DE10120063A1 - Verfahren zur Herstellung von metallischen Profilbauteilen für Kraftfahrzeuge - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von metallischen Profilbauteilen für KraftfahrzeugeInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Profilbauteilen (10) für Kraftfahrzeuge, bei welchem in Bandform bereitgestelltes Ausgangsmaterial (1) einer Walzprofiliereinheit (3) zugeführt und zu einem Walzprofil (5) umgeformt wird. Vor oder nach dem Durchlaufen der Walzprofiliereinheit (3) wird das Ausgangsmaterial (1) bzw. das Walzprofil (5) induktiv auf eine zum Härten erforderliche Temperatur erwärmt und anschließend durch eine Abkühleinheit (7) abgeschreckt und gehärtet. Über eine nachgeschaltete Kalibriereinheit (8) wird das Walzprofil (5) einer Ablängeinheit (9) zugeführt, die das Walzprofil (5) in separate Profilbauteile (10) ablängt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen
Profilbauteilen für Kraftfahrzeuge gemäß den Maßnahmen in den
Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.
Steigende Sicherheitsanforderungen von Kraftfahrzeugen fordern den
Einsatz von Hoch- und höchstfesten Stählen im Bereich von Struktur- und
Sicherheitsteilen im Automobilbau. Bei den Struktur- und Sicherheitsteilen
handelt es sich in der Regel um dünnwandige, aus Stahlblech gefertigte
längliche Profile, wie z. B. Seitenaufprallträger, Stoßfänger und
Säulenverstärkungen.
Neben hoch- und höchstfesten Kaltformstählen werden auch vergütbare
Stahlsorten verwendet. Vergütbare Stähle werden im ungehärteten Zustand
kalt umgeformt und erhalten erst in einem nachfolgenden Härtevorgang die
erforderliche Festigkeit. Im allgemeinen werden die oben genannten Struktur-
und Sicherheitsteile durch Abpressen von Platinen hergestellt. Nach dem in
der DE 197 43 802 A1 beanspruchten Verfahren zur Herstellung eines
metallischen Formbauteils für Kraftfahrzeugkomponenten, wie
Türaufprallträger oder Stoßfänger, werden partielle Bereiche einer Platine
induktiv auf eine Temperatur von 900°C erwärmt. Anschließend wird die
wärmebehandelte Platine in einem Pressenwerkzeug zum Formbauteil
umgeformt und im Pressenwerkzeug vergütet. Ziel ist die Herstellung eines
metallischen Formbauteils mit Bereichen einer gegenüber dem übrigen
Bauteil höheren Duktilität. Diese Vorgehensweise bringt jedoch relativ hohe
Werkzeugkosten mit sich, da die wärmebehandelte Platine in einem
Pressenwerkzeug sowohl zum Formbauteil umgeformt wird als auch die
Vergütung in dem Pressenwerkzeug stattfindet. Gleichzeitig sind der
Verarbeitungsgeschwindigkeit durch die Taktung des Verfahrens Grenzen
gesetzt.
Es ist weiterhin bekannt, längliche Profile mit im wesentlichen gleichen
Profilquerschnitten, wie z. B. Stoßfängerquerträger, durch Walzprofilieren
herzustellen.
Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Profilbauteilen für
Kraftfahrzeuge mit weitgehend gleichem Profilquerschnitt hinsichtlich der
Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern und damit die Effizienz zu
erhöhen.
Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht in den Maßnahmen im
Patentanspruch 1.
Bei dem beanspruchten Verfahren zur Herstellung von metallischen
Profilbauteilen für Kraftfahrzeuge wird in Bandform bereitgestelltes
Ausgangsmaterial einer Walzprofiliereinheit zugeführt und zu einem
Walzprofil umgeformt. Nach dem Austritt aus der Walzprofiliereinheit werden
partielle Bereiche des Walzprofils induktiv auf eine zum Härten erforderliche
Temperatur erwärmt und anschließend in einer Abkühleinheit abgeschreckt.
Im Anschluss daran werden die Walzprofile zu den Profilbauteilen abgelängt.
Der besondere Vorteile des Walzprofilierens ist in den niedrigen
Fertigungskosten aufgrund der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten und
der gegenüber einem Pressenwerkzeug geringeren Werkzeugkosten zu
sehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt als Ausgangsmaterial
vorteilhaft eine Stahllegierung in Frage, die in Gewichtsprozenten
ausgedrückt einen Kohlenstoffanteil C zwischen 0,18% bis 0,3%, einen
Siliziumanteil Si zwischen 0,1% bis 0,7%, einen Mangananteil Mn zwischen
1,0% bis 2,5%, einen Phosphoranteil P von maximal 0,025%, einen
Chromanteil Cr von 0,1% bis 0,8%, einen Molybdänanteil Mo zwischen 0,1
% bis 0,5%, einen Schwefelanteil S von maximal 0,01%, einen Titananteil Ti
zwischen 0,02% bis 0,05%, einen Boranteil B zwischen 0,002% bis 0,005
% und einen Aluminiumanteil A) zwischen 0,01% bis 0,06% aufweist, wobei
der Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen ist.
Die Stahllegierung kann ferner einen Niobanteil Nb zwischen 0,03% bis 0,05
% aufweisen, um eine interkristalline Korrosion zu verhüten und die
Warmfestigkeit zur steigern.
Ein solcher vergütbarer Stahl weist im ungehärteten Zustand eine
Zugfestigkeit von < = 600 N/mm2 und eine Dehnbarkeit von < = 20% auf.
Nach dem Härten können Zugfestigkeiten von < 1.500 N/mm2 von
Dehnungen von < = 6% erzielt werden. Ein Ausgangsmaterial mit einer
Dehnbarkeit von < = 20% lässt sich auch bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit
in der Walzprofiliereinheit zu dem gewünschten Walzprofil umformen.
Dadurch, dass bei diesem Ausgangsmaterial sehr hohe Materialfestigkeiten
erreichbar sind, ergibt sich ein erhebliches Gewichtsreduktionspotential für
die metalischen Profilbauteile, da mit der hohen Festigkeit die Möglichkeit
einher geht die Materialdicke walztechnisch in bestimmten Bereichen zu
reduzieren.
Nach der Erfindung ist es möglich, sowohl das gesamte Walzprofil zu härten
als auch nur partielle Bereiche. Durch eine lokal begrenzte induktive
Wärmebehandlung partieller Bereiche lässt sich zudem die Durchsatzrate
des Verfahrens erhöhen. Durch hohe Leistungsdichten insbesondere durch
hochfrequente induktive Wärmebehandlung sind sehr kurze Aufheizphasen
in den zu erwärmenden partiellen Bereichen aber auch des gesamten
Walzprofils möglich.
Die partiellen Bereiche können sich in Längsrichtung der Profilbauteile
erstrecken, d. h. die partiellen Bereiche sind langgestreckt, unter Umständen
auch über die gesamte Länge des Profilbauteils. Es ist aber auch möglich
kurze und breite Bereiche in Quererstreckung der Profilbauteile
wärmezubehandeln.
Eine zweite Lösung der Aufgabe besteht nach Anspruch 2 darin, bei dem
Verfahren zur Herstellung von metallischen Profilbauteilen zumindest
partielle Bereiche des Ausgangsmaterials vor dem Eintritt in die
Walzprofiliereinheit induktiv auf eine zum Härten erforderliche Temperatur zu
erwärmen. Das Ausgangsmaterial durchläuft dabei die Walzprofiliereinheit im
erwärmten Zustand, so dass eine Warmumformung zu einem Walzprofil
stattfindet. Das umgeformte Walzprofil passiert anschließend eine
Abkühleinheit, bevor das Walzprofil wiederum in einer Ablängeinheit zu den
Profilbauteilen abgelängt wird.
Der Vorteil bei dieser Variante ist, dass ein in Bandform bereitgestelltes
Ausgangsmaterial durch seine flache Geometrie gegenüber dem fertig
ausgeformten Walzprofil aufgrund des geometrisch einfacheren
Profilquerschnitts vorteilhafter induktiv erwärmbar ist. Es ergibt sich daraus
eine homogene Erwärmung des Ausgangsmaterials sowie ein geringerer
konstruktiver Aufwand für eine induktiv arbeitende Heizvorrichtung. Auch
muss die Heizvorrichtung nicht an unterschiedliche Walzprofilquerschnitte
angepasst werden. Ein weiterer Vorteil ist die verbesserte Umformbarkeit des
erwärmten Ausgangsmaterials beim Durchlaufen der Walzprofiliereinheit.
Anspruch 3 sieht eine Weiterbildung der Verfahren nach Anspruch 1 oder 2
vor, wobei zumindest partielle Bereiche des gehärteten Walzprofils vor dem
Ablängen auf eine Vergütungstemperatur erwärmt werden. Durch das
nachträgliche Vergüten zumindest partieller Bereiche des gehärteten
Walzprofils kann in diesen Bereichen die Duktilität gesteigert werden, so
dass ein Profilbauteil sowohl Bereiche höchster Festigkeit mit geringem
plastischen Verformungsvermögen aufweisen kann und gleichzeitig ein oder
mehrere partielle Bereiche mit demgegenüber geringerer Festigkeit jedoch
höhrerer Duktilität. Ein stufenloser Übergang zwischen Bereichen
verschiedener Festigkeiten ist mit der Erfindung realisierbar.
Nach Anspruch 4 ist vorgesehen, dass das gehärtete oder vergütete
Walzprofil vor dem Ablängen eine Härteverzug korrigierende Kalibriereinheit
durchläuft. Diese stellt bei eng tolerierten Maßen des Profilbauteils die
Einhaltung der Maßanforderungen sicher.
Der Härteverzug ist in einem gewissen Rahmen auch über die Ausgestaltung
der Abkühleinheit beeinflussbar, die für die für das Härten notwendige
beschleunigte Abkühlung des Walzprofils sorgt. Über die
Durchlaufgeschwindigkeit des Ausgangsmaterial bzw. des Walzprofils und
die Wahl des Abkühlmittels, wie z. B. Wasser, Öl-Wasser-Emulsion, Luft,
kann auf die Abkühlgeschwindigkeit und damit auf die erzielbare Härte des
Profilbauteils bzw. auf partielle Bereiche des Profilbauteils Einfluss
genommen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Weiterbildung gemäß Anspruch 5 wird das
Walzprofil im Anschluss an das Walzprofilieren kontinuierlich zu einem
geschlossenen Walzprofil verschweißt. Voraussetzung hierfür ist, dass das
Walzprofil durch das Walzprofilieren einen Profilquerschnitt erhält, der das
Verschweißen zu einem geschlossenen Walzprofil ermöglicht, d. h. dass die
Längskanten oder Längskantenbereiche des Ausgangsmaterials einander
zugewandt sind.
Schließlich wird noch eine vorteilhafte Ausführungsform in den Merkmalen
des Anspruchs 6 gesehen, wonach das Walzprofil während des
Walzprofilierens gebogen wird. Die Biegung des Walzprofils ist aufgrund der
nachfolgenden Verfahrensschritte natürlich nur begrenzt möglich.
Die wesentlichen Vorteile des hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung
von metallischen Profilbauteilen für Kraftfahrzeuge lassen sich wie folgt
zusammenfassen: Die Kopplung des Walzprofilierens und Härtens bzw.
Vergütens der Profilbauteile in einem kontinuierlichen Prozess erlaubt eine
sehr effiziente und ökonomische Herstellung von Struktur- und
Sicherheitsteilen im Automobilbau. Das Verfahren ermöglicht weiterhin eine
Variation der Festigkeitswerte der Profilbauteile in weiten Grenzen, wodurch
das Bauteilverhalten, z. B. im Crashfall, gezielt einstellbar ist. Schließlich
können durch die Wahl des eingesetzten Ausgangsmaterials in einem
kontinuierlichen Herstellungsverfahren Struktur- und Sicherheitsteile
hergestellt werden, die zumindest partiell sehr hohe Festigkeiten haben und
durch Reduzierung der Materialdicke eine Gewichtsersparnis des jeweiligen
Bauteils ermöglichen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Fertigungsfolge eines metallischen Profilbauteils;
Fig. 2 eine zweite Fertigungsfolge eines Profilbauteils;
Fig. 3 ein Formbauteil mit einem kurzen vergüteten Bereich und
Fig. 4 ein Formbauteil mit einem vergüteten Bereich in
Längserstreckung.
Fig. 1 zeigt eine Fertigungsfolge, bei welcher in Bandform bereitgestelltes
Ausgangsmaterial 1 von einem Coil 2 einer Walzprofiliereinheit 3 zugeführt
wird. In der Walzprofiliereinheit wird das Ausgangsmaterial 1 durch
entsprechend angeordnete Rollensätze 4 zu einem Walzprofil 5 mit im
wesentlichen U-förmigem Querschnitt umgeformt.
Das Walzprofil 5 wird anschließend einer induktiv arbeitenden
Heizvorrichtung 6 zugeführt, in welcher das Walzprofil 5 auf eine zum Härten
erforderliche Temperatur erwärmt wird, wobei die
Austenitisierungstemperatur einem Werstoff mit den zuvor in der
Beschreibung angegebenen Legierungselementen bei etwa 900°C liegt. Im
Anschluss an die Heizvorrichtung 6 wird das erwärmte Walzprofil 5 in einer
Abkühleinheit 7 unter Einsatz eines Abkühlmittels, wie z. B. Wasser, Öl-
Wasser-Emulsion, Luft beschleunigt abgekühlt und gehärtet.
An die Abkühleinheit 7 schließt sich eine Kalibriereinheit 8 an, die durch
Walzprofilieren Härteverzug des Walzprofils 5 ausgleicht.
Schließlich wird das zumindest partiell wärmebehandelte Walzprofil 5 einer
schematisch dargestellten Ablängeinheit 9 zugeführt, die das Walzprofil 5 in
einzelne Profilbauteile 10 ablängt.
Die Fertigungsfolge gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der
Fertigungsfolge nach Fig. 1 lediglich dadurch, dass die Heizvorrichtung 6
der Walzprofiliereinheit 3 vorgeschaltet ist und damit das Ausgangsmaterial 1
bereits vor Eintritt in die Walzprofiliereinheit 3 induktiv auf eine zum Härten
erforderliche Temperatur erwärmt wird. Die nachfolgenden
Verfahrensschritte Abkühlen, Kalibrieren und Ablängen schließen sich wie in
der Beschreibung zu Fig. 1 an.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Profilbauteile 10, 11 mit partiell
wärmebehandelten Bereichen 11, 12. Der Bereich 11 in Fig. 3 erstreckt sich
quer über die Breite des Profilbauteils und kann durch eine entsprechende
Wärmebehandlung gezielt gehärtet oder vergütet sein und von den
benachbarten Bereichen 11' abweichende Materialeigenschaften besitzen.
Gleiches gilt im Prinzip für das Profilbauteil 10' in Fig. 4 mit dem
Unterschied, dass sich die wärmebehandelten Bereiche 12' des Profilbauteils
10' in seiner Längsrichtung erstrecken und gegenüber den benachbarten
Bereichen 12 abweichende Materialeigenschaften besitzen.
1
Ausgangsmaterial
2
Coil
3
Walzprofiliereinheit
4
Rollensätze
5
Walzprofil
6
Heizvorrichtung
7
Abkühleinheit
8
Kalibriereinheit
9
Ablängeinheit
10
Profilbauteil
10
' Profilbauteil
11
Bereich von
10
11
' Bereich von
10
12
Bereich von
10
'
12
' Bereich von
10
'
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von metallischen Profilbauteilen (10, 10') für
Kraftfahrzeuge, bei welchem in Bandform bereitgestelltes
Ausgangsmaterial (1) einer Walzprofiliereinheit (3) zugeführt und zu
einem Walzprofil (5) umgeformt und anschließend in einer Ablängeinheit
(9) zu den Profilbauteilen (10, 10') abgelängt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest partielle Bereiche (11, 12) des
Walzprofils (5) nach dem Austritt aus der Walzprofiliereinheit (3) induktiv
auf eine zum Härten erforderliche Temperatur erwärmt und vor dem
Ablängen in einer Abkühleinheit (7) abgeschreckt werden.
2. Verfahren zur Herstellung von metallischen Profilbauteilen (10, 10') für
Kraftfahrzeuge, bei welchem in Bandform bereitgestelltes
Ausgangsmaterial (1) einer Walzprofiliereinheit (3) zugeführt und zu
einem Walzprofil (5) umgeformt und anschließend in einer Ablängeinheit
(9) zu den Profilbauteilen (10, 10') abgelängt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest partielle Bereiche (11, 12) des
Ausgangsmaterials (1) vor dem Eintritt in die Walzprofiliereinheit (3)
induktiv auf eine zum Härten erforderliche Temperatur erwärmt und vor
dem Ablängen des Walzprofils (5) in einer Abkühleinheit (7) abgeschreckt
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest partielle Bereiche (11, 12) des gehärteten Walzprofils (5)
vor dem Ablängen auf eine Vergütungstemperatur erwärmt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das gehärtete oder vergütete Walzprofil (5)
vor dem Ablängen eine Härteverzug korrigierende Kalibriereinheit (8)
durchläuft.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass das Walzprofil (5) im Anschluss an das
Walzprofilieren kontinuierlich zu einem geschlossenen Walzprofil
verschweißt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das Walzprofil während des
Walzprofilierens gebogen wird.
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