Titel Werkzeug mit einer Aufnahme für eine austauschbare Werkzeugkomponente und Verfahren zum Austauschen einer Werkzeugkomponente in einem Werkzeug

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug mit einer Aufnahme für eine austauschbare Werkzeugkomponente und ein Verfahren zum Austauschen einer Werkzeugkomponente in einem Werkzeug .

Aus dem Stand der Technik sind hinlänglich Werkzeuge bekannt, die für ihre Nutzung auf vergleichs- weise hohe Temperaturen erhitzt werden. Ein typisches Beispiel für ein solches Werkzeug ist ein Um- formwerkzeug, mit dem ein Werkstück, beispielsweise durch Warmumformen, umgeformt wird . In der Regel wird das Werkzeug dabei mit einem Heizsystem, beispielsweise bestehend aus Heizpatronen, auf Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erwärmt, um die Wärme beim Umformen des Werkstücks zu nutzen. Durch die vergleichsweise hohen Temperaturen treten regelmäßig Verschwei- ßungen in den Bereichen auf, in denen das Heizsystem, insbesondere die Heizpatrone, in das Werkzeug eingelassen ist. Möchte man die Heizpatronen wiederholt auswechseln, um beispielsweise defekte Heizpatronen zu ersetzen oder die Heizleistung durch eine andere Heizpatrone anzupassen, ist das Auswechseln aufgrund der Verschweißung, die durch die Hitzeentwicklung im Werkzeug entsteht, erschwert.

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug zur Verfügung zu stellen, bei dem das Wechseln von Werkzeugkomponenten gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht wird, wenn das Werkzeug zumindest bereichsweise in seinem Betriebszustand eine Betriebstemperatur von mehr als 150°C aufweist.

Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe durch ein Werkzeug mit einer Aufnahme für eine aus- tauschbare Werkzeugkomponente, wobei das Werkzeug im Bereich der Aufnahme in einem Betriebszustand eine Betriebstemperatur von mehr als 150°C, insbesondere von mehr als 200°C, vorzugsweise von mehr als 250°C, besonders bevorzugt von mehr als 300°C aufweist, wobei in einem im Betriebszustand eingenommenen fixierten Zustand ein Form- und/oder Reibschluss zwischen der Werk- zeugkomponente und der Aufnahme realisiert ist und in einem nicht-fixierten Zustand der Formund/oder Reibschluss zwischen der Werkzeugkomponente und der Aufnahme aufgehoben ist, wobei eine durch eine Temperaturänderung veranlasste

Formänderung, insbesondere der Werkzeugkomponente und/oder der Aufnahme, die Werkzeugkom- ponente zwischen dem fixierten Zustand und dem nicht-fixierten Zustand reversibel überführt.

Gegenüber dem Stand der Technik wird die Werkzeugkomponente durch den Form- und/oder Reibschluss zwischen der Aufnahme und der Werkzeugkomponente im fixierten Zustand festgehalten . Dadurch wird in vorteilhafter Weise darauf verzichtet, die Werkzeugkomponente in das Werkzeug derart einzulassen, dass die Gefahr eine Verschweißung gegeben ist. Das führt schließlich in vorteilhafter Weise zu einer vereinfachten Wartung und einem reduzierten Aufwand beim Wechseln der Werkzeugkomponenten.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Werkzeug um ein Umformwerkzeug, das beispielsweise für das Warmumformen eines Werkstücks vorgesehen ist. Insbesondere handelt es sich bei der die Formänderung veranlassenden Temperaturänderung um ein Aufheizen des Werkzeugs auf Betriebstemperatur oder das Abkühlen des Werkzeugs auf Raumtemperatur. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Aufnahme eine Aussparung bzw. einen zu einer Seite hin offenen Hohlraum umfasst, in die bzw. in den die Werkzeugkomponente eingeführt wird, wenn sie am Werkzeug montiert werden soll. Weiterhin umfasst die Aufnahme vorzugsweise eine Öffnung, durch die die Werkzeugkomponente beim Austauschen geführt wird . Es ist dabei vorstellbar, dass die Aufnahme nach unten offen ist. Insbesondere ist die Öffnung derart am Werkzeug angeordnet, dass die Werkzeugkomponente im nicht-fixierten Zustand selbstständig oder mit einem vergleichsweise geringen Aufwand die Aufnahme verlässt, wobei die Bewegung der Werkzeugkomponente aus der Aufnahme bevorzugt von der Schwerkraft zumindest unterstützt wird. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Werkzeugkomponente und die Aufnahme im fixierten Zustand im Wesentlichen bündig abschließen .

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 Aufnahme ein erstes Material und die Werkzeugkomponente ein zweites Material umfasst, wobei sich ein Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Materials unterscheidet, vorzugsweise derart unterscheidet, dass die Werkzeugkomponente beim Erwärmen des Werkzeugs auf die Betriebstemperatur vom nicht-fixierten Zustand in den fixierten Zustand überführt wird . Dabei lassen sich in vorteilhafter Weise die unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften zum Verpressen bzw. Einklemmen der Werkzeugkomponente in der Aussparung nutzen. Weiterhin ist die Werkzeugkomponente vom fixierten Zustand in den nicht-fixierten Zustand überführbar, wenn die Werkzeugkomponente abkühlt, insbesondere auf die Umgebungs- bzw. Raumtemperatur abkühlt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Temperatur im fixierten Zustand größer ist als die Temperatur im nicht-fixierten Zustand . Vorzugsweise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Materials größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Werkzeugkomponente einen Verbund aus einem Ummantelungselement und einem Kernelement aufweist. Dabei ist das Ummantelungselement vorzugsweise komplementär zur Aussparung ausgestaltet. Insbesondere ist das Ummantelungselement aus dem zweiten Material gefertigt und sorgt durch sein Ausdehnen beim Erwärmen des Werkzeugs auf Betriebstemperatur für den Übergang in den fixierten Zustand . Zum Anordnen des Kernelements wird der Verbund aus Ummantelungselement und Kernelement innerhalb der Aussparung angeordnet und anschließend vom nicht-fixierten Zustand in den fixierten Zustand überführt. Beispielsweise ist das Kernelement in einer Bohrung im Ummantelungselement eingelassen oder das Ummantelungselement umfasst Halbschalen, die im zusammengesetz- ten Zustand, das Kernelement umschließen . Bei der Verwendung von Halbschalen lässt sich die Werkzeugkomponente ohne großen Aufwand, beispielsweise zeitlich nach der Entnahme aus der Aufnahme, wieder in das Kernelement und Halbschalen zerlegen. Ein weiterer Vorteil des Ummantelungsele- ments ist, dass das, vorzugsweise funktionelle, Kernelement geschützt wird von dem Ummantelungselement.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Werkzeugkomponente im nicht-fixierten Zustand gegenüber der Aussparung eine Spielpassung oder eine Übergangspassung aufweist. Dadurch lässt sich im nicht-fixierten Zustand, insbesondere im abgekühlten Zustand, sicherstellen, dass die Werkzeugkomponente und Aufnahme nicht bündig sind und ohne großen Aufwand die Werkzeugkomponente aus der Aufnahme entfernbar ist. Insbesondere ist eine Spiel- oder Übergangspassung zwischen der Aufnahme und der Werkzeugkomponente vorgesehen, wenn das Werkzeug eine Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur annimmt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Werk- zeugkomponente, vorzugsweise das Kernelement, eine Heizpatrone, eine Messeinheit, eine Kühlleitung und/oder eine Heizspirale umfasst.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials und/oder der Wärmeausdehnungskoeffizient des zwei- ten Materials derart gewählt ist, dass beim Übergang vom nicht-fixierten Zustand in den fixierten Zustand ein Spalt zwischen der Werkzeugkomponente und der Aufnahme geschlossen wird . Insbesondere sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten derart an die vorgesehene Betriebstemperatur ange- passt, dass beim Erwärmen des Werkzeugs auf die Betriebstemperatur der fixierte Zustand unmittelbar vor Erreichen der Betriebstemperatur eingenommen wird . Weiterhin ist es vorstellbar, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten derart ausgewählt werden, dass der Spalt im nicht-fixierten Zustand möglichst groß ist, damit sich die Werkzeugkomponente möglichst einfach aus der Aufnahme entnehmen lässt.

Eine weitere Ausführungsform oder ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Werkzeug, wobei das Werkzeug im Bereich der Aufnahme in einem Betriebszustand eine Betriebstemperatur von mehr als 150 °C, insbesondere von mehr als 200°C, vorzugsweise von mehr als 250°C, besonders bevorzugt von mehr als 300°C aufweist, wobei in einem im Betriebszustand eingenommenen fixierten Zustand ein Form- und/oder Reibschluss zwischen der Werkzeugkomponente und der Aufnahme realisiert ist und in einem nicht-fixierten Zustand der Form- und/oder Reibschluss zwischen der Werkzeugkomponente und der Aufnahme aufgehoben ist, wobei die Aufnahme und/oder die Werkzeugkomponente ein Fixierelement aufweist, wobei das Fixierelement im fixierten Zustand eine Sperrstellung und im nicht-fixierten Zustand eine Freigabestellung einnimmt.

Gegenüber dem Stand der Technik wird das Fixierelement lösbar in der Aufnahme gehalten und kann bei Bedarf ohne großen Aufwand aus der Aufnahme entfernt werden. Insbesondere wirkt das Fixierelement dabei entlang einer von einem Boden zur Öffnung der Aufnahme gerichteten Richtung mit der Werkzeugkomponente formschlüssig in der Sperrstellung zusammen und verhindert dadurch, dass die Werkzeugkomponente im fixierten Zustand die Aufnahme verlässt. Dabei wird vorzugsweise auf ein Abkühlen beim Überführen der Werkzeugkomponente vom fixierten Zustand in den nicht-fixierten Zustand verzichtet, was schließlich zu einer effektiven Beschleunigung beim Austauschen der Werkzeugkomponente führt. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass durch eine geeignet gewählte geometrische Form die Zugänglichkeit zur Werkzeugkomponente verbessert wird . Beispielsweise ist die Werkzeug- komponente konisch geformt. Dadurch lässt sich die Werkzeugkomponente auch austauschen, ohne dass das Werkzeug wesentlich abkühlt. Damit werden die Zeit und die Heizleistung, die für das erneute Aufheizen auf Betriebstemperatur benötigt werden würde, gespart.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Austauschen einer Werk- zeugkomponente in einem Werkzeug, insbesondere einem erfindungsgemäßen Werkzeug, wobei das Werkzeug in einem Betriebszustand im Bereich einer Aufnahme auf eine Betriebstemperatur von mehr als 150°C, insbesondere von mehr als 200°C, vorzugsweise von mehr als 250°C, besonders bevorzugt von mehr als 300°C aufgewärmt wird, wobei die Werkzeugkomponente zum Herauslösen aus der Aufnahme, vorzugsweise durch eine erste Formänderung, von einem fixierten Zustand in einen nicht- fixierten Zustand und zum Fixieren in der Aufnahme, vorzugsweise durch eine zweite Formänderung, von einem nicht-fixierten Zustand in den fixierten Zustand überführt wird . Gegenüber dem Stand der Technik wird in vorteilhafter Weise darauf verzichtet, dass die Werkzeugkomponente in das Werkzeug eingelassen wird und dadurch die Wahrscheinlichkeit für die Bildung einer Verschweißung zwischen der Werkzeugkomponente und dem Werkzeug reduziert. Dabei macht die zweite Formänderung, beispielsweise ein Zusammenziehen, beim Übergang vom fixierten Zustand in den nicht-fixierten Zustand vorzugsweise die erste Formänderung, beispielsweise ein Ausdehnen, beim Übergang vom nicht-fixierten Zustand in den fixierten Zustand rückgängig .

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Werkzeugkomponente und/oder die Aufnahme für einen Übergang vom nicht-fixierten Zustand in den fixierten Zustand erwärmt wird und für einen Übergang vom fixierten Zustand in den nicht-fixierten Zustand abgekühlt wird.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System aus einer Werkzeugkomponente und 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 Ausführungsform der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.

Kurze Beschreibung der Figuren

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

Die Figur 2 zeigt ein Werkzeug gemäß einer zweiten 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 schematisch ein Werkzeug 1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Vorzugsweise ist das Werkzeug 1 ein Umformwerkzeug, das zum Umformen eines Werkstücks (hier nicht dargestellt) zumindest bereichsweise auf eine Betriebstempe- ratur von mehr als 150°C, insbesondere von mehr als 200°C, vorzugsweise von mehr als 250°C, besonders bevorzugt von mehr als 300°C erwärmt wird. Zum Erreichen der Betriebstemperatur ist vorzugsweise als Werkzeugkomponente 7 ein Heizsystem, beispielsweise in Form einer Heizpatrone, vorgesehen, wobei das Heizsystem in das Werkzeug 1 derart anordbar ist, dass es austauschbar ist. Da- für weist das Werkzeug 1 eine Aufnahme 8, beispielsweise in Gestalt einer in das Werkzeug 1 eingelassenen Aussparung, insbesondere einer Bohrung, oder eines in das Werkzeug 1 eingelassenen Hohlraums, auf. In der linken Abbildung der Figur 1 ist die Werkzeugkomponente 7 innerhalb der Aufnahme angeordnet und befindet sich im nicht-fixierten Zustand, während in der mittleren Abbildung der Figur 1 die Werkzeugkomponente 7 im fixierten Zustand illustriert ist. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform wird die rotationssymmetrische Werkzeugkomponente 7 durch einen Verbund aus einem Ummantelungselement 2 und einem Kernelement 3 gebildet, wobei das Kernelement 3 die Heizpatrone ist. Dabei ist es vorgesehen, dass die Werkzeugkomponente 7 derart in die Aussparung im Werkzeug 1 angeordnet wird, dass das Ummantelungselement 2 zwischen dem Kernelement 3 und der Aufnahme 8 angeordnet ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Ummantelungselement 2 und das Kernelement 3 derart ausgestaltet sind, dass sie miteinander verpresst sind bzw. dass sie in einer Übermaßpassung vorliegen. Beispielsweise ist die Heizpatrone dabei in eine H7-Bohrung im Ummantelungselement 2 eingelassen . Es ist aber auch vorstellbar, dass das Ummantelungselement 2 eine Halbschale 6 aufweist, wie sie in der rechten Abbildung in Figur 1 dargestellt ist. Insbesondere ist es hierbei vorgesehen, dass zusammengesetzte Halbschalen 6 das Kernelement 3 zumindest auf den zur Aufnahme 8 zeigenden Seiten das Kernelement 3 vollständig umgeben. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Werkzeugkomponente 7 und die Aufnahme 8 derart ausgestaltet bzw. dimensioniert sind, dass eine Übergangspassung oder sogar eine Spielpassung realisiert ist, d . h. dass zwischen der Aufnahme und der Werkzeugkomponente 7 zumindest bereichsweise ein Spalt gebildet wird, wenn die Werkzeugkomponente 7 in der Aufnahme 8 angeordnet wird. Des Weiteren ist es vorzugsweise vorge- sehen, dass die Aufnahme 8 ein erstes Material aufweist und die Werkzeug komponente 7, insbesondere das Ummantelungselement 2, ein zweites Material aufweist, wobei sich ein Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Materials unterscheidet. Insbesondere sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten derart ausgewählt, dass beim Erwärmen des Werkzeugs auf die Betriebstemperatur die Werkzeugkomponente von einem nicht- fixierten Zustand in einen fixierten Zustand überführt wird, indem der Spalt 4 zwischen Werkzeugkomponente 7 und der Aufnahme 8 geschlossen wird, die Werkzeugkomponente 7 und die Aufnahme 8 reibschlüssig zusammenwirken und so dafür gesorgt wird, dass die Werkzeugkomponente 7 in der Aufnahme 8 fixiert wird, insbesondere in der Aufnahme 8 verpresst wird . Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten derart ausgewählt sind , dass die Werkzeugkomponen- te 7 bei einem Abkühlen des Werkzeugs 1 vom fixierten Zustand in den nicht-fixierten Zustand überführt wird . Durch die Nutzung der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten lässt sich das Austauschen von Werkzeugkomponenten 7, insbesondere auf Betriebstemperatur erhitzten Werkzeugkomponenten 7, realisieren, ohne dass die Werkzeugkomponente 7 aufwendig aus der Aufnahme 8 herausgelöst werden muss. Vorzugsweise weist die Aufnahme 8 dabei eine im Gravitationsfeld der Erde nach unten offene Öffnung auf, wodurch die Werkzeugkomponente 7 selbstständig beim Abkühlen aus der Aufnahme 8 herausrutschen kann oder sich beispielsweise durch Hammerschläge aus der Aufnahme 8 ohne großen Aufwand herauslösen lässt.

In Figur 2 ist ein Werkzeug 1 in einer zweiten beispielhaften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in Figur 1 ist links die Werkzeugkomponente 7 in einem nicht-fixierten Zustand und in der Mitte in einem fixierten Zustand illustriert. Die Figur 2 wird auf ihrer rechten Seite durch eine perspektivische Darstellung der zur zweiten beispielhaften Ausführungsform passenden Halbschale 6 komplettiert. Die zweite Ausführungsform umfasst zusätzlich ein Fixierelement 5, mit dem die Fixierung der Werkzeugkomponente 7 im fixierten Zustand zumindest unterstützt wird. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich um ein hakenförmiges Bauteil, das am Werkzeug 1 im Bereich der Aufnahme 8 angeordnet bzw. montiert ist. Es ist dabei vorstellbar, dass das Fixierelement 5 verstellbar an dem Werkzeug angeordnet ist und sich beispielsweise zwischen einer Sperrstellung und einer Freigabestellung verstellen lässt. Dabei wirkt in der Sperrstellung das Fixierelement formschlüssig mit der Werkzeugkomponente 7 zusammen und verhindert so beispielsweise, dass die Werkzeugkomponente die Aussparung verlässt, während in einer Freigabestellung das Fixierelement 5 der Werkzeugkomponente einen Weg, über den die Werkzeugkomponente 7 die Aufnahme 8 verlassen kann, freigibt. Vorstellbar ist dabei, dass das Fixierelement 5 verschiebbar, verschwenkbar oder lösbar an dem Werkzeug 1 im Bereich der Aufnahme 8 angeordnet ist. Weiterhin unterscheidet sich die zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform durch die konische Form der Aufnahme 8 und der Werkzeugkomponente 7, insbesondere des Ummantelungselements 2. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Werkzeugkomponente 7 mechanisch, beispielsweise durch die konische Form und das Fixierelement, in der Aufnahme 8 gehalten wird . Dadurch lässt sich die Werkzeug komponente 7 in vorteilhafter Weise aus der Aufnahme 8 entfernen, ohne dass das Werkzeug 1 abgekühlt werden muss, was schließlich dazu führt, dass in vorteilhafter Weise bei der Bearbeitung des Werkstücks mit dem Werkzeug 1 Zeit gespart wird . Außerdem lässt sich die Heizleistung, die für das erneute Erhitzen des Werkzeugs 1 auf Betriebstemperatur erforderlich ist, reduzieren . Neben Stahlwerkstoffen können beispielsweise auch Leichtmetallwerkstoffe aus Aluminium oder Magnesium mit dem erfindungsge- mäßen Werkzeug umgeformt werden. Bezugszeichenliste

1 Werkzeug

2 Ummantelungselement

3 Kernelement

4 Spalt

5 Fixierelement

6 Halbschale

7 Werkzeugkomponente

8 Aufnahme