DE10006348C2 - Bauteil mit lokal begrenzten Versteifungsbereichen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus hochfestem Blech, das in einem lokal begrenzten Versteifungsbereich mit einer steifigkeitserhöhenden Verformungsstruktur versehen ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Viele Bauteile im Automobilbau, insbesondere Strukturbauteile, müssen hohe Anforderungen sowohl in bezug auf Festigkeit als auch in bezug auf Steifigkeit erfüllen. Gleichzeitig besteht großes Interesse daran, Leichtbaukonzepte im Fahrzeugbau zu verwirklichen und daher das Gewicht dieser Teile so weit wie irgend möglich zu reduzieren. Die gewünschte Festigkeit kann - bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion - erreicht werden, wenn als Ausgangsmaterial dünne Bleche aus hochfesten Stählen verwendet werden, welche eine vergleichbare Festigkeit aufweisen wie dickere Bleche aus herkömmlichen Stählen. Allerdings müssen diese dünneren Bleche zur Erreichung der geforderten Steifigkeit mit steifigkeitserhöhenden Strukturen wie z. B. Sicken und/oder Noppen versehen werden. Da im Regelfall nur in ausgewählten Bereichen der Bauteile eine hohe Steifigkeit gefordert ist, während in anderen Bereichen die Steifigkeit nur eine untergeordnete Rolle spielt, ist es vorteilhaft, diese steifigkeitserhöhenden Strukturen nur in solchen Bereichen der Bauteile vorzusehen, welche im Betrieb besonderen Belastungen in bezug auf Steifigkeit ausgesetzt sind.

Die lokale Steifigkeitserhöhung von Bauteilen aus Blech ist aus der gattungsbildenden DE 297 12 622 U1 bekannt. In dieser Schrift wird vorgeschlagen, die Blechplatinen vor der Ausformung der Bauteilgeometrien in ausgewählten Bereichen mit warzenförmigen Noppen zu versehen, welche mit Hilfe eines Prägeverfahrens in die Blechplatinen eingebracht werden. Da während der darauffolgenden Ausformung der Bauteilgeometrie - z. B. mit Hilfe eines Ziehverfahrens - die Noppenstruktur weitgehend verlorengeht, eignet sich diese Noppenversteifung vorwiegend für solche Bereiche, welche in dem folgenden Umformprozeß nicht oder nur unwesentlich umgeformt werden.

Die Herstellung eines lokal steifigkeitserhöhten Bauteils gemäß der DE 297 12 622 U1 besteht somit aus zwei Prozeßschritten - nämlich der Prägung der Blechplatine mit einer Noppenstruktur gefolgt von der Umformung der Blechplatine zur Erzeugung der Bauteilgeometrie - und ist somit verhältnismäßig aufwendig. Weiterhin besteht oft der Bedarf, gerade auch die Umformbereiche auf dem Bauteil mit steifigkeitserhöhenden Strukturen zu versehen, was mit dem in der DE 297 12 622 U1 vorgeschlagenen Verfahren nicht möglich ist. Schließlich besteht der Bedarf, eine größere lokale Steifigkeitserhöhung, insbesondere eine stärkere Erhöhung der Biegesteifigkeit zu erreichen, die mit den in der DE 297 12 622 U1 gezeigten Noppenstrukturen nicht erzielbar ist.

Aus der DE 196 34 244 ist ein Verfahren zur steifigkeitserhöhenden Strukturierung von Blechen bekannt, mit Hilfe dessen eine Blechplatine mehrstufig von beiden Seiten beulstrukturiert wird. Dabei entstehen periodische Muster großer Beulen, in deren Beulmulden sich von der Gegenseite her kleine Beulen bilden. Diese Oberflächenstruktur gewährleistet zwar eine sehr gute Druck- und Biegesteifigkeit, allerdings ist das zu ihrer Herstellung vorgeschlagene Beulverfahren nur auf sehr dünne Bleche anwendbar und eignet sich daher nicht zur Steifigkeitserhöhung von Strukturbauteilen, z. B. für den Fahrzeugbau. Weiterhin beschreibt die DE 196 34 244 ein Beulverfahren im Durchlaufverfahren, bei dem die gesamte Oberfläche eines Rohblechs mit Beulen versehen wird. Daher ist einerseits keine gezielte lokale Steifigkeitserhöhung des Rohblechs möglich, andererseits ginge in einem auf den Beulprozeß folgenden Umformprozeß die Beulstruktur und somit die erzielte Steifigkeitserhöhung weitgehend verloren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Bauteile aus Blech mit gezielt eingebrachten, räumlich begrenzten Versteifungsbereichen herzustellen, welche eine erhebliche Erhöhung der lokalen Steifigkeit gegenüber herkömmlichen, mit lokalen Versteifungsbereichen versehenen Bauteilen aufweisen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Erzielung einer solchen lokalen Steifigkeitserhöhung auf Bauteilen aus Blech vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmaie der Ansprüche 1 und 3 gelöst.

Danach wird die Oberfläche des Bauteils in ausgewählten Bereichen mit einer Versteifungsstruktur versehen, welche aus einem periodischen Gitter ineinandergeschachtelter konkaver und konvexer Beulen besteht. Eine solche Versteifungsstruktur gewährleistet eine erhebliche Steifigkeitserhöhung gegenüber den herkömmlich eingebrachten Noppen und Sicken. Dies betrifft sowohl die Biege- und Drucksteifigkeit als auch die Steifigkeit gegenüber Verwindungen. Weiterhin ermöglicht die regelmäßige periodische Gitterstruktur des Versteifungsmusters eine rechnerische Simulation der dabei erzielten Steifigkeiten und als Folge davon eine systematische Optimierung der Versteifungsstruktur für das jeweilige Bauteil. Die Versteifungsstruktur läßt sich mit Hilfe weniger Parameter (Beulenradien und -tiefen, Gitterkonstante der Versteifungsstruktur und Ausrichtung der Gitterrichtung gegenüber dem Bauteil) charakterisieren, so daß die für eine bestimmte lokale Steifigkeit benötigten Parameter im Vorfeld der Bauteilherstellung mittels einer Simulation ermittelt werden können. Weiterhin können die Beulentiefen innerhalb der Versteifungsstruktur örtlich variiert werden, wodurch innerhalb des Versteifungsbereiches gezielt lokale Variationen der Steifigkeiten erreicht werden können.

Eine besonders einfach zu simulierende Versteifungstruktur, die gleichzeitig in allen Raumrichtungen eine hohe Steifigkeit gewährleistet, ist ein Muster ineinandergeschachtelter Beulen auf einem hexagonalen Gitter (siehe Anspruch 2).

Die Versteifungsstruktur wird mit Hilfe eines Ziehverfahrens auf dem Bauteil erzeugt (siehe Anspruch 3): Beim Absenken des Pressenstempels im Zuge des Ziehverfahrens können ausreichend große Kräfte aufgebracht werden, um auch mehrere Millimeter dicke Bleche aus hochfestem Stahl prozeßsicher mit den oben beschriebenen komplexen Versteifungsstrukturen zu versehen. Somit läßt sich das Verfahren auf beliebige Bleche anwenden, solange die Bleche aus ziehfähigem Material bestehen.

Besonders günstig in bezug auf die Herstellkosten des Bauteils ist es, wenn die Ausformung der Bauteilgeometrie und das Einbringen der Versteifungsstruktur in einem einzigen Arbeitsgang erfolgt, der im wesentlichen einem Tiefzieh-Arbeitsgang entspricht (siehe Anspruch 4). Die Versteifungsstruktur, welche - je nach geforderter Steifigkeitserhöhung - zwischen 2 und 4 mm über die umgebenden Bauteilbereiche hinausragt, wird dabei im Enddruck der Tiefziehpresse in das Blechteil eingeformt. Durch die dabei auftretenden hohen Drücke erfolgt eine zusätzliche kristalline Veränderung der Blechstruktur, was zusätzlich zur Steifigkeitserhöhung des Blechteils beiträgt. Weiterhin ermöglicht dieses Einbringen der Versteifungsstruktur während des Ausformens der Bauteilgeometrie die lokale Versteifung beliebig gekrümmter Bauteilflächen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines Seitenblechs eines Längsträgers mit einer lokalen steifigkeitserhöhenden Verformungsstruktur,

Fig. 2 einen seitlichen Schnitt durch das Seitenblech gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine alternative Ausgestaltung der Verformungsstruktur,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Tiefziehwerkzeugs zur Herstellung eines Seitenblechs für den Längsträger der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Längsträgers 1 aus Stahlblech, der Teil eines Fahrzeugrahmens eines Transporters bildet. Der Längsträger 1 besteht aus mehreren mittels eines Tiefziehverfahrens hergestellten Einzelteilen 2 und umfaßt insbesondere ein Seitenblech 2', welches durch Schweißen mit weiteren (in Fig. 1 nicht dargestellten) Einzelteilen des Längsträgers 1 verbunden ist. Der Längsträger 1 muß sowohl in bezug auf Festigkeit als auch in bezug auf Steifigkeit gewisse Kriterien erfüllen, soll gleichzeitig aber im Interesse der Gewichtsminimierung eine möglichst geringe Blechdicke haben. Die Einzelteile 2, 2' bestehen daher aus einem hochfesten Stahl, der - auch bei dünnen Blechstärken - eine vergleichsweise hohe Festigkeit verbunden mit einem guten Umformvermögen aufweist. Die aufgrund der geringen Blechdicke entstehenden Steifigkeitseinbußen des Längsträgers 1 werden durch lokale steifigkeitserhöhende Verformungsstrukturen 3 kompensiert, welche mit Hilfe eines Tiefziehverfahrens in ausgewählte Bereiche der Einzelteile 2 eingeprägt sind.

Besonders hohe Steifigkeitsanforderungen werden an diejenigen Bereiche 4 auf den Einzelteilen 2 gestellt, welche im Betrieb, insbesondere bei einem Unfall, besonders hohen Stauch- und Torsionsbelastungen ausgesetzt sind. Im vorliegenden Beispiel des Längsträgers 1 betrifft dies insbesondere den Mittelbereich 5, in dem der Längsträger 1 S-förmig gestaltet ist und in dem ein Anbauteil 2" befestigt ist, das der Befestigung eines (in Fig. 1 nicht gezeigten) Querträgers dient. Wie in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet, liegt die Hauptbelastungsrichtung entlang der Längsachsen der Längsträgerbereiche 6, die an den Mittelbereich 5 angrenzen. Aufgrund der S- Struktur ist der Mittelbereich 5 unter solchen Belastungen besonders anfällig für seitliche Knickungen, welche unmittelbar eine Verschiebung bzw. Verwindung des Querträgers zur Folge haben.

Um das Auftreten seitlicher Knickungen im Mittelbereich 5 des Längsträgers 1 zu unterdrücken, wird das Seitenblech 2' im Mittelbereich 5 mit einer steifigkeitserhöhenden Verformungsstruktur 3 versehen. Die in diesem Anwendungsfall verwendete hexagonale Struktur 3' besteht aus einem hexagonalen Gitter konkaver Beulen 7, deren Beulmulden mit konvexen Gegenbeulen 8 versehen sind, so daß die Struktur 3', wie in Fig. 2 in einer Schnittansicht dargestellt, aus einem Gitter ineinandergeschachtelter konkaver und konvexer Beulen 7, 8 gebildet ist. Die Tiefe 9 der Beulen 7 und die Höhe 10 der Gegenbeulen 8 variieren über den Mittelbereich 5, so daß die Tiefe 9 der Beulen 7 und die Höhe 10 der Gegenbeulen 8 im Zentrum 11 des Mittelbereichs 5 größer sind als in den Randzonen 12 des Mittelbereichs 5. Dadurch wird im (für Verknickungen besonders empfänglichen) Zentrum 11 des Mittelbereichs 5 eine stärkere Steifigkeitserhöhung erreicht als in den (für Verknickungen nicht so empfänglichen) Randzonen 12, so daß das Seitenblech 2' im gesamten Mittelbereich 5 einer Verformungskraft, die von außen auf den Längsträger 1 einwirkt, einen ausgeglichenen Widerstand entgegensetzt. Die steifigkeitserhöhende Verformungsstruktur 3' ist so auf dem Seitenblech 2' ausgerichtet, daß die Richtung der höchsten Drucksteifigkeit näherungsweise senkrecht zu der (zu erwartenden) Knickrichtung 13 liegt.

Die lokale Steifigkeitserhöhung, die durch die hexagonale Struktur 3' in einem ausgewählten Bereich 4 bewirkt wird, hängt ab von der Tiefe 9 und dem Radius 14 der Beulen 7, der Höhe 10 und dem Radius 15 der Gegenbeulen 8 und von der Basislänge 16 des hexagonalen Gitters; weiterhin ist die lokale Steifigkeitserhöhung nicht isotrop, sondern hängt ab von der Orientierung des Gitters relativ zur Richtung der Krafteinleitung, welche im Beispiel des Längsträgers 1 in Fig. 1 durch die Pfeile gekennzeichnet ist. Um eine auf einen besonderen Anwendungsfall optimierte versteifende Verformungsstruktur 3 zu erhalten, müssen die oben genannten Parameter auf diesen Anwendungsfall abgestimmt werden. Hierzu wird eine Simulation des betreffenden Einzelteils 2 (bzw. des aus den Einzelteilen zusammengesetzten Bauteils) mit der versteifenden Struktur 3 durchgeführt, und die Parametereinstellung wird so lange variiert, bis die gewünschte Steifigkeit ausgewählter Bereiche 4 bzw. das gewünschte Knickverhalten des gesamten Bauteils erreicht ist.

Die versteifende Struktur 3 kann im Prinzip eine beliebige Gitterstruktur und -symmetrie aufweisen. Um jedoch eine schnelle und verläßliche Simulation der damit erreichten Bauteilsteifigkeit (und somit eine Optimierung des Bauteils unter Belastungen) zu ermöglichen, ist es günstig, ein Gitter zu wählen, das Translations- und Rotationssymmetrie aufweist und das sich durch einige wenige Parameter charakterisieren läßt. Neben dem in Fig. 1 und 2 gezeigten hexagonalen Gitter kommen hierfür insbesondere Vierecks- und Dreiecksstrukturen in Frage. Während bei der Verwendung hexagonaler Gitter kein Zusammenspiel größerer und kleinerer Gitterzellen möglich ist, können insbesondere rechteckigen Gitterstrukturen, wie in Fig. 3 gezeigt, Gitterzellen 17 unterschiedlicher Größe kombiniert werden, so daß in diesem Fall eine noch differenziertere Anpassung der lokalen Steifigkeit der betroffenen Bereiche möglich ist.

Die Einzelteile 2, deren Steifigkeit mit Hilfe von Verformungsstrukturen 3 gezielt lokal verstärkt werden sollen, sind oftmals Teile von Strukturbauteilen und weisen daher - je nach Funktion des Bauteils - Blechdicken bis zu einigen mm Stärke auf. Um solch dicke Bleche mit den in Fig. 1 gezeigten komplexen Verformungsstrukturen 3' zu versehen, muß ein Verfahren angewandt werden, das hohe Verformungskräfte auf das Blech ausübt. Hierzu ist es besonders günstig, die Verformungsstrukturen 3 als Teil eines Tiefziehprozesses einzubringen, während dessen die gesamte Bauteilgeometrie aus einem Rohblech 18 herausgeformt wird. Dann erfordert die Herstellung der Verformungsstrukturen 3 keinen separaten Prozeßschritt, sondern sie erfolgt als Teil der (einstufigen oder mehrstufigen) Umformung des Rohblechs 18.

Fig. 4 zeigt eine Prinzipskizze eines Tiefziehwerkzeugs 19 für die Herstellung des Seitenblechs 2' der Fig. 1. Das Tiefziehwerkzeug 19 umfaßt einen Stempel 20 und eine Matrize 21, die beide mit lokalen Oberflächenstrukturen 22, 23 versehen sind, welche der auf dem Rohblech 18 auszuformenden Verformungsstruktur 3' entsprechen. Beim Absenken des Stempels 20 werden zunächst durch Einwirkung der Kantenbereiche 24, 24' an Stempel 20 und Matrize 21 auf dem Rohblech 18 Flansche 25, 25' abgebogen, an welche in einem späteren Prozeßschritt Zusatzbleche an das Seitenteil 2' angeschweißt werden. Beim weiteren Absenken des Stempels 20 wird dann auch die Verformungsstruktur 3 auf dem Rohblech 18 erzeugt; dies geschieht im Enddruck des Tiefziehstempels 20. Durch eine geeignete Regelung der Druckkräfte der Niederhalter 26 während des Absenkens des Stempels 20 wird sichergestellt, daß während der Ausformung sowohl der Flansche 25, 25' als auch der Verformungsstruktur 3 genügend Material aus den Seitenbereichen 27 des Rohblechs 18 in die auszuformenden Innenbereiche 28 fließen kann und somit weder im Bereich der Flansche 25, 25' noch an den steifigkeitserhöhenden Verformungsstrukturen 3 Risse oder Faltungen des Rohblechs 18 auftreten.

Diejenigen Stempel- bzw. Matrizenbereiche 22, 23, welche die steifigkeitserhöhende Verformungsstruktur 3 ausformen, werden fallweise - in Abhängigkeit von der Geometrie des auszuformenden Einzelteils 2 - während des Tiefziehprozesses höherem Verschleiß ausgesetzt als der Rest des Werkzeugs; daher ist es fallweise empfehlenswert, diese Bereiche 22, 23 des Stempels 20 bzw. der Matrize 21 durch Werkzeugeinsätze 29, 30 aus einem besonders harten bzw. widerstandsfähigen Material zu verstärken.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur lokalen Steifigkeitserhöhung plattenförmiger Werkstücke 1 unterschiedlicher Dicke anwendbar, die aus einem weiten Spektrum unterschiedlicher (verformbarer) Werkstoffe bestehen können. Die steifigkeitserhöhenden Strukturen 3 sind zur Verstärkung jeglicher Bereiche einsetzbar, die besonderen Druck- und/oder Torsionsbelastungen ausgesetzt sind. Weiterhin kann man mit Hilfe einer solchen lokalen Verformungsstruktur 3 gezielt Schwachstellen in dem Bauteil 1 vorsehen, an denen das Bauteil im Fall einer bestimmten Belastung knickt bzw. bricht. Neben der oben beschriebenen Verformungsstruktur 3 ineinandergeschachtelter konkaver Beulen 7 und konvexer Gegenbeulen 8 können die Gitterzellen 17 auch eine komplexere konvex-konkave Gestalt haben, wenn z. B. jede konkave Beule 7 in ihrem Inneren mit einer konvexen Gegenbeule 8 versehen ist, die ihrerseits in ihrem Zentrum wiederum einer konvexe Beule aufweist.

Claims (4)

1. Bauteil aus einem Blech mit hoher Festigkeit, das in einem definierten, lokal begrenzten Versteifungsbereich, welcher für die Formstabilität dieses Bauteils von besonderer Bedeutung ist, mit einer steifigkeitserhöhenden Verformungsstruktur versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsstruktur (3) aus einem periodischen Gitter aneinandergrenzender Zellen (17) besteht, wobei jede Gitterzelle (17) ineinandergeschachtelte konkave und konvexe Beulen (7, 8) enthält.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsstruktur (3) eine hexagonale Struktur hat.

3. Verfahren zur Erzeugung einer lokal begrenzten, steifigkeitserhöhenden Verformungsstruktur auf einem Bauteil, dessen Geometrie mittels eines Ziehverfahrens aus einer Blechplatine hoher Formstabilität ausgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungstruktur (3), bestehend aus einem periodischen Gitter ineinandergeschachtelter konkaver und konvexer Beulen (7, 8), mit Hilfe eines Ziehverfahrens auf dem Bauteil erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsstruktur (3) gemeinsam mit der Bauteilgeometrie in demselben Prozeßschritt ausgeformt wird.