DE102004038626B3

DE102004038626B3 - Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech

Info

Publication number: DE102004038626B3
Application number: DE102004038626A
Authority: DE
Inventors: Robert Vehof
Original assignee: Voestalpine Motion GmbH
Current assignee: Voestalpine Automotive Holding GmbH
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-08-10
Also published as: KR101011192B1; EP1786936B1; KR20070049657A; CA2575940C; EP1786936A2; US20090211669A1; ATE516373T1; CN101120105B; JP2008509284A; US8613819B2; CA2575940A1; WO2006015849A3; ZA200700110B; CN101120105A; WO2006015849A2; BRPI0513941B1; BRPI0513941A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech, umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: DOLLAR A a) Formen von Formteilen aus einem Stahlblech; wobei DOLLAR A b) vor, beim oder nach dem Formen des Formteils ein notwendiger Endbeschnitt des Formteils und gegebenenfalls erforderliche Ausstanzungen bzw. die Erzeugung eines Lochbildes vorgenommen wird, wobei DOLLAR A c) das Formteil anschließend zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur erhitzt wird, welche eine Austenitisierung des Stahlwerkstoffes ermöglicht, und DOLLAR A d) das Bauteil anschließend in ein Formhärtewerkzeug überführt wird und im Formhärtewerkzeug eine Formhärtung durchgeführt wird, bei der durch das zumindest teilbereichsweise Anlegen und Pressen des Bauteils durch die Formhärtewerkzeuge das Bauteil gekühlt und dadurch gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, DOLLAR A e) dass das Bauteil vom Formhärtewerkzeug im Bereich der positiven Radien gestützt wird teilbereichsweise zumindest und im Bereich der Beschnittkanten vorzugsfrei klemmend festgehalten wird, wobei in den Bereichen, in denen das Bauteil nicht geklemmt wird, das Bauteil zumindest zu einer Formwerkzeughäfte mit einem Spalt beabstandet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech, eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sowie gehärtete Bauteile aus Stahlblech die mit dem Verfahren und der Vorrichtung hergestellt werden.
Im Bereich des Automobilbaus besteht ein Bestreben das Fahrzeuggesamtgewicht abzusenken oder bei verbesserten Ausstattungen das Fahrzeuggesamtgewicht nicht ansteigen zu lassen. Dies kann nur realisiert werden, wenn das Gewicht bestimmter Fahrzeugkomponenten abgesenkt wird. Hierbei wird insbesondere versucht das Gewicht der Fahrzeugrohkarosserie deutlich gegenüber früher abzusenken. Gleichzeitig sind jedoch die Anforderungen an die Sicherheit, insbesondere die Personensicherheit im Kraftfahrzeug und an das Verhalten bei Verunfallung des Fahrzeuges gestiegen. Während für die Absenkung des Karosserierohgewichts die Anzahl der Teile verringert und insbesondere auch die Dicke reduziert wird, wird erwartet, dass die Rohkarosserie mit verringertem Gewicht bei einer Verunfallung eine erhöhte Festigkeit und Steifigkeit bei einem definierten Verformungsverhalten zeigt.
Der am meisten angewandte Rohstoff bei der Karosserieherstellung ist Stahl. Mit keinem anderen Werkstoff lassen sich in derart großen Bereichen kostengünstig Bauteile mit den unterschiedlichsten Werkstoffeigenschaften zur Verfügung stellen.
Aus den geänderten Anforderungen resultiert, dass bei hohen Festigkeiten, auch hohe Dehnungswerte und damit eine verbesserte Kaltumformbarkeit gewährleistet ist. Ferner ist der Bereich der darstellbaren Festigkeiten für Stähle erweitert worden.
Eine Perspektive insbesondere für Karosserien im Automobilbau sind dabei Bauteile aus Stahlfeinblech mit einer Festigkeit in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung in einem Bereich von 1000 bis zu 2000 MPa. Um derart hohe Festigkeiten im Bauteil zu erreichen, ist es bekannt, aus Blechen entsprechende Platinen zu schneiden, die Platinen auf eine Temperatur zu erwärmen die über der Austenitisierungstemperatur liegt und anschließend das Bauteil in einer Presse umzuformen, wobei während des Umformvorganges gleichzeitig ein rasches Abkühlen zum Härten des Werkstoffes durchgeführt wird.
Während des Glühens, um die Bleche zu austenitisieren, bildet sich an der Oberfläche eine Zunderschicht. Diese wird nach dem Umformen und Abkühlen entfernt. Dies geschieht üblicherweise mit Sandstrahlverfahren. Vor oder nach diesem Entzundern wird der Endbeschnitt und das Einfügen von Löchern durchgeführt. Werden der Endbeschnitt und das Einfügen der Löcher vor dem Sandstrahlen durchgeführt, ist von Nachteil, dass die Schnittkanten und Lochkanten in Mitleidenschaft gezogen werden. Unabhängig von der Reihenfolge der Bearbeitungsschritte nach dem Härten ist beim Entzundern durch Sandstrahlen und vergleichbaren Verfahren von Nachteil, dass hierdurch das Bauteil häufig verzogen wird. Nach den genannten Bearbeitungsschritten er folgt eine sogenannte Stückbeschichtung mit einer Korrosionsschutzschicht. Beispielsweise wird eine kathodisch wirksame Korrosionsschutzschicht aufgebracht.
Hierbei ist von Nachteil, dass die Nachbearbeitung des gehärteten Bauteils außerordentlich aufwendig ist und aufgrund der Härtung des Bauteils sehr hohem Verschleiß unterliegt. Ferner ist von Nachteil, dass die Stückbeschichtung üblicherweise einen Korrosionsschutz bewirkt, der nicht besonders stark ausgeprägt ist. Zudem sind die Schichtdicken nicht einheitlich, sondern schwanken über die Bauteilfläche.
In einer Abwandlung dieses Verfahrens ist es auch bekannt, ein Bauteil aus einer Blechplatine kalt umzuformen und anschließend auf die Austenitisierungstemperatur aufzuheizen und dann in einem Kalibrierwerkzeug schnell abzukühlen, wobei das Kalibrierwerkzeug dafür verantwortlich ist, dass das Bauteil, welches durch das Aufwärmen verzogen wird, bezüglich der umgeformten Bereiche kalibriert wird. Anschließend erfolgt die zuvor beschriebene Nachbearbeitung. Dieses Verfahren ermöglicht gegenüber dem zuvor beschriebenen Verfahren komplexere Geometrien, da sich beim gleichzeitigen Umformen und Härten im Wesentlichen nur lineare Formen erzeugen lassen, komplexe Formen jedoch bei derartigen Umformvorgängen nicht realisierbar sind.

Aus der GB 1 490 535 ist ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils bekannt, bei dem ein Blech aus härtbaren Stahl auf die Härtetemperatur erhitzt wird und anschließend in einer Formgebungseinrichtung angeordnet wird in der das Blech in die gewünschte Endform geformt wird, wobei während der Umformung simultan schnell abgekühlt wird, so dass eine martensitische oder bainitische Struktur erhalten wird während das Blech in der Formvorrichtung verbleibt. Als Ausgangsmaterial wird beispielsweise ein borlegierter Kohlen stoffstahl oder Kohlenstoffmanganstahl verwendet. Nach dieser Druckschrift ist die Umformung vorzugsweise eine Pressung kann aber auch mit anderen Verfahren angewendet werden. Die Umformung und das Abkühlen sollen vorzugsweise so ausgeführt werden und so schnell durchgeführt werden, dass eine feinkörnige martensitische oder bainitische Struktur erhalten wird.

Aus der EP 1 253 208 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechprofils aus einer Platine, die in einem Presswerkzeug zum Blechprofil warm umgeformt und gehärtet wird, bekannt. Am Blechprofil werden hierbei aus der Ebene der Platine vorstehende Referenzpunkte beziehungsweise Kragen erzeugt, die zur Lageorientierung des Blechprofils in nachfolgenden Fertigungsoperationen dienen. Die Kragen sollen beim Umformvorgang aus ungelochten Bereichen der Platine ausgeformt werden, wobei die Referenzpunkte in Form von randseitigen Verprägungen oder als Durchstellungen beziehungsweise Kragen im Blechprofil erzeugt werden. Das Warmumformen und Härten im Presswerkzeug soll aufgrund der durch die Kombination von Umform- und Vergütungsvorgang in einem Werkzeug rationellen Arbeitsweise generell Vorteile haben. Aufgrund der Einspannung des Blechprofils im Werkzeug und aufgrund von Wärmespannungen soll es jedoch zu nicht exakt vorhehrbestimmbaren Verzug am Bauteil kommen. Dieser kann sich nachteilig auf nachgeschaltete Fertigungsoperationen auswirken, weshalb die Referenzpunkte am Blechprofil geschaffen werden.

Aus der DE 197 23 655 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Stahlblechprodukten bekannt, wobei ein Stahlblechprodukt in einem Paar gekühlter Werkzeuge geformt wird, solange es heiß ist und in eine martensitische Struktur gehärtet wird, während es immer noch im Werkzeug befindlich ist, so dass die Werkzeuge als eine Fixierung während des Härtens dienen. In den Bereichen in denen nach dem Härten eine Bearbeitung stattfinden soll, soll der Stahl im Flussstahlbereich gehalten werden, wobei Einsätze in den Werkzeugen dazu verwendet werden, eine schnelle Abkühlung und dadurch eine martensitische Struktur in diesen Bereichen zu verhindern. Die gleiche Wirkung soll auch durch Ausnehmungen in den Werkzeugen erreicht werden können, so dass ein Spalt zwischen dem Stahlblech und den Werkzeugen auftritt. Bei diesem Verfahren ist von Nachteil, dass aufgrund des erheblichen Verzuges, der hierbei auftreten kann, das vorliegende Verfahren zum Presshärten von Bauteilen mit komplexerer Struktur untauglich ist.

Aus der DE 100 49 660 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen lokalverstärkter Blechumformteile bekannt, wobei das Basisblech des Strukturteils im Flachzustand mit dem Verstärkungsblech lagedefiniert verbunden und dieses sogenannte gepatchte Verbundblech anschließend gemeinsam umgeformt wird. Um das Herstellungsverfahren hinsichtlich Verfahrenserzeugnis und Ergebnis zu verbessern, sowie bezüglich der verfahrensübenden Mittel zu entlasten wird das gepatchte Verbundblech vor dem Umformen mindestens auf etwa 800 bis 850°C erwärmt, rasch eingelegt, im warmen Zustand zügig umgeformt und anschließend bei mechanischer Aufrechterhaltung des Umformzustandes durch Kontaktierung mit dem von innen her zwangsgekühlten Umformwerkzeug definiert abgekühlt. Insbesondere der insoweit maßgebende Temperaturbereich 800 bis 500°C soll mit einer definierten Abkühlgeschwindigkeit durchfahren werden. Der Schritt des Verbindens von Verstärkungsblech und Basisblech soll ohne weiteres in dem Umformprozess integriert werden können, wobei die Teile miteinander hartverlötet werden wodurch zugleich ein wirksamer Korrosionsschutz an der Kontaktzone erreicht werden kann. Bei diesem Verfahren ist von Nachteil, dass die Werkzeuge insbesondere durch die definierte Innenkühlung sehr aufwendig sind.

Aus der DE 2 003 306 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zum Pressen und Härten eines Stahlteils bekannt. Ziel ist es Stahlblechstücke in Form zu pressen und zu härten, wobei die Nachteile bekannter Verfahren vermieden werden sollen, insbesondere, dass Teile aus Stahlblech in aufeinanderfolgenden gesonderten Schritten zum Formpressen und Härten hergestellt werden. Insbesondere soll vermieden werden, dass die gehärteten oder abgeschreckten Erzeugnisse gegenüber der gewünschten Form einen Verzug zeigen, so dass zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich sind. Zur Verwirklichung ist es vorgesehen ein Stahlstück, nachdem das Stück auf eine seinen austenitischen Zustand herbeiführenden Temperatur erwärmt worden ist, zwischen einem Paar zusammenwirkender Formelemente zu legen, worauf das Stück gepresst und gleichzeitig schnell Wärme von dem Stück in die Formteile abgeleitet wird. Die Formteile werden während des gesamten Vorganges auf einer Kühltemperatur gehalten, so dass auf das Stück eine Abschreckwirkung unter einem Formdruck ausgeübt wird.

Aus der DE 101 20 063 C2 ist es bekannt, metallische Profilbauteile für Kraftfahrzeuge aus einem in Bandform bereitgestelltem Ausgangsmaterial einer Walzprofiliereinheit zuzuführen und zu einem Walzprofil umzuformen, wobei nach dem Austritt aus der Walzprofiliereinheit partielle Bereiche des Walzprofils induktiv auf eine zum Härten erforderliche Temperatur erwärmt und anschließend in einer Abkühleinheit abgeschreckt werden. Im Anschluss hieran sollen die Walzprofile zu den Profilbauteilen abgelängt werden.

Aus der US 6,564,604 B2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Teils mit sehr hohen mechanischen Eigenschaften bekannt, wobei das Teil durch das Stanzen eines Streifens aus einem gewalzten Stahlblech hergestellt werden soll und insbesondere ein warmgewalztes und beschichtetes Bauteil mit einer Metall- oder Me talllegierung beschichtet ist, welches die Oberfläche des Stahls schützen soll, wobei das Stahlblech geschnitten wird, um ein Stahlblechvorformling zu erhalten, der Stahlblechvorformling kalt oder warm umgeformt wird und entweder nach dem Warmumformen gekühlt und gehärtet wird oder nach dem Kaltumformen erhitzt und anschließend abgekühlt wird. Eine intermetallische Legierung soll auf die Oberfläche vor oder nach dem Umformen aufgebracht werden und einen Schutz gegen Korrosion und Stahlentkohlung bieten, wobei diese intermetallische Mischung zudem eine Schmierfunktion haben kann. Anschließend wird das überstehende Material von dem Formling abgenommen. Die Beschichtung soll hierbei allgemein auf der Basis von Zink oder Zink-Aluminium beruhen.

Aus der EP 1 013 785 A1 ist ein Herstellungsverfahren eines Bauteils aus einem gewalzten Stahlband und insbesondere einem warmgewalzten Band bekannt. Ziel soll es sein, gewalzte Stahlbleche von 0,2 bis 2,0 mm Dicke anbieten zu können, die unter anderem nach der Warmwalzung beschichtet werden und die einer Verformung entweder kalt oder warm, gefolgt von einer thermischen Behandlung unterworfen werden, wobei der Anstieg der Temperatur ohne Stahlentkohlung und ohne Oxidation der Oberfläche der vorgenannten Bleche vor, während und nach der Warmverformung oder der thermischen Behandlung gesichert werden soll. Hierzu soll das Blech mit einem Metall oder einer Metalllegierung, die den Schutz der Oberfläche des Bleches sichert, versehen werden, anschließend das Blech einer Temperaturerhöhung für die Umformung unterworfen werden, anschließend eine Umformung des Bleches durchgeführt werden und das Teil abschließend abgekühlt werden. Insbesondere soll das beschichtete Blech in heißem Zustand gepresst werden und das durch das Tiefziehen entstandene Teil abgekühlt werden um gehärtet zu werden und zwar mit einer Geschwindigkeit die höher ist als die kritische Härtungsgeschwindigkeit. Es wird ferner eine Stahllegierung angegeben, welche geeignet sein soll, wobei dieses Stahlblech bei 950°C austenitisiert werden soll, bevor es im Werkzeug verformt und gehärtet wird. Die aufgebrachte Beschichtung soll insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, wobei hierdurch nicht nur ein Oxidations- und Entkohlungsschutz, sondern auch eine Schmierwirkung resultieren soll. Bei diesem Verfahren kann es zwar im Gegensatz zu den anderen bekannten Verfahren vermieden werden, dass das Blechteil nach dem Aufheizen auf die Austenitisierungstemperatur verzundert, ein Kaltumformen wie dies in dieser Schrift dargestellt ist, ist jedoch mit feueraluminierten Blechen grundsätzlich nicht möglich, da die feueraluminierte Schicht eine zu geringe Duktilität für eine größere Verformung aufweist. Insbesondere Tiefziehprozesse komplexerer Formen sind mit derartigen Blechen im kalten Zustand nicht realisierbar. Mit einer derartigen Beschichtung sind Warmumformungen, dass heißt das Umformen und Härten in einem einzigen Werkzeug möglich, das Bauteil weist danach jedoch keinen kathodischen Schutz auf. Zu dem muss auch ein solches Bauteil nach dem Härten mechanisch oder mittels Laser bearbeitet werden, so dass der bereits beschriebene Nachteil eintritt, dass nachfolgende Bearbeitungsschritte durch die Härte des Materials sehr aufwendig sind. Darüber hinaus ist von Nachteil, dass alle Bereiche des Formteils, welche mittels Laser oder mechanisch geschnitten werden über keinerlei Korrosionsschutz mehr verfügen.

Aus der DE 102 54 695 B3 ist es bekannt, zur Herstellung eines metallischen Formbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils aus einem Halbzeug, aus einem ungehärteten warmformbaren Stahlblech, das Halbzeug zunächst durch ein Kaltumformverfahren, insbesondere durch Tiefziehen zu einem Bauteilrohling umzuformen. Anschließend soll der Bauteilrohling randseitig auf eine dem herzustellenden Bauteil näherungsweise entsprechende Berandungskontur beschnitten werden. Schließlich wird der beschnittene Bauteilrohling erwärmt und in einem Warmumformwerkzeug pressgehärtet. Das dabei erzeugte Bauteil weist bereits nach dem Warmumformen die gewünschte Berandungskontur auf, so dass eine abschließende Beschneidung des Bauteilrandes entfällt. Auf diese Weise sollen die Zykluszeiten bei der Herstellung gehärteter Bauteile aus Stahlblech erheblich gesenkt werden. Der verwendete Stahl soll ein lufthärtender Stahl sein, der ggf. unter einer Schutzgasatmosphäre aufgeheizt wird, um eine Verzunderung während des Aufheizens zu vermeiden. Anderenfalls wird eine Zunderschicht vor das Formbauteil nach dem Warmumformen des Formbauteils entzundert. In dieser Druckschrift wird erwähnt, dass im Rahmen des Kaltumformprozesses der Bauteilrohling endkonturennah ausgeformt wird, wobei unter "endkonturnah" verstanden werden soll, dass diejenigen Teile der Geometrie des fertigen Bauteils, welche mit einem makroskopischen Materialfluss einhergehen, nach Abschluss des Kaltumformprozesses vollständig in den Bauteilrohling eingeformt sind. Nach Abschluss des Kaltumformprozesses sollen somit zur Herstellung der dreidimensionalen Form des Bauteils nur noch geringe Formanpassungen notwendig sein, welche einen minimalen lokalen Materialfluss erfordern. Bei diesem Verfahren ist von Nachteil, dass nach wie vor ein Endformschritt der gesamten Kontur im warmen Zustand erfolgt, wobei zur Vermeidung von Verzunderung entweder der bekannte Weg gegangen werden muss, das unter Schutzgas geglüht werden muss oder die Teile entzundert werden müssen. Beiden Prozessen muss eine anschließende Korrosionsstückbeschichtung nachfolgen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass bei allen vorgenannten Verfahren sämtlichst von Nachteil ist, dass für das Erreichen eines optimalen Kühleffekts und zur Vermeidung von Verzug ein 100%iges Anliegen der Formteile an den Werkzeugen (ein sogenanntes 100%iges Touchierbild) angestrebt wird.

Ein solches Touchierbild erfordert ein langes, sehr arbeitsintensives Einarbeiten des Werkzeuges, bei dem mit Hilfe von aufgetragener Farbe festgestellt wird, welche Bereiche des Bauteils noch nicht vollflächig am Werkzeug anliegen. Entsprechend muss die Oberfläche andauernd korrigiert werden. Trotzdem ist allen bekannten Presshärteverfahren gemeinsam, dass es häufig und ohne dass es voraussagbar wäre, trotz sorgfältigster Einarbeitung zu Verzug und Schnittkantenversatz kommt, so dass Bauteile nach dem Ausformen insbesondere tordiert sind und die Schnittkanten versetzt sind. Wegen der großen Härte können derartige Teile nicht mehr nachbearbeitet und beispielsweise gerichtet werden. Die Nachbearbeitung bei den bekannten Verfahren beschränkt sich auf den Endbeschnitt mittels Laser.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech zu schaffen, welches die Einarbeitungszeit der Werkzeuge stark verkürzt, den Werkzeugverschleiß senkt und zuverlässig Bauteile mit hoher Maß- und Passgenauigkeit und ohne Verzug liefert, wobei eine Nachbearbeitung der Werkstücke entfallen kann.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es ist eine weitere Aufgabe eine Vorrichtung zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech zu schaffen, welche eine verringerte Einarbeitungszeit besitzt, weniger verschleißanfällig ist, schneller Instandzusetzen ist und zuverlässig Bauteile mit einer hohen Maß- und Passgenauigkeit und ohne Verzug liefert.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Hauptproblem beim Presshärten darin besteht, dass beim Einarbeiten der Werkzeuge mit vorgeformten und insbesondere tiefgezogenen Stahlblechen das Werkzeug auf diese Bleche eingearbeitet wird und mit diesen Blechen ein fast vollständiger flächiger Kontakt hergestellt wird. Bei den vorgeformten und insbesondere tiefgezogenen Stahlblechen mit den die Härtewerkzeuge eingearbeitet werden, handelt es sich jedoch auch um Stahlbleche, die mit neuen und ebenfalls in der Einarbeitung befindlichen Formwerkzeugen hergestellt werden. Durch Werkzeugverschleiß, sowohl des Tiefziehwerkzeuges als auch des Härtewerkzeuges einerseits und Dickentoleranzen der gelieferten Stahlbleche andererseits oder durch Unterschiede in der Dicke des Werkstoffs durch das kalte Umformen, dem sogenannte Materialauszug wird jedoch ein wirklich vollflächiges Anliegen der Formhälften am Werkstück praktisch nie erreicht. Dies bedeutet aber auch, dass das Werkstück an manchen Stellen mit sehr großer Kraft gepresst wird und an anderen Stellen fast gar nicht. Zwischen diesen beiden Extremen kann das Blech an unterschiedlichsten Stellen auch mit Kräften geklemmt werden, die zwischen der Maximalkraft und einer fast nicht vorhandenen Kraft liegen. Diese Stellen, an denen mit Maximalkraft, mit minimaler Kraft oder mit dazwischenliegenden Kräften geklemmt wird, sind nicht vorhersehbar. Sie befinden sich aber häufig auch im Flanschbereich.

Erfindungsgemäß konnte herausgefunden werden, dass das dazu führt, dass die unvermeidliche Schrumpfung des Bauteils in den Bereichen, in denen es stark geklemmt wird, verhindert wird und in den Bereichen in denen die Klemmung schwächer ist, mehr oder weniger eine Schrumpfung ohne Voraussage der Stärke stattfindet. Hierdurch werden unterschiedliche Material- bzw. Formteileigenschaften, insbesondere unterschiedliche Spannungszustände bzw. Schrumpfungen generiert. Diese führen zum Verzug und insbesondere zur Tordierung der Bauteile. Es konnte zudem herausgefunden werden, dass die Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit in nicht unerheblicher Weise dazu führt, dass diese Schrumpfung nicht linear stattfindet, was eine entsprechende Berücksichtigung weiter verkompliziert.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, die vorgeformten und insbesondere tiefgezogenen Bauteile auf die zum Härten notwendige Temperatur zu erhitzen und anschließend in eine Werkzeug zu überführen. Erfindungsgemäß wird von dem Weg des möglichst vollflächigen Klemmens bzw. Pressens abgegangen und gezielt teilflächig gepresst. Hierdurch kann in Bereichen in denen geklemmt wird mit einem sehr hohen Druck zuverlässig geklemmt und gehalten werden. Dies vorzugsweise jedoch mit einer lokal so hohen Pressung, dass ggf. Material, Unebenheiten oder lokale Übermaße verdrängt und quasi geschmiedet werden. Hierdurch arbeitet sich der Werkstoff leicht in die Oberfläche der Form ein, so dass die Reibung zwischen Form und Werkstück steigt. Das Material wird somit im gepressten Bereich auf eine einheitliche maximale Dicke eingestellt. Der insgesamt benötigte Pressdruck der Presse kann jedoch niedriger sein als bei vollflächigen Verfahren, so dass deutlich kostengünstigere Pressen verwendet werden können. Das Bauteil wird hierbei zumindest im Bereich der Schnittkanten klemmend gehalten. Schnittkanten im Sinne der Erfindung sind sowohl äußere Kanten als auch Löcher bzw. deren Kanten.

Zusätzlich kann das Bauteil auch über dessen Länge bzw. dessen Fläche gezielt geklemmt werden. Hierzu können sich Klemmbereiche linienartig oder gitternetzartig über die gesamte Fläche oder Teilflächen des Werkstücks erstrecken. Hierdurch kann das Bauteil in den gepressten Bereichen mit einem an ein möglichst gutes Crash-Verhalten angepassten Härtebereichen oder Härteverläufen ausgebildet werden. Beispielsweise kann entlang der Hauptspannungslinien gepresst werden und dort dadurch eine höhere Härte erzeugt werden. Ferner kann durch diese Pressung oder Klemmung eine Tordierung durch Verzug verhindert werden, insbesondere beim Ausformen des Werkstücks. Die nicht gepressten Bereiche die aufgrund einer ggf. geringeren Abkühlrate eine geringere Festigkeit besitzen, können eine Verformungsreserve des Bauteils bilden, so dass ein belastetes gehärtetes Bauteil nicht – wie sonst bei homogen gehärteten bzw. pressgehärteten Bauteilen üblich – bricht sondern sich noch gering verformt. Hierdurch wird verhindert, dass sich das Bauteil im Verunfallungsfall trennt.

In den Bereichen in den das Bauteil nicht gepresst wird liegt es entweder einseitig an einer Formenhälfte an und ist von der anderen Formenhälfte mit einem Luftspalt beabstandet oder ist von beiden Formenhälften mit einem Luftspalt beabstandet.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, in den Bereich in denen eine Pressung nicht stattfindet, dass Bauteil zumindest im Bereich der positiven Radien von Bereichen des Werkzeuges bzw. der Formenhälften zu stützen. In Bereichen von Sattelpunkten die einen engen Radius besitzen beispielsweise 0,5 bis 30 mm, wird das Werkstück vorteilhafterweise gepresst bzw. geklemmt. Sattelpunkte sind hierbei so definiert, dass im Bereich eines Sattelpunktes oder Sattelbereiches das Werkstück bezüglich zweier Raumachsen einen positiven Radius besitzt.

Dies bedeutet auch, dass das Werkstück im Bereich eines positiven Radius nur an einer Formhälfte anliegt, jedoch nicht an der gegenüberliegenden Formhälfte. Überraschender Weise konnte herausgefunden werden, dass mit einem derartiger Luftspalt, bei erfindungsgemäßer richtiger Einstellung die Kühlung und damit die Härtung positiv beeinflusst und insbesondere gesteuert werden kann. Erfindungsgemäß kann der Luftspalt aber auch so eingestellt werden, dass in vorausgewählten Bereichen das Bauteil weniger gehärtet wird als in anderen Bereichen. Dies kann z.B. dann sinnvoll sein, wenn in einem solchen Bauteil in bestimmten Zonen eine geringere Härtung und damit noch eine Verformbarkeit möglich sein soll. Ferner kann in den Fügebereichen ein sogenannter Härtesack durch eine geringere Härte des Ausgangsmaterials vermieden werden. Erfindungsgemäß werden der oder die Luftspalte mit einer Breite von mindestens 0,02 mm und vorzugsweise 0,1 bis 2,5 mm oder größer ausgebildet.

Erfindungsgemäß wird das Umformen der Bauteile sowie das Beschneiden und Lochen der Bauteile im Wesentlichen bzw. vollständig im ungehärteten Zustand durchgeführt. Die relativ gute Verformbarkeit des verwendeten Blechmaterials im ungehärteten Zustand lässt die Realisierung komplexer Bauteilgeometrien zu und ersetzt teures nachträgliches Beschneiden im gehärteten Zustand durch wesentlich preisgünstigere mechanische Schneidoperationen vor dem Härteprozess.

Die unvermeidlichen Dimensionsänderungen durch das Erhitzen des Bauteils werden bei dem Umformen des kalten Blechs bereits berücksichtigt, so dass das Bauteil circa 0,6 bis 1,0% kleiner und insbesondere 0,8% kleiner hergestellt wird, als es die Endabmessungen sind. Zumindest wird die erwartete Wärmedehnung bei der Umformung berücksichtigt. Das Bauteil ist jedoch bis auf die Verkleinerung vollständig endkonturgenau geformt und beschnitten.

Bei dem kalten Bearbeiten des Bauteils, das heißt dem Umformen, Schneiden und Lochen kann es nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ausreichend sein, nur die Bereiche mit hoher Komplexität und Umformtiefe und gegebenenfalls die eng tolerierten Bereiche des Bauteils wie insbesondere die Schnittkanten, die Formkanten, die Formflächen und gegebenenfalls das Lochbild, wie insbesondere die Referenzlöcher mit den gewünschten Endtoleranzen, insbesondere den Beschnitt- und Lagetoleranzen, des fertigen, gehärteten Bauteils zu fertigen, wobei hierbei die Wärmedehnung des Bauteils durch das Aufheizen berücksichtigt bzw. kompensiert wird.

Dies bedeutet, dass das Bauteil in der ersten Ausführungsform nach dem kalten Umformen ca. 0,8% kleiner ist als die Soll-Endabmessungen des fertigen, gehärteten Bauteils. Kleiner bedeutet hierbei, dass das Bauteil nach dem kalten Umformen in allen drei Raumachsen also dreidimensional fertiggeformt ist. Die Wärmedehnung wird somit für alle drei Raumachsen gleichermaßen berücksichtigt. Im Stand der Technik kann die Wärmedehnung durch beispielsweise das nicht vollständige Schließen der Form nicht für alle Raumachsen berücksichtigt werden, da hier nur in Z-Richtung, durch eine unvollständige Ausformung, eine Dehnung berücksichtigt werden könnte. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise die dreidimensionale Geometrie bzw. Kontur des Werkzeugs in allen drei Raumachsen kleiner gefertigt.

Zur Durchführung des Verfahrens wird das ungehärtete, verzinkte spezielle Feinblech zunächst in Platinen geschnitten.

Die verarbeiteten Platinen können, Rechteck-, Trapez- oder Formplatinen sein. Für das Schneiden der Platinen können alle bekannten Schneidprozesse angewandt werden. Vorzugsweise werden Scheidprozesse angewandt, die während des Schneidprozesses keine so hohe Wärme in das Blech einbringen, dass eine Härtung eintritt.

Aus den geschnittenen Platinen werden anschließend mittels Kalt-Umformwerkzeugen Formteile hergestellt. Diese Herstellung von Formteilen umfasst alle Verfahren und/oder Prozesse, die in der Lage sind, diese Formteile herzustellen. Beispielsweise sind folgende Verfahren und/oder Prozesse geeignet:
Folgeverbundwerkzeuge,
Einzelwerkzeuge in Verkettung,
Stufenfolgewerkzeuge,
Hydraulische Pressestraße,
Mechanische Pressestraße,
Explosionsumformen, elektromagnetisches Umformen, Rohr-
Hydroformen, Platinen-Hydroformen
und alle Kaltumformprozesse.

Nach dem Umformen und insbesondere dem Tiefziehen erfolgt der Endbeschnitt in den genannten herkömmlichen Werkzeugen.

Erfindungsgemäß wird das Formteil, welches im kalten Zustand geformt wurde um etwa 0,8 kleiner hergestellt als die nominale Geometrie des Endbauteils, so dass die Wärmedehnung beim Aufheizen hierdurch kompensiert wird.

Die durch die genannten Prozesse hergestellten Formteile sollen kalt umgeformt sein, wobei deren Dimensionen innerhalb des vom Kunden für das Fertigteil geforderten Toleranzfeldes liegen. Wenn bei der vorgenannten Kaltumformung größere Toleranzen auftreten, so können diese teilweise nachträglich, geringfügigst, während des Formhärteprozesses, auf den noch eingegangen wird, korrigiert werden. Die Toleranzkorrektur im Formhärteprozess wird jedoch vorzugsweise nur für Formabweichungen durchgeführt. Derartige Formabweichungen können somit nach Art eines Warmkalibrierens korrigiert werden. Der Korrekturprozess soll jedoch möglichst nur auf einen Biegevorgang beschränkt werden, wobei Schneidkanten, die von der Werkstoffmenge abhängig sind (in Relation zur Formkante) nachträglich nicht beeinflusst werden sollen und können, d.h., dass, wenn die Geometrie der Schneidkanten in den Teilen nicht korrekt ist, im Formhärtewerkzeug keine Korrektur durchgeführt werden kann. Zusammenfassend kann man somit feststellen, dass der Toleranzbereich bzgl. der Schneidkanten dem Toleranzbereich während des Kaltumformens und des Formhärteprozesses entspricht.

Nachdem das Bauteil vollständig geformt wurde wird das verformte und beschnitte Teil auf eine Glühtemperatur von über 780°C insbesondere 800°C bis 950°C erhitzt und einige Sekunden bis zu einigen Minuten auf dieser Temperatur gehalten, zumindest jedoch solange bis eine gewünschte Austenitisierung stattgefunden hat. Das Bauteil dehnt sich hierbei um 1% aus, so dass es nach dem Glühen und kurz vor dem Einlegen ein Übermaß von 0,2% besitzt.

Nach dem Glühprozess wird das Bauteil dem erfindungsgemäßen Formhärteschritt unterzogen.

Nachfolgend wird das Aufheizen und Formhärten beispielhaft näher erläutert.

Für die Durchführung des Formhärteprozesses wird insbesondere ein Teil zunächst von einem Roboter von einem Transportband abgenommen und in eine Markierstation eingelegt, damit jedes Teil nachvollziehbar vor dem Formhärten markiert werden kann. Anschließend legt der Roboter das Teil auf einen Zwischenträger, wobei der Zwischenträger über ein Transportband in einem Ofen läuft und das Teil erwärmt wird.

Für das Aufheizen wird beispielsweise ein Durchlaufofen mit Konvektionserwärmung verwendet. Jedoch sind auch jegliche andere Wärmeaggregate bzw. Öfen verwendbar, insbesondere auch Öfen, in denen die Formteile elektromagnetisch oder mit Mikro wellen aufgeheizt werden. Das Formteil durchläuft auf dem Träger den Ofen, wobei der Träger vorgesehen ist, damit die Korrosionsschutzbeschichtung beim Erwärmen nicht auf Rollen des Durchlaufofens übertragen oder von diesem abgerieben wird.

Im Ofen werden die Teile auf eine Temperatur erwärmt, die über der Austenitisierungstemperatur der verwendeten Legierung liegt.

Nach dem Erwärmen der Teile auf Maximaltemperatur muss, um eine vollständige Härtung zu erhalten, ab einer bestimmten Mindesttemperatur (>700°C) mit einer minimalen Abkühlgeschwindigkeit von >20K/s abgekühlt werden. Diese Abkühlgeschwindigkeit wird beim anschließenden Formhärten erreicht.

Hierfür nimmt ein Roboter das Teil, abhängig auch von der Dicke bei 780°C bis 950°C, insbesondere 860°C bis 900°C aus dem Ofen und legt es in das Formhärtewerkzeug ein. Während des Manipulierens bzw. Handlings verliert das Formteil ungefähr 10°C bis 80°C insbesondere 40°C, wobei der Roboter zum Einlegen vorzugsweise so ausgeführt ist, dass er mit hoher Geschwindigkeit das Teil maßgenau in das Formhärtewerkzeug einlegt. Das Formteil wird vom Roboter auf einem Teileheber abgelegt und anschließend die Presse rasch heruntergefahren, wobei der Teileheber verdrängt und das Teil fixiert wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Bauteil sauber positioniert und geführt wird, bis das Werkzeug geschlossen ist. Zu dem Zeitpunkt zu dem die Presse und somit das Formhärtewerkzeug geschlossen sind, hat das Teil noch eine Temperatur von mindestens 780°C. Die Oberfläche des Werkzeuges hat eine Temperatur von weniger als 50°C, wodurch das Teil rasch auf 80°C bis 200°C abgekühlt wird. Nach Abschluss der Austenit/Martensit-Umwandlung, d.h. unter 250°C kann das Bauteil bereits herausgenommen werden. Hierdurch kann im Gegensatz zum Stand der Technik Zeit gespart werden. Selbstverständlich kann das Teil auch bis zur weiteren Abkühlung im Werkzeug gehalten werden. Während des Härtens können die Luftspalte mit Gas und insbesondere Inertgasen gespült werden. Gegebenfalls können die Gase einen Kühleffekt bewirken.

Das Werkzeug wird hierbei an den Stellen an denen es am Werkstück anliegt durch Thermoschock belastet, wobei es das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, insbesondere wenn beim Formhärteschritt keine Umformschritte durchgeführt werden, das Werkzeug bzgl. seines Grundwerkstoffs auf eine hohe Thermoschockbeständigkeit auszulegen. Bei herkömmlichen Verfahren müssen die Werkzeuge zudem noch eine hohe Abrasionsbeständigkeit aufweisen, die jedoch im vorliegenden Fall keine wesentliche Rolle spielt und insofern das Werkzeug verbilligt.

Beim Einlegen des Formteils ist darauf zu achten, dass das beschnittene und gelochte Teil korrekt passend in das Formhärtewerkzeug eingelegt wird. Winkel können durch einfaches Biegen korrigiert werden, es kann jedoch kein überschüssiger Werkstoff eliminiert werden. Deshalb müssen am kaltumgeformten Teil die Schnittkanten in Relation zu den Formkanten maßgenau geschnitten sein. Die Beschneidkanten sollen beim Formhärten fixiert werden, um Versetzungen der Schnittkanten zu vermeiden.

Anschließend nimmt ein Roboter die Teile aus der Presse und legt diese auf einem Gestell ab, wo sie weiter abkühlen. Die Abkühlung kann, wenn dies gewünscht ist, durch zusätzliches Anblasen von Luft oder Eintauchen in Flüssigkeiten beschleunigt werden.

Durch die erfindungsgemäße Formhärtung ohne nennenswerte Umformschritte und bei einem Formschluss von Werkzeug und Werkstück nur im Bereich der Schnittkanten bei gleichzeitigem Unterstützen der positiven Radien des Formteils ist es gewährleistet, dass das Werkstück verzugsfrei gekühlt wird. Bei üblichen Umformprozessen erfolgt eine nachvollziehbare definierte Abkühlung erst dann, wenn der Umformprozess soweit gediehen ist, dass das Material an beiden Formhälften anliegt oder wenn das Material sofort allseitig formschlüssig an den Formhälften anliegt, dies führt zu Inhomogenitäten in der Festigkeit. Im vorliegenden Fall liegt das Formteil nur mit den Schnittkantenbereichen an den beiden Formhälften und mit den positiven Radien nur an eine Formhälfte an. Hierdurch wird die Schrumpfung im Bereich der Schnittkanten ausgeschaltet, während im Bereich des übrigen Bauteils eine Schrumpfung stattfindet, die dazu genutzt wird, dass das Bauteil sich an die Form anlegt und ggf. leicht nachgebogen wird. Hierdurch gelingt es sogar Formfehler vom Tiefziehen nachträglich zu korrigieren.

Der Beschnitt, der fertig tiefgezogenen Teile erfolgt üblicher Weise sequentiell. Bei der Erfindung können am Bauteil überstehende Laschen für das Auflegen des Bauteils auf die Teileheber vorgesehen sein. Diese Teile werden zumindest in dem Bereich, in dem sie an das eigentliche Bauteil angebunden sind, mitgehärtet. Durch eine speziellen erfindungsgemäßen Bewegungsablauf, insbesondere des Teilehebers nach dem Härten und vor dem Öffnen der Form, werden diese Laschen in einfacher Weise abgebrochen. Hierdurch kann eine hohe Handhabungssicherheit gewährleistet werden, andererseits müssen die Laschen nicht – wie im Stand der Technik üblich – nachträglich abgeschlagen werden.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert, es zeigen dabei:
1: ein Diagramm welches die Dilatometerkurve einer Probe eines härtbaren Stahlblechs zeigt;
2: die Kurve nach 1 mit Pfeilen zeigend das Aufheizen und Abkühlen;
3: einen Ausschnitt der Kurve nach 2;
4: die Fließkurven eines härtbaren Stahlblechs bei unterschiedlichen Temperaturen;
5: stark schematisiert einen erfindungsgemäßen Werkzeugsatz mit einem zu härtenden Stahlblech;
6: stark schematisiert Werkzeugschieber für einen Werkzeugsatz nach 5;
7: eine Einrichtung zum Abbrechen von Handlingslaschen an einem bearbeiteten Blech;
8: eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung nach 7;
9: ein Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;
10-14: der erfindungsgemäße Verfahrensablauf anhand eines Automobilteils;
15: stark schematisiert der erfindungsgemäße Verfahrensablauf bezüglich der Größenänderungen und der zu behandelnden Bauteile;
16: einen Verfahrensstammbaum des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Erfindungsgemäß wird ein zu härtendes Bauteil im kalten Zustand umgeformt und geschnitten. Im kalten Zustand, d. h. vor dem Härten besitzt das Bauteil eine an üblichen Stahlblech immanente Härte. In diesem Zustand lässt sich das Blech verhältnismäßig gut schneiden und auch umformen und insbesondere tiefziehen (10). Das Bauteil wird in alle drei Raumachsen etwa 0,8 % kleiner geformt als es die Endgeometrie sein soll. Um das Bauteil anschließend zu Härten wird das Bauteil auf die Austenitisierungstemperatur und insbesondere beispielsweise über 900°C erwärmt. Die Erwärmung des Bauteils erfolgt dabei so, dass die Längenänderung des Materials die durch die Gefügeänderung die durch das Austenitisieren stattfindet abgeschlossen ist (1). In 1 erkennt man, dass bei Probebauteilen bei etwa 750°C die zunächst lineare Wärmedehnung mit steigender Temperatur bis etwa 820°C rückläufig verläuft bevor sie dann weiter ansteigt. Diese Unregelmäßigkeit in der linearen Dehnung sollte vor dem Einlegen des Werkstücks in das Werkzeug abgeschlossen sein.
Im Werkzeug wird das Bauteil (5, 6) zumindest im Bereich der Schnittkanten (Ränder), geklemmt. Das Bauteil versucht nun aufgrund der Abkühlung zu schrumpfen, wobei die positiven Radien (10) unterstützt werden, wodurch sich das Bauteil in den entsprechenden Bereichen an die Formwerkzeuge anlegt. Durch die Schrumpfung nimmt das Bauteil diese Form dann an, wobei hier auch Ungenauigkeiten beim Formgeben des kalten, weichen Bauteils korrigiert werden. Das Bauteil wird zumindest solange in der Form belassen, bis die Austenit-Martensit-Umwandlung (2, 3) abgeschlossen ist. Dies ist insbesondere bei etwa 250°C der Fall. Anschließend findet eine lineare Schrumpfung statt. Wird das Bauteil bei etwa 250°C aus der Form entnommen kann es frei noch etwa um 0,2 % schrumpfen. Wird das Bauteil in der Form belassen, springt das Bauteil beim Ausformen um etwa 0,2 % zurück, welches jedoch in der anfänglichen Formgebung berücksichtigt wurde.
In der Praxis (11 bis 14) verläuft die Fertigung derart, dass zunächst sogenannte Formplatinen aus einem Blech geschnitten werden. Die Formplatinen werden anschließend geformt und insbesondere tiefgezogen (12) und anschließend der Abfall weggeschnitten. Üblicherweise findet das Schneiden sequentiell statt, so dass nicht auf ein Mal der gesamte Abfall weggeschnitten wird, sondern in zwei bis drei Stufen, da sich ansonsten der Verschnitt nicht gut aus der Form entfernen lässt. Zudem werden (14) Laschen am Teil belassen um das Teil auf sogenannten Teilehebern ablegen zu können und mit diesen Laschen auch aus der Form entfernen zu können. Erfindungsgemäß findet bei einfachen Bauteilen nur ein Schneidschritt, wobei bei diesem einem Schneidschnitt die Laschen stehen gelassen werden die später zum Einlegen in die Form benötigt werden (13, 16) anschließend wird das Teil mit den Laschen in die Form eingelegt (7, 8), wobei in den Bereichen in den die Laschen in der Form eingelegt sind, Kerbungen erzeugen und anschließend die Laschen mit dem gesamten Werkstück gehärtet werden. Beim Ausformen des Bauteils werden die Laschen im Bereich der Kerbe durch Druckelemente abgebrochen, so dass nach dem Ausformen ein vollständig fertiggestelltes Bauteil vorliegt.
Nachfolgend wird ein Formwerkzeug für das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Das Formwerkzeug 1 (7, 8) besitzt beispielsweise eine Formwerkzeugoberhälfte 2 und eine Formwerkzeugunterhälfte 3. Das zu härtende Bauteil 4 ist im Beispiel vereinfacht im Querschnitt topf- bzw. hutförmig ausgebildet mit einer Bodenfläche 5, zwei Zargen 6, 7 und zwei Längsflanschbereichen 8, 9. Die Bodenfläche 5 geht mit zwei Rundungen 10, 11 in die Zargen 6, 7 über. Die Zargen 6, 7 gehen mit Rundungen 12, 13 in die Flansche 8, 9 über. Im Bereich der Rundungen 10, 11 bildet die Formoberhälfte 2 bezüglich des Formteils 4 positive Radien, im Bereich der Rundungen 12, 13 bildet die Formunterhälfte 3 positive Radien bezüglich des Werkstücks 4. Im Bereich der positiven Radien liegt das Werkstück 4 an den jeweiligen Formwerkzeughälften an. Diesen positiven Radien gegenüberliegend sind Luftspalten 14 vorhanden, welche bis in die Bodenfläche 5 bzw. in Zargen 6, 7 reichen. Im Bereich der Zargenmitte können sich die Luftspalten 14 überschneiden, so dass das Bauteil in Teilbereichen der Zarge, ggf. auch fast über die gesamte Zarge ohne Anlage an den Werkzeughälften befinden. Im Bereich der Schnittkanten 15 sind die Formwerkzeugoberhälfte oder die Formwerkzeugunterhälfte benachbart zu den Luftspalten 14 mit Vorsprüngen oder Aufmassen 16 so ausgebildet, dass die entsprechenden Bereich des Werkstücks 4 dort geklemmt werden.
Die Luftspalten 14 besitzen eine Breite die mindestens 0,02 mm und vorzugsweise 0,1 bis 2,5 mm oder größer beträgt.
Bei sehr einfachen Formen kann es im Extremfall ausreichen, eine Unterstützung der positiven Radien lediglich und ausschließlich im Bereich der Rundungen 10, 11, 12, 13 in Form von kreissegmentartigen Vorsprüngen vorzusehen und den Rest des Werkstücks nicht zu stützen sondern lediglich im Bereich der Schnittkanten 15 zu klemmen.
Um im Bereich der Zargen oder im Bereich von Wendepunkten oder Sattelpunkten mit engen Radien (ca. 0,5 – 30 mm) (6) eine zuverlässige Klemmung zu erzeugen ohne dass das Einlegen des Werkstücks in Form behindert wird, oder das Werkstück in bestimmten Bereichen zu früh an der Form anliegt, können ein oder mehrere Schieberwerkzeuge 17, 18 in einer der Formwerk zeughälften oder gegenüberliegend in beiden Formwerkzeughälften 2, 3 vorhanden sein, welche vorzugsweise beim Schließen der Form auf die gegenüberliegende Formwerkzeughälfte bzw. aufeinanderzugefahren werden und beispielsweise Löcher im Bereich der Zarge klemmen. Hierdurch wird gewährleistet, dass auch im Bereich der Zarge angeordnete Löcher zuverlässig während des Formhärtens und Schrumpfens gehalten werden.
Um das Werkstück auch über die Fläche bzw. Länge zu klemmen insbesondere mit linienartigen, rautenartigen bzw. gitternetzartigen Mustern, ist in der Form ein entsprechendes Muster in Form der entsprechenden Linien, Rauten oder Gitter als entsprechend linien-, rauten- oder gitterförmiges Aufmass vorhanden. Diese Linien bzw. diese Klemmstege werden dabei so aufeinander abgestimmt, dass eine zuverlässige Klemmung erfolgen kann. Hierbei kann es vorteilhaft sein, derartige Klemmstege nur auf einer Seite des Werkstücks, das heißt an einer Formhälfte vorzusehen und an der anderen Formhälfte ein vollflächiges Anliegen zu gewährleisten. Durch den hohen Pressdruck durch die Klemmleisten ist dies einfacher zu bewerkstelligen als bei einem angestrebten 100-% Touchierbild an beiden Formhälften. Es können sich jedoch auch bezüglich des Werkstücks gegenüberliegende Klemmstege verwendet werden. Die Klemmstege können entweder fest in Form angeordnet sein oder in Form von Einlegeelementen vorhanden sein. Erfindungsgemäß werden derartige Klemmstege insbesondere dort vorgesehen, wo das Werkstück sicher gehalten werden muss um insbesondere bei sehr großflächigen oder sehr langen Bauteilen eine Tordierung durch Wärmespannungen bzw. Abkühlspannungen und Verzug vermieden werden sollen. Die Klemmstege haben vorzugsweise eine Breite von 5 bis 20 mm
Vorteilhafterweise wird im Bereich von Sattelpunkten eine beidseitige vollflächige Klemmung dieser relativ kleinen Be reiche durchgeführt. Als Sattelpunkte werden Punkte bzw. Bereiche definiert, in denen zwei positive Radien von zwei Werkzeugraumachsen zusammenfallen, wobei die beiden positiven Radien jeweils einen relativ engen Radius von 0,5 bis 30 mm besitzen.
Im einfachsten Fall jedoch wird das Bauteil ausschließlich im Bereich der Schnittkanten gepresst und nur im Bereich der positiven Radien von der jeweiligen Formwerkzeughälfte gestützt und liegt an den übrigen Bereichen nicht an den Formwerkzeughälften an. Dort ist das Bauteil zumindest mit einem kleinen Luftspalt von den Formwerkzeughälften beabstandet, wobei die Breite des Luftspaltes je nach gewünschtem Kühleffekt eingestellt werden kann. Hierbei gilt, dass sehr kleine Luftspalte zum Beispiel von 0,02 bis 0,05 mm auf die Kühlung kaum einen Einfluss haben, während sehr große Luftspalte von beispielsweise 1,00 bis 2,5 mm und größer einen merklichen Einfluss auf die Kühlleistung und damit auf die Härte des Materials haben.
Um die bereits beschriebenen Laschen abzubrechen kann im Bereich der Längskante 15 an der Stelle an der eine Lasche 20 vorsteht ein Kerbwerkzeug 21 vorhanden sein (7, 8), wobei dieses Kerbwerkzeug 21 beispielsweise ein Vorsprung im Bereich der Form ist. Dem Kerbwerkzeug gegenüberliegend ist ein gefederter Niederhalter 22 vorhanden, wobei der gefederte Niederhalter 22 eine nach außen abwinkelnd verlaufende Auflagefläche 23 besitzt. Dem Niederhalter 22 ist (7) gegenüberliegend der Teileheber 24 angeordnet, wobei der Teileheber 24 ein Auflagevorsprung 25 besitzt auf dem die Lasche 20 aufliegt. Nach erfolgtem Härten kann mit dem Vorsprung 25 die Lasche 20 angehoben werden, so dass sie mit Unterstützung des Kerbwerkzeugs 21 im Bereich des Kerbwerkzeug 21 an der Längskante abgewinkelt angehoben wird, wobei der Niederhalter 22 in dem Moment an dem die Lasche 20 an der schrägen Fläche 23 an liegt entgegen der Kraft der Feder angehoben werden kann. Im Bereich des Kerbwerkzeugs 21 bricht die Lasche aufgrund der großen Härte und Sprödigkeit ab.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (8) ist der Teileheber 24 auf gleichen Seite des Werkstücks angeordnet wie der Niederhalter 22, wobei der Teileheber 24 ebenfalls federnd gelagert ist. Dem Teileheber 24 und dem Niederhalter 22 gegenüberliegend ist das Kerbwerkzeug 21 angeordnet. Dem Teileheber 24 bezüglich des Werkstücks gegenüberliegend ist an der gegenüberliegenden Formhälfte 2 ein auf den Teileheber 24 zu und von ihm wegbewegbares Abbrechwerkzeug 26 vorhanden, welches mit einem seitlichen Vorsprung 27 auf die Lasche aufsetzbar ist und die Lasche bezüglich des Kerbwerkzeugs 21 verbiegt und abbricht, wobei das Werkzeug 26 auf dem Teileheber 24 aufsetzt und der Teileheber mit seinem Vorsprung 25 und das Werkzeug mit seinem Vorsprung 27 die Lasche 20 zwischen sich begrenzen und bei einer weiteren Bewegung des Werkzeugs 26 der Teileheber gegen die Federkraft einer Feder 28 bewegt wird bis die Lasche 20 im Bereich des Kerbwerkzeugs 21 abbricht.
Der Prozess kann dabei so gesteuert werden, dass das Abbrechen bei der hierfür am günstigsten Temperatur erfolgt.
Durch diese Maßnahme lässt sich der gesamte apparative Aufwand stark verringern. So kann insbesondere ein Schneidschritt entfallen.
Das gesamte Verfahren (16, 17) kann wie folgt ablaufen 1. Platinen schneiden, 2. die Kaltumformung beispielsweise durch tiefziehen, anschließend ein mechanischer Schneidschritt, anschließend das Erwärmen, das Formhärten, anschließend ggf. eine Reinigung wie z. B. eine Ultraschallreinigung und anschließend das Lager. Da das Formhärten die Taktzeiten vorgibt und nur ein Schneidschritt vorhanden ist kann auch die Verwendung der bestehenden oft recht aufwendigen Pressen und Schneidstraßen mit vier bis fünf großen Pressen verzichtet werden und eine langsamere Presse verwendet werden die beispielsweise zur ebener Erde aufgestellt ist. Derartige Pressen haben nicht die hohen Taktraten bzw. Taktzeiten wie große Pressestrassen diese werden jedoch im vorstehenden Verfahren nicht benötigt. Die erzielbaren Pressdrücke sind ähnlich. Die Investitionen sind jedoch deutlich niedriger. Zudem kann eine. Anlage zum Durchführen des Verfahrens (16) modulartig ausgebildet sein. Das heißt entsprechend einer gewünschte Fertigung kann die Anlage umgestellt oder konfiguriert werden. Da Pressestraßen in der Regel mit sechs Pressen in Linie ausgerüstet sind, aber beim Formhärteprozesse eine geringere Anzahl Pressen benötigt werden, ist eine modulartige Ausbildung nur bedingt möglich. Zudem können die nicht benötigten Pressen nicht abgebaut werden.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass sich die Vorgänge bei einem erfindungsgemäßen Formhärten erheblich leichter simulieren lassen, da eine eigentliche Dehnung und Umformung nicht stattfindet sodass Dehnungsgrade nicht mitsimuliert werden müssen.
Darüber hinaus ist von Vorteil, dass es mit der Erfindung gelingt, ohne lange Einarbeitungszeiten und ohne die aufwendige Fertigung von Prototypen auch aus relativ ungenau tiefgezogenen oder im Umformen leicht verzogenen Bauteilen durch das Formhärten maßgenaue Bauteile ohne Verzug und ohne Tordierung mit definierter Härte zu erhalten. Ferner ist von Vorteil, dass für das erfindungsgemäße Verfahren relativ preisgünstige Pressenstraßen verwendet werden können. Hierdurch ist das Verfahren gegenüber bekannten Presshärteverfahren deutlich kostengünstiger.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden die klemmenden Elemente der Formwerkzeughälften aus federnd gelagerten Klemmeinsätzen oder Klemmleisten gebildet, welche beim Aufbringen des Klemmdrucks in die Formwerkzeuge gedrückt werden, so dass sich die Luftspalte von einer Ausgangsbreite reduzieren und ggf. verschwinden.

Claims

Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech, umfassend zumindest die folgenden Verfahrenschritte: a) Formen von Formteilen aus einem Stahlblech; wobei b) vor, beim oder nach dem Formen des Formteils ein notwendiger Endbeschnitt des Formteils und gegebenenfalls erforderliche Ausstanzungen und/oder die Erzeugung eines Lochbildes vorgenommen wird, wobei c) das Formteil anschließend zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur erhitzt wird, welche eine Austenitisierung des Stahlwerkstoffes ermöglicht, und d) das Bauteil anschließend in ein Formhärtewerkzeug überführt wird und im Formhärtewerkzeug eine Formhärtung durchgeführt wird, bei der durch das zumindest teilbereichsweise Anlegen und Pressen des Bauteils durch die Formhärtewerkzeuge das Bauteil gekühlt und dadurch gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, e) dass das Bauteil vom Formhärtewerkzeug im Bereich der positiven Radien gestützt wird und teilbereichsweise zumindest im Bereich der Beschnittkanten verzugsfrei klemmend festgehalten wird, wobei in den Bereichen in denen das Bauteil nicht geklemmt wird das Bauteil zumindest zu einer Formwerkzeughälfte mit einem Spalt beabstandet ist und f) die Form so eingestellt und bearbeitet wird, dass das Bauteil außerhalb der geklemmten Bereiche frei schrumpfen kann, wodurch sich das Bauteil zumindest im Bereich der positiven Radien eng an die Form anlegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zu dem in Sattelbereichen d.h. Bereichen, in denen zwei Raumachsen positive Radien bilden geklemmt wird wenn die Sattelbereiche relativ enge Radien bilden, insbesondere von 0,5 bis 30 mm.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zu dem über seine Fläche und/oder über seine Länge in bestimmten Bereichen geklemmt wird um eine höhere Abkühlrate und/oder den Abbau von Spannungen zu erzielen und/oder Verzug zu vermeiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zusätzlich zu den Beschnittkanten über Teile der Fläche oder über die gesamte Fläche mit einem punktartig verteilten Muster und/oder flächigen Muster wie einem Rauten- oder Gitternetzmuster mit entsprechenden Vorsprüngen der Formenhälften geklemmt verzugsfrei festgehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur über die Fläche verteilten Klemmung mit einem Muster ein entsprechendes linien- und/oder punkteartig verteiltes Muster als Übermaß und/oder als Einlegeklemmlinien bzw. Einlegeklemmleisten in den Formenhälften verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nur im Bereich der positiven Radien gestützt und in den Bereichen der Beschnittkanten verzugsfrei geklemmt wird und in den übrigen Bereichen die Formwerkzeughälften mit Spalten beabstandet vom Werkstück sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in allen drei Raumachsen um etwa 0,95 % – 0,4 % insbesondere 0,8 % kleiner ausgeformt wird, als es die Endgeometrie sein soll.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nachdem es im kalten Zustand ausgeformt wurde auf die Austenitisierungstemperatur insbesondere beispielsweise über 900°C erwärmt wird und solange auf dieser Temperatur gehalten wird bis eine gewünschte Austenitisierung erfolgt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Bauteils so erfolgt, dass die Längenänderung des Materials die durch die Gefügeänderung die durch das Austenitisieren stattfindet abgeschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Austenitisierung erzeugte nicht lineare Wärmedehnung abgeschlossen ist bevor das Werkzeugstück in das Formhärtewerkzeug eingelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Klemmen im Formwerkzeug schrumpft, wobei die positiven Radien unterstützt werden, wodurch sich das Bauteil in den entsprechenden Bereichen an die Formwerkzeuge anlegt, wobei das Bauteil durch die Schrumpfung die Form der positiven Radien annimmt, wobei Ungenauigkeiten bei der Formgebung im kalten Zustand korrigiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bzw. Werkstück zumindest solange in der Form belassen wird, bis die Austenit-Martensit-Umwandlung abgeschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil so aufgewärmt wird, dass es im erwärmten Zustand und insbesondere im geschlossenen Formhärtewerkzeug um etwa 0,1 % bis 0,4 %, insbesondere 0,2 % größer ist als es die Sollgeometrie ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst sogenannte Formplatinen aus einem Blech geschnitten werden und die Formplatinen und anschließend geformt und insbesondere tiefgezogen werden und anschließend der Abfall weggeschnitten wird, wobei der Abfall vorzugsweise in einer Schneidoperation geschnitten wird und am Bauteil Laschen belassen werden um das Teil auf Teilehebern der Formwerkzeughälften ablegen zu können, wobei die Laschen in der Form mitgehärtet werden, wobei im Bereich des Anbindungsbereichs der Lasche an das Werkstück Kerbungen erzeugt werden und vor dem Ausformen des Werkstücks die Laschen durch verbiegen abgebrochen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspalte (14) auf eine Breite von mindestens 0,02 mm und vorzugsweise von 0,1 bis 2,5 mm oder größer eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Härtens die Luftspalte mit Gas gespült werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück beim Ausformen aus dem Formhärtewerkzeug in die Endgeometrie uniform springt.
Formwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (1) zumindest eine Formwerkzeugoberhälfte (2) und eine Formwerkzeugunterhälfte (3) besitzt, wobei die Formwerkzeughälften im Bereich von Rundungen (10, 11, 12, 13) des Werkstücks positive Radien bilden, wobei den positiven Radien gegenüberliegend Luftspalten (14) vorhanden sind und in Bereichen in denen das Werkstück geklemmt wird, insbesondere der Schnittkanten (15) die Formwerkzeughälften (2, 3) benachbart zu den Luftspalten (14) mit Vorsprüngen oder Aufmassen (16) so ausgebildet sind, dass die entsprechenden Bereiche eines Werkstücks (4) dort verzugsfrei geklemmt werden.
Formwerkzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug zur Unterstützung der positiven Radien lediglich und ausschließlich im Bereich der Rundungen kreissegmentartige Vorsprünge besitzt und in den übrigen Bereichen des Werkstücks Luftspalte (14) vorhanden sind.
Formwerkzeug nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass um im Bereich der Zargen oder in Bereichen in denen eine Klemmrichtung nicht der Arbeitsrichtung der Presse entspricht eine zuverlässige Klemmung zu erzeugen ohne dass das Einlegen des Werkstücks in die Form behindert wird oder das Werkstück in bestimmten bereichen zu früh an der Form anliegt ein oder mehrere Schieberwerkzeuge (17, 18) in einer der Formwerkzeughälften (2, 3) oder gegenüberliegend in beiden Formwerkzeughälften (2, 3) vorhanden sind, welche vorzugsweise beim Schließen der Form auf die gegenüberliegende Formwerkzeughälfte (2, 3) oder aufeinander zugefahren werden und beispielsweise Löcher im Bereich der Zarge klemmen.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbrechen von an dem Werkstück vorhandenen Laschen im Bereich der Längskante (15) an Stellen an der eine Lasche (20) vorsteht ein Kerbwerkzeug (21) vorhanden ist, welches im Anbindungsbereich der Lasche an eine Beschnittkante des Werkstücks eine Kerbe einprägt.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kerbwerkzeug (21) gegenüberliegend ein gefederter Niederhalter (22) vorhanden ist, wobei dem Niederhalter (22) gegenüberliegend ein Teileheber (24) angeordnet ist, wobei der Teileheber (24) ein Auflagevorsprung (25) besitzt auf dem die Lasche (20) aufliegt.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Teileheber (24) und der Niederhalter (22) in dem Kerbwerkzeug (21) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei dem Teileheber (24) bezüglich des Werkstücks (4) gegenüberliegend an der gegenüberliegenden Formhälfte (2, 3) ein auf den Teileheber (24) zu und von ihm wegbewegbares Abrechwerkzeug (26) vorhanden ist, welches mit einem seitlichen Vorsprung (27) auf die Lasche aufsetzbar ausgebildet ist.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Luftspalte (14) eine Breite von > 0,02 mm besitzen.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Luftspalten (14) eine Breite von 0,1 bis 2,5 mm oder größer besitzen.
Gehärtetes Stahlbauteil hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 25.