CN107000018A - 用于热成型的方法和成型工具以及相应的工件 - Google Patents

Abstract

由钢板制成的工件(1)、特别是扁坯的热成型方法，成型前加热工件(1)，随后在具有凹模(3)和冲头(4)形式两个工具组件(3，4)的成型工具(2)中通过与两个工具组件(3，4)接触使已加热工件(1)热成型，随后使已成型工件(1)至少部分直接暴露于围绕成型工具(2)的气体并由此冷却。为在较轻重量和降低制造成本条件下实现尽量高的疲劳强度，本发明提出在成型之后一个工具组件(4)至少一个工具组件部分(4.1)离开已成型工件(1)朝向该工具组件(4)一侧(1a)，而已成型工件(1)远离该工具组件(4)一侧(1b)继续与各个另外工具组件(3)保持完全接触。本发明还涉及相应的成型工具(2)和相应的工件(1)。

Description

用于热成型的方法和成型工具以及相应的工件

技术领域

本发明涉及一种用于由钢板制成的工件、特别是扁坯的热成型和特别是部分加压硬化的方法，其中，在成型之前加热工件，随后在具有以凹模和冲头形式的两个工具组件的成型工具中通过与这两个工具组件接触使已加热的工件热成型，并随后使已成型的工件至少部分地直接暴露于围绕成型工具的气体并由此得到冷却。

本发明另外还涉及一种用于由钢板制成的工件、特别是扁坯的热成型和特别是部分加压硬化的成型工具，特别是用于实施上述限定的方法的成型工具，该成型工具具有以凹模和冲头形式的两个工具组件，在这些工具组件之间能够设置工件而且这些工具组件能够相对于彼此移动。

最后，本发明还涉及一种通过按照本发明的方法制成的工件、特别是用于车辆轮毂的轮盘。

背景技术

车轮是一个安全部件并因此必须能够在运行期间可持续地吸收高的机械交变应力。常规的钢轮由确保与轮毂的连接的轮盘和用于容纳轮胎的轮毂带组成，轮毂带在内侧以环绕的方式连接轮盘。轮盘目前在具有多达十一级的渐进式压力机上制造。在此几乎仅应用具有400至600MPa强度的微合金化的双相钢。除了钢轮的疲劳强度之外，重量也起到重要的作用，其对材料成本、非簧载质量、旋转运动质量和燃料消耗均起到作用。

当然，上述内容还适用于多个其他部件，特别是应用于处于循环应力下、优选在底盘区域中的部件。因此，本发明涉及各种部件的制造。因此，以下仅以示例性的方式说明轮盘的制造。

目前为了在轮盘中实现进一步的重量优势，必须采用具有更高的屈服极限和抗振强度的材料以便确保车轮具有足够的疲劳强度，并且另一方面必须通过形状适应(例如通过较强的冲压)补偿在较小板厚度的情况下的强度损失。但是随着钢材料(碳钢)的强度增加，成型性通常降低，在现有轮盘中成型性已经几乎耗尽。因此，在冷成型解决方案中的轻量结构的进一步潜力似乎是受限的。

除了所谓的冷成型之外，所谓的热成型另外也被应用于车辆/车身的构造中。通过采用热成型，可以在所得到部件的高强度的同时满足对高成型性的要求。通过结合预先的工件的热处理，例如在单独的炉中进行的成型方法在现有技术中是已知的。在此，特别是已知热成型和加压硬化。

但是在开头所述的制造轮盘的例子中，如在许多其它的、特别是在循环应力下的部件中所述的，完全的加压硬化不能实现，因为在工件的一些区域中除了高强度之外材料中足够的韧性也是必需的，即材料在失效之前在应力下塑性变形的特性，以便能够例如通过预紧车轮螺栓或者制成在轮毂上而操作可靠地传递较高的局部应力。因此期望的是，轮盘以应力相关的方式设计并因此在相应的范围(区域)中具有特定的特性或者在构件中具有不同的组织结构。为了实现这一点，在现有技术中存在用于所谓的部分加压硬化的方法，其中在硬化过程中不是所有的组织结构转化为马氏体。以下将简要描述已知的方法。

用于制造加压硬化部件的扁坯(板状工件)的热成型例如这样进行，即，将工件加热到奥氏体化温度以上的温度并随后立即在成型工具中实施成型，该成型工具在至少一个区域中配备有用于局部地调整较软的组织结构的加热装置，其中，所述扁坯(板状工件)由较强和最强的钢组成。

局部的调整较软的组织结构称为局部加压硬化。局部加压硬化基于这样的原理，即，预先已加热到奥氏体化温度以上的温度的工件在成型工具中除了一个或多个单独区域之外强烈冷却，特别是使用以成型工具的凹模和冲头中的冷却通道的形式的冷却装置。在这些位置上组织结构通过快速的冷却完全转化为马氏体并由此被完全地加压硬化。在工件的其余区域中，通过加热装置可以实现组织结构的明显更慢的冷却，由此使这些区域中的组织结构不能完全转化为马氏体，即未完全地加压硬化。例如DE 10 2006 019 395A1中已知一种相应的用于热成型的方法和一种相应的成型工具。

然而在上述现有技术中不利的是，必须设置至少一个加热装置，其引起了运行开支并且可能通过持续的热加载对工具组件(冲头和凹模)的使用寿命产生负面影响。

此外，DE 10 2010 027 554A1中另外还已知一种用于部分加压硬化工件的方法和相应的成型工具，其基于这样的原理，即，在冲头和凹模挤压在一起之后立即使可移动的冲头部分和与之相对的凹模部分再次彼此分离地移动，由此为了冷却过程而使已成型工件的相应区域不接触工具组件(凹模、冲头)，而是暴露于周围空气。以这种方式使已成型的工件在该位置处在两侧由空气缓慢地冷却，而相反地，与处于挤压状态下的工具组件继续接触的相邻部分通过以凹模和冲头中的冷却通道形式的冷却装置快速冷却。在此，快速冷却也导致组织结构完全地转化为马氏体。工件的缓慢冷却的区域在此不完全地转化为马氏体。

然而，这种现有技术的缺点是成型工具具有相对复杂的结构，因为成型工具由许多可移动的部分组成，这些部分还额外地具有冷却通道。

发明内容

本发明的目的在于说明一种用于工件热成型的方法和成型工具，由此在较轻的重量和降低的制造成本的条件下实现了高的疲劳强度。

在一种用于由钢板制成的工件、特别是扁坯的热成型和部分加压硬化的方法方面，该方法中，在成型之前加热工件(直到达到奥氏体化状态)，随后在具有以凹模和冲头形式的两个工具组件的成型工具中通过与这两个工具组件接触使已加热的工件热成型，并且随后使已成型的工件至少部分地直接暴露于围绕成型工具的气体、特别是空气、优选环境空气，并由此得到冷却，上述目的由此得以实现，即，在成型之后，这些工具组件中的一个工具组件的至少一个工具组件部分离开已成型工件朝向该工具组件的一侧，而已成型的工件远离该工具组件的一侧继续与各个另外的工具组件保持完全地接触。

“至少一个工具组件部分”是指，一方面，一个工具组件(例如冲头)的一个或多个工具组件部分远离已成型的工件移动，而该工具组件的其余的部分(工具组件部分)不移开，即，与已成型的工件保持接触。但是在另一方面还包括这种情况，即，整个工具组件(例如整个冲头)离开已成型的工件。但是在这两种情况下各个另外的工具组件(例如凹模)与已成型的工件保持接触，即，保持完全的接触，这意味着整个工件为了在一侧上冷却而完全地与各个另外的工具组件(例如凹模)保持接触。

以这种按照本发明的方式可以以降低的制造成本进行热成型和部分(但不完全)的加压硬化，由此在工件中产生区域特定的组织结构特性，其在较小的重量的情况下造成高的疲劳强度。在整个工件中按照本发明进行至少一侧的工具冷却，其中在局部也可以考虑两侧的工具冷却。在仅一侧的工具冷却的情况下整体地(即，在整个工件上)不进行完全的加压硬化或完全的马氏体形成。在仅区域性的单侧的工具冷却的情况下，在这些区段或这些区域中局部地不进行完全的加压硬化或完全的马氏体形成。

为了能够通过简单的装置对工件进行局部(部分)的加压硬化，本发明在一个设计方案中提出，成型工具具有冷却装置，并且在已成型工件的冷却过程中，已成型工件的至少一个第一区段与两个工具组件保持接触而且借助冷却装置冷却，而同时已成型工件的至少一个第二区段直接暴露于围绕成型工具的气体并由此比至少一个第一区段更慢地冷却。更慢地意味着已成型工件与周围气体(例如环境空气)之间的热传递小于在与冷却的工具组件接触的情况下的热传递。特别是为了区段式不同的冷却而设置为，一个工具组件的可移动的工具组件部分离开已成型工件的至少一个第二区段朝向该工具组件的一侧，而已成型工件的至少一个第二区段远离该工具组件的一侧继续与各个另外的工具组件保持接触。

具有可移动的工具组件部分(即，具有相对于其余工具组件能够移动的工具组件部分)的工具组件为冲头。在这种情况下，定义为各个另外的工具组件的工具组件是凹模。但原则上也可以考虑反过来的情况，即，凹模以多件式形成并具有一个可移动的工具组件部分，而相反在成型之后为了在相应的侧面上冷却而使冲头与工件保持接触。同样在这种情况下，两个工具组件都可以不形成为多件式，即，不具有以上定义的可移动的工具组件部分，特别是可以考虑，完全离开已成型工件朝向工具组件的一侧的工具组件是冲头，而另外的工具组件是凹模。当然在此也可以考虑反过来的情况，即，凹模是在成型之后远离工件的工具组件部分，而冲头是与工件保持接触的工具组件部分。

根据本发明的另一个设计设置为，已成型的工件或者至少一个第二区段在远离具有可移动的工具组件部分的工具组件(即与各个另外的工具组件接触)的一侧上不借助于冷却装置冷却。在成型之后至少一个第二区段在一侧上通过周围空气冷却的情况下，原则上也可以考虑，第二区段的另一侧不暴露于周围空气中，因为其与相应的工具组件部分(例如凹模)继续接触，仍借助冷却装置(工具冷却)而冷却。

根据另一个设计设置为，至少一个第一区段在两侧通过冷却装置冷却，即，既在朝向具有可移动的工具组件部分的工具组件一侧上又在远离该工具组件的一侧上。

根据另一个设计设置为，为了冷却至少一个第一区段，使液态的冷却介质(例如油、水、冰水、盐液)通过冷却通道导入凹模和/或冲头，该冷却通道形成所述冷却装置。相应地也可选地适用的情况是，在成型之后与工件的至少一个第二区段保持接触的工具组件应在与第二区段相邻的工具组件区段中具有冷却功能。优选该与工件的第二区段相邻的工具组件区段不具有冷却通道。

根据另一个设计设置为，工件在成型之前是一个钢板，该钢板的厚度为至少1.5mm、特别是至少2.0mm、优选至少2.5mm。这些板厚在底盘区域中例如在轮盘制造中用于轮毂。相对大的厚度是有利的，特别是因为引入的热量(例如在成型工具上游设置的炉中引入的热量)可以在厚板的情况下存储特别长的时间，从而单侧的工具接触可用于散热和回火(硬化)。由钢板制成的工件可以具有均匀的厚度并且以整体方式构造。也可以考虑由钢夹层材料构成的定制产品(定制的钢板半成品)制成的工件，例如定制的坯料、定制的条带、定制的轧制坯料或它们的组合。

根据另一个设计设置为，将工件成型成为用于汽车轮毂的轮盘，其中，轮盘的轮缘通过与围绕成型工具的气体直接接触(相对较慢地)冷却，而轮盘的所有的剩余部分借助冷却装置(相对较快地)冷却。轮缘意味着轮盘的该区域，其环绕地设置有用于车轮螺栓的钻孔。如上所述的，在此仅示例性地说明轮盘的制造。原则上也能够将按照本发明的方法应用于其他部件的制造。

根据另一个设计设置为，围绕成型工具的气体具有在20至30℃范围内的温度、特别是在22至26℃范围内的温度并且特别是空气。然而原则上也可以考虑，已成型工件暴露于具有更高温度的气体，只要保证与气体接触的工件的区段(区域)冷却缓慢，以使得组织结构不是完全地转化为马氏体。气体的较低温度也是可以考虑。此外可以设置为，在成型之前将工件加热到750℃至1000℃范围内的温度和/或在成型之后第一区段中以25至35K/s范围内的冷却速率冷却。

根据本发明的另一教导，在用于热成型由钢板制成的工件、特别是扁坯的成型工具方面，特别是用于实施根据上述限定的方法的成型工具，该成型工具具有以凹模和冲头形式的两个工具组件，在工具组件之间能够设置工件而且这些工具组件能够相对于彼此移动，本发明的目的另外由此得以实现，即，工具组件的其中一个具有相对于其余工具组件可移动的工具组件部分，该可移动的工具组件部分在两个工具组件的挤压状态下能够离开工具组件中的另一个。

具有相对于其余工具组件能够移动的工具组件部分的工具组件特别是冲头，其中，各个另外的工具组件是凹模。但如上所述原则上也可以考虑反过来的情况，即，凹模具有相对于其余凹模能够移动的部分。

当谈及可移动的工具组件部分时，不能排除存在多个这样的可移动的工具组件部分，这些工具组件部分可以彼此独立地或者以上述限定的方式共同地移动。可移动的工具组件部分也可以具有任意的形状。例如能够想到，该工具组件部分可以围绕中轴环状地形成，该中轴平行于具有可移动的工具组件部分的工具组件的移动方向延伸。该移动方向特别是冲头向凹模移动的方向(挤压方向)。可移动的工具组件部分的中轴在该方向上延伸。环状形成的可移动的工具组件部分特别适合于在制造上述轮盘的过程中通过冷却产生区域特定的组织结构特性，即，不完全的转变为马氏体，特别是在(用于车轮螺栓的钻孔的)轮缘区域中。

根据成型工具的另一个设计设置为，该成型工具另外还具有一个冷却装置，特别是一个由凹模和/或冲头中的冷却通道形成的冷却装置，其中，可移动的工具组件部分不与冷却装置连接并特别是不具有冷却通道。

最后，本发明的目的由一种通过上述限定的方法制成的工件、特别是用于车辆轮毂的轮盘得以实现。

具有高材料强度(例如具有大于800MPa的抗拉强度)或具有高的马氏体比例的钢材料可以在例如出现在孔、凹口或待加工边缘上的高过度应力的情况下特别地在循环应力下过早失效，使得高材料强度不能传递到部件上。出于该原因，通过根据本发明的方法或通过根据本发明的装置制造的工件或根据本发明的轮盘在高负载区域中(例如在汽车侧位于轮毂上的轮缘)未完全地加压硬化。在此，整个轮盘可能没有被完全加压硬化并因此整个部件的组织结构不能均匀地完全转化为马氏体或可能仅局部地未加压硬化，例如在轮缘中。由此显著地改善了整个结构的疲劳强度。

附图说明

现存在多种可能性来设计和扩展按照本发明的方法、按照本发明的成型工具以及按照本发明的工件。就此而言，一方面可以参照引用权利要求1的从属权利要求，另一方面可以参照结合附图的实施例的描述。附图中：

图1a)示出了在成型过程之前的成型工具，该成型工具具有放入在冲头和凹模之间的板状的工件，

图1b)示出了在成型之后的图1a)中的成型工具，

图1c)示出了在冷却过程中的图1a)中的成型工具，

图1d)示出了在取出完成成型的工件的过程中的图1a)中的成型工具。

具体实施方式

以下简要地通过附图1a)至d)借助用于汽车轮毂的待制轮盘的实施例说明一种用于热成型和部分地加压硬化工件1的方法，该工件由钢板制成。

图1a)示出了处于打开状态下的成型工具2，其具有以凹模3形式的第一工具组件3和以冲头4形式的第二工具组件4。凹模3在此是位置固定的而冲头4为了工件1的成型目的可以以其整体向凹模3移动，直到冲头4填满凹模3中的相应的形状或凹口。最后的状态在图1b)中示出，由此该加热直至奥氏体状态的工件1具有轮盘的形状。该状态也称为工具组件3和4的挤压状态。

在示出的实施例中，冲头4基本上形成为三件，即，具有：外部的环绕的工具组件部分4.2；设置在其中的、同样环绕的工具组件部分4.1，其形成为环形的；和进一步设置在其中的另一个工具组件部分4.3。该环形的工具组件部分4.1(也称为冲头部分)相对于其余的工具组件部分4.2，4.3，即，相对于其他冲头以可移动的方式安装并且能够不依赖于其他冲头反向于运动方向或挤压方向X运动，如图1c)中所示。

在图1c)中的方法步骤中，在工件1成型之后，环形的工具组件部分4.1离开工件1的朝向冲头4的表面1a，在此将周围空气压到工件1的表面1a上，但是仅仅在环形区段1.3中，该区段形成之后的轮缘或者具有用于车轮螺栓的孔的区域。相反地，冲头部分4.2和4.3首先并没有从挤压状态移开，而是这些工具组件部分保持与工件1的表面1a接触。整个凹模3也在该时间点上保持与整个工件1接触，即，与其底面1b接触。

之前在加热状态下按照图1a)和1b)成型的工件现根据图1c)如下地进行冷却。工件1的区段1.3在上侧不再与冲头4接触，因为冲头部分4.1在成型之后已直接返回。在区段1.3中通过表面1a向周围空气的热传递而进行相对较长时间的工件1的冷却。在底面1b上，工件1仍与凹模3接触并且此处将热量缓慢地传递到在此没有额外冷却的凹模3上。

已成型的工件1的其余区域1.1和1.2既在表面1a上也在底面1b上与凹模3和冲头4相接触，从而没有周围空气、至少没有不忽略的量的周围空气到达区段1.1和1.2上。在此，通过向凹模3和相应的冲头部分4.2和4.3上的热传递进行冷却，对于增加的热传递而言，该冷却还额外地通过形成冷却装置5的冷却通道5而进行。该冷却通道5例如通过油或冰水冲洗，由此相对较快地冷却工件1的区段1.1和1.2。

工件1的区段1.1和1.2的快速冷却促使组织结构完全转变为马氏体。相反地，工件1的环形区域1.3通过周围空气的冷却较慢，以使得在此不能使组织结构完全转变为马氏体。因此，该区域没有完全地加压硬化。

工具组件4.1在此例如作为冲头4的一部分示出。但是原则上也可以考虑，替换性地将凹模3形成有可移动的部分，但是其中，在这种情况下，冲头4在冷却的过程中在工件1的整个表面1a上贴靠在其上。该工件1在冷却过程中总是仅从一侧暴露于周围空气或其他的排热气体。

可移动的工具组件部分4.1在此仅例如围绕中轴M环形地形成。对于其他的应用情况而言，也可以考虑可移动的工具组件部分4.1的其他形状。此处例如仅示出了唯一的可移动的工具组件部分。但原则上也可以设置多个这样的工具组件部分，这些工具组件部分可以为了冷却而相对于其余的工具组件4离开工件1。在此也示例性地示出了两个冲头部分4.2和4.3，这两个冲头部分为了冷却的目的而与工件1保持接触。但原则上也可以考虑，冲头4没有任何一个部分(或恰好一个工具组件部分或大于两个工具组件部分)为了冷却而与已成型的工件1保持接触。

Claims (15)

1.一种用于由钢板制成的工件(1)、特别是扁坯的热成型的方法，其中，

-在成型之前加热所述工件(1)，

-随后在具有以凹模(3)和冲头(4)形式的两个工具组件(3，4)的成型工具(2)中通过与这两个工具组件(3，4)接触使已加热的工件(1)热成型，并且

-随后使已成型的工件(1)至少部分地直接暴露于围绕所述成型工具(2)的气体并由此得到冷却，

其特征在于，在成型之后，一个工具组件(4)的至少一个工具组件部分(4.1)离开已成型的工件(1)朝向所述工具组件(4)的一侧(1a)，而已成型的工件(1)的远离所述工具组件(4)的一侧(1b)继续与各个另外的工具组件(3)保持完全地接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成型工具(2)具有冷却装置(5)，并且在已成型的工件(1)的冷却过程中，已成型的工件(1)的至少一个第一区段(1.1,1.2)与两个工具组件(3,4)保持接触而且借助所述冷却装置(5)冷却，而同时已成型的工件(1)的至少一个第二区段(1.3)直接暴露于围绕所述成型工具(2)的气体并由此比至少一个第一区段(1.1,1.2)更慢地冷却。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，一个工具组件(4)的可移动的工具组件部分(4.1)离开已成型工件(1)的至少一个第二区段(1.3)的朝向所述工件组件(4)的一侧(1a)，而已成型工件(1)的至少一个第二区段(1.3)的远离所述工件组件(4)的一侧(1b)继续与各个另外的工具组件(3)保持接触。

4.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述工件组件(4)是冲头(4)而所述另外的工具组件(3)是凹模(3)，其中，至少一个工具组件部分(4.1)离开所述工件组件(4)或者所述工件组件(4)完全离开已成型工件(1)朝向所述工件组件(4)的一侧(1a)。

5.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，已成型的工件(1)或者至少一个第二区段(1.3)在远离具有可移动的工具组件部分(4.1)的工具组件(4)的一侧(1b)上不借助于冷却装置(5)冷却。

6.根据权利要求2至5中任意一项所述的方法，其特征在于，至少一个第一区段(1.1,1.2)在两侧通过冷却装置(5)冷却。

7.根据权利要求2至6中任意一项所述的方法，其特征在于，为了冷却至少一个第一区段(1.1,1.2)，使液态的冷却介质通过冷却通道(5)导入凹模(3)和/或冲头(4)，所述冷却通道(5)形成所述冷却装置(5)。

8.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述工件(1)在成型之前是一个钢板(1)，所述钢板的厚度为至少1.5mm、特别是至少2.0mm、优选至少2.5mm。

9.根据权利要求2至8中任意一项所述的方法，其特征在于，将所述工件(1)成型成为用于汽车轮毂的轮盘(1)，其中，所述轮盘(1)的轮缘(1.3)通过与围绕所述成型工具(2)的气体直接接触冷却，而所述轮盘(1)的所有的剩余部分(1.1,1.2)借助冷却装置(5)冷却。

10.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，围绕所述成型工具(2)的气体具有在20至30℃范围内的温度、特别是在22至26℃范围内的温度并且特别是空气。

11.一种用于由钢板制成的工件(1)、特别是扁坯的热成型的成型工具(2)，特别是用于实施根据上述权利要求中任意一项所述的方法的成型工具(2)，所述成型工具(2)具有以凹模(3)和冲头(4)形式的两个工具组件(3，4)，在所述工具组件之间能够设置所述工件(1)而且所述工具组件能够相对于彼此移动，其特征在于，所述工具组件(3，4)中的其中一个具有相对于其余工具组件(4.2,4.3)可移动的工具组件部分(4.1)，所述可移动的工具组件部分在两个工具组件(3，4)的挤压状态下能够离开所述工具组件(3，4)中的另一个。

12.根据权利要求11所述的成型工具(2)，其特征在于，具有所述可移动的工具组件部分(4.1)的工具组件(4)是所述冲头(4)，而另一个工具组件(3)是所述凹模(3)。

13.根据权利要求11或12所述的成型工具(2)，其特征在于，所述工具组件部分(4.1)围绕中轴(M)以环形的形式形成，所述中轴(M)平行于具有所述可移动的工具组件部分(4.1)的工具组件(4)的移动方向(X)。

14.根据权利要求11至13中任意一项所述的成型工具(2)，其特征在于，所述成型工具(2)另外还具有一个冷却装置(5)，特别是一个由凹模(3)和/或冲头(4)中的冷却通道(5)形成的冷却装置(5)，其中，所述可移动的工具组件部分(4.1)不与所述冷却装置(5)连接并特别是不具有冷却通道(5)。

15.一种通过根据权利要求1至10中任意一项所述的方法制成的工件(1)、特别是用于车辆轮毂的轮盘(1)。