrieben - entfallen kann. Das heißt, dass hierdurch Material am Werkstück eingespart werden kann. Wesentlich ist darüber hinaus, dass eine derartige Werkzeugform eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als beispielsweise eine Stahlform, was wesentlich ist für die Kontrolle der Temperatur während des Umformvorganges. Weiterhin ist wesentlich, dass die Gleitfähigkeit des keramischen Materiales wesentlich höher ist als die von Stahl, so dass im Wesentlichen auf die Verwendung von Schmiermitteln verzichtet werden kann. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass die Korrosion bei der Verwendung derartiger keramischer Mittel im Wesentlichen vermieden wird. Darüber hinaus ist die Temperaturwechselbeständigkeit und auch die Verschleißfestigkeit wesentlich höher als bei Stahlformen. Bei der Zusammensetzung der Keramikmasse ist darüber hinaus darauf zu achten, dass die Form temperaturschockbeständig ist.

Wesentlich ist darüber hinaus, dass eine solcher Art hergestellte Werkzeugform aus einer homogenen Keramikmasse, selbst bei Abmessungen in der Größe von größer 30 x 30 x 30 mm, in der Lage ist, die beim Umformen auftretenden Kräfte dauerhaft, d. h. in der Serienfertigung aufzunehmen. Dies insbesondere dann, wenn die Wandstärke der Form größer ist als 30 mm ist.

Im Einzelnen ist vorgesehen, dass die Werkzeugform im Schlickerguss, Druckguss, Gefrierguss oder Zementguss hergestellt ist. Weitere mögliche Fertigungsverfahren sind Vibrierpressen, Pressen und Sintern. Vorteilhaft zeigt die Werkzeugform um die Kavität herum Öffnungen, insbesondere Langöffnungen, vorzugsweise in Form konischer Rundlöcher. Diese Langöffnungen oder Bohrungen um die Kavität herum können dem gezielten Erhitzen der Form dienen, beispielsweise dadurch, dass heiße Gase oder Flüssigkeiten durch die Bohrungen geschickt werden, um insbesondere während der Warmumformung (Hydroforming) das Fließen des Materials beeinflussen zu können. Denkbar ist allerdings auch, die Bohrungen mit Heizelementen zu bestücken, die vorzugsweise fest in der Keramik eingebettet sind. Als Heizelement können Verwendung finden, Spulen zur induktiven Erwärmung aber auch Heizbänder, Heizplatten, Heizdrähte, Heizstäbe und Ähnliches. Wesentlich bei der Anordnung der Heizelemente in der Keramik ist, dass die Einbettung der Heizelemente in der Keramik derart erfolgt, dass die unterschiedlichen Materialausdehnungskoeffizienten des Keramikwerkstoffs einerseits und der Heizelemente andererseits berücksichtigt werden, was beispielsweise dadurch geschehen kann, dass die Heizelemente elastisch nachgiebig in der Keramikform eingebettet sind.

Die Bohrungen dienen allerdings nicht nur zur Erwärmung, sondern können auch zum Kühlen der Form dienen und insbesondere auch zum Einfrieren der Form bei dessen Herstellung. Die Öffnungen können vorteilhafterweise durch Einlegen von konischen Rohren in die Formmasse bewirkt werden, so dass diese leicht zu entformen sind.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Keramikform aus einzelnen Segmenten ausgebildet ist, die miteinander verbindbar sind. Die Ausbildung der Keramikform in Form von einzelnen Segmenten hat den Vorteil, dass hiermit unter Umständen auch komplizierte Formwerkzeuge hergestellt werden können, die einstückig nicht oder nur schwer, wie z. B. eine gespiegelte Doppelform, herstellbar wären. Bei einer Form mit einzelnen Segmenten müssen die einzelnen Segmente des Werkzeuges nach der Formgebung getrennt werden. Dieses Trennen wird in der Regel durch Sägen oder Laserschneiden durchgeführt. Um das Formwerkzeug dennoch zu erhalten, ist vorgesehen, an den Trennstellen sogenannte Trennringe anzuordnen. Diese Trennringe, insbesondere aus Sinterkeramik, trennen einen Teil des Querschnitts des Werkstückes an der vorgesehenen Stelle, also z. B. im Mittelbereich der gespiegelten Doppelform. Das heißt, der Trennring ragt zu einem wesentlichen Teil in das Werkstück hinein. Der Einsatz von Trennringen kann jedoch nicht nur bei mehrteiligen Formen erfolgen, sondern auch bei einteiligen Formwerkzeugen, nämlich dann, wenn das Werkstück an diesen Stellen getrennt werden soll.

Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Werkzeugform nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 14, das sich dadurch auszeichnet, dass die keramische Masse in der Form in einem ersten Schritt eingefroren, in einem zweiten Schritt getrocknet und in einem dritten Schritt in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der keramischen Masse bei der entsprechenden Temperatur gehärtet wird. Das Einfrieren der keramischen Masse nach der Formgebung hat den Vorteil der erhöhten Formstabilität der Form während des weiteren Herstellungsvorganges, insbesondere der nachfolgenden Trocknung und der Härtung. Die Vortrocknung der keramischen Masse vor dem eigentlichen Härtevorgang ist erforderlich, um ein Reißen der Form zu verhindern. Die Trocknung der keramischen Masse vor dem Härtevorgang erfolgt über mehrere Stunden, insbesondere über 24 Stunden bei Temperaturen zwischen 40° C und 250° C. Die Härtetemperatur beträgt in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der keramischen Masse zwischen 600° C und 2500° C. Weitere vorteilhafte Merkmale sind den entsprechenden Unteransprüchen zu entnehmen.

Der Härtevorgang selbst erfolgt vorteilhaft in einer Umgebung, die eine Oxidation von nichtoxydischen Bestandteilen in der keramischen Masse, z.B. dem Graphit oder dem Titandiborid verhindert. Dies kann durch Härtung in der Umgebung von entsprechenden Gasen, z. B. Argon, erfolgen. Vorteilhafterweise Weise kann der Härtevorgang in einer stickstoffhaltigen Umgebung durchgeführt werden, um die metallischen Bestandteile in Nitride umzuwandeln, wie beispielsweise die Umwandlung von metallischem Silikonpulver in Silikonnitrid.

Bei der Anwendung der Keramikform für Hydroformverfahren im warmen oder heißen Zustand sollten die Materialführungsöffnungen so groß gewählt werden, dass dort nach der Materialerwärmung kein Materialklemmen entsteht.

Anhand der Zeichnungen wird die Werkzeugform im Folgenden näher beschrieben.

So zeigt:

Figur 1

eine gespiegelte Doppelform eines Werkzeuges bestehend aus zwei Bauteilformen, zwei Mittelteilen und einem Trennring;

Figur 2

einen Schnitt durch die Werkzeugform gemäß der Linie II - II aus Figur 1.

Die aus mehreren Teilen bestehende Doppelform eines Werkzeuges gemäß Figur 1 zeichnet sich im Einzelnen durch zwei Bauteilformen 1 und 2 aus, die durch das Mittelteil 10 miteinander formschlüssig verbunden sind. Das Mittelteil 10 besitzt darüber hinaus den Trennring 20, der die innere Oberfläche des Mittelteiles 10 überragt, so dass im Bereich des Trennringes, also im Bereich der Spiegelung der Doppelform, das in der Form befindliche Werkstück 30 zu einem wesentlichen Teil nach Entformung und nach Herausnahme des Trennringes 20 bereits geteilt ist. Seitlich besitzen die Bauteilformen 1 und 2 des Werkzeuges jeweils einen Zylinder 40, um beispielsweise beim Hydroforming durch Stauchung während der Umformphase Material nachführen zu können.

Aus Figur 2 ist im Schnitt die Bauteilform 2, die genauso wie die Bauteilform 1 in Figur 1 ausgebildet ist, erkennbar. Hierbei sind um die Kavität 5 Heizelemente in Form von Heizdrähten 60 verlegt, wobei zusätzlich zu den Heizdrähten 60 um die Kavität herum Bohrungen 70 vorgesehen sind, die der alternativen Aufnahme von Heizelementen dienen können, oder auch der Durchfuhr von heißen Gasen oder heißen Flüssigkeiten. Wesentlich ist aber auch, dass die Bohrungen 70 als Kühlbohrungen fungieren können, um ein Entformen nach dem Umformvorgang zu erleichtern, bzw. das Formwerkzeug schnell abkühlen zu können. Insbesondere dienen diese Bohrungen 70 allerdings auch dazu, bei der Herstellung der keramischen Werkzeugform die bereits geformte Masse durch Durchfluss eines geeigneten Kühlmediums zu gefrieren. Das heißt, dass die Bohrungen 70 mehrere Aufgaben erfüllen können, so insbesondere das Erhitzen des Formwerkzeuges, um beispielsweise beim Hydroforming an bestimmten Stellen des Formwerkzeuges die Temperatur gezielt zu erhöhen, ganz ähnlich wie dies bei Heizelementen, beispielsweise in Form von Heizdrähten geschehen kann, oder aber auch zum Kühlen der Werkzeugform während des Herstellvorganges der Werkzeugform selbst.