DE102006015666B4 - Method for producing a metallic molded component by hot forming with a simultaneous trimming operation - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils (1), insbesondere eines Karosseriebauteils, aus einem Halbzeug (2) aus einem härtbaren warmumformbaren Stahlblech, wobei aus dem Halbzeug (2) mittels Warmumformen das Formbauteil (1) hergestellt wird und wobei das Halbzeug (2) oder das Formbauteil (1) beschnitten wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschneiden im selben Prozessschritt wie das Warmumformen erfolgt.Method for producing a metallic molded component (1), in particular a body component, from a semi-finished product (2) made of a hardenable, hot-formable steel sheet, wherein the molded component (1) is produced from the semi-finished product (2) by means of hot forming and wherein the semi-finished product (2) or the molded component (1) is trimmed, characterized in that the trimming takes place in the same process step as the hot forming.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils, aus einem Halbzeug aus einem härtbaren warmumformbaren Stahlblech nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der
Im Fahrzeug-Karosseriebau kommen verstärkt hochfeste und höchstfeste Stahlwerkstoffe zum Einsatz, welche -je nach Zusammensetzung und Wärmebehandlung - sehr hohe Festigkeiten aufweisen. Die Herstellung von Karosseriebauteilen aus solchen hochfesten Stahlblechen erfolgt vorzugsweise in einem Warmumformprozess, bei dem - wie beispielsweise in der
Zur Herstellung eines solchen Bauteils mit Hilfe der Warmumformung wird zunächst aus einem Coil eine Platine ausgeschnitten, die anschließend oberhalb der Gefügeumwandlungstemperatur des Stahlwerkstoffs, oberhalb derer das Werkstoffgefüge im austenitischen Zustand vorliegt, erwärmt, im erwärmten Zustand in ein Umformwerkzeug eingelegt und in die gewünschte Bauteilform umgeformt und unter mechanischer Fixierung des gewünschten Umformzustands abgekühlt wird, wobei eine Vergütung bzw. Härtung des Bauteils erfolgt.To produce such a component using hot forming, a blank is first cut out of a coil, which is then heated above the structural transformation temperature of the steel material, above which the material structure is in the austenitic state, inserted into a forming tool in the heated state and formed into the desired component shape and is cooled with mechanical fixation of the desired forming state, whereby the component is tempered or hardened.
Um ein auf diese Weise hergestelltes Bauteil maßhaltig zu schneiden, ist allerdings ein hoher apparativer Aufwand erforderlich: Insbesondere sind zum kalten Schneiden gehärteter Werkstoffe sehr hohe Schneidkräfte erforderlich, was zu einem schnellen Werkzeugverschleiß und hohen Instandhaltungskosten führt. Weiterhin ist das kalte Beschneiden solcher hochfester Bauteile problematisch, da beispielsweise die im kalten Zustand beschnittenen Bauteilkanten mehr oder weniger große Grate aufweisen, was aufgrund der hohen Kerbempfindlichkeit der hochfesten Werkstoffe zu einer schnellen Rissbildung im Bauteil führen kann.However, in order to cut a component manufactured in this way to true dimensions, a high level of equipment is required: in particular, very high cutting forces are required for cold cutting of hardened materials, which leads to rapid tool wear and high maintenance costs. Furthermore, cold trimming of such high-strength components is problematic because, for example, the component edges trimmed in the cold state have more or less large burrs, which can lead to rapid crack formation in the component due to the high notch sensitivity of the high-strength materials.
Zur Vermeidung dieser beim mechanischen Beschneiden der gehärteten Bauteile auftretenden Schwierigkeiten werden vielfach alternative Schneidverfahren eingesetzt, wie zum Beispiel das Laserschneiden oder das Wasserstrahlschneiden. Zwar kann mit Hilfe dieser Verfahren ein qualitativ hochwertiger Beschnitt der Bauteilkante erreicht werden, jedoch arbeiten diese Schneidverfahren vergleichsweise langsam, da die Zykluszeiten hier unmittelbar von der Länge der Schnittkante sowie von den einzuhaltenden Toleranzen abhängen. Der abschließende Beschneidungsprozess stellt somit einen Flaschenhals bei der Herstellung warmumgeformter Bauteile dar, der die Zahl der pro Zeiteinheit herzustellenden Bauteile begrenzt.To avoid these difficulties that arise when mechanically cutting the hardened components, alternative cutting methods are often used, such as laser cutting or water jet cutting. Although these methods can be used to achieve high-quality trimming of the component edge, these cutting methods work comparatively slowly because the cycle times depend directly on the length of the cutting edge and the tolerances that must be maintained. The final trimming process therefore represents a bottleneck in the production of hot-formed components, which limits the number of components that can be produced per unit of time.
Zur Vermeidung eines solchen abschließenden Beschneidungsprozesses wird in der gattungsbildenden
Bei Verwendung des in der
WO 2005 / 120 741 A2 zeigt eine Vorrichtung zum Schneiden von hochfestem Blech, wobei das Verfahren auf einem herkömmlichen Schervorgang beruht, bei dem ein Werkstück durch Einleiten ausreichend großer Schubspannungen zerteilt wird. Werden diesen Schubspannungen Zugspannungen überlagert, die die Einleitung der Werkstücktrennung begünstigen. Diese Zugspannung bzw. Zugkraftkomponente wirkt quer zu der gewünschten, zu erzeugenden Biegelinie. Die Zugspannungen werden durch eine Biegebeanspruchung des Werkstücks erzeugt. Die Biegebeanspruchung wird dabei derart gewählt, dass die entstehende Zugspannung an einer dem Schneidwerkzeug zugewandten Seite des Werkstücks liegt.WO 2005/120 741 A2 shows a device for cutting high-strength sheet metal, the method being based on a conventional shearing process in which a workpiece is divided by introducing sufficiently large shear stresses. If these shear stresses are superimposed on tensile stresses, which promote the initiation of workpiece separation. This tensile stress or tensile force component acts transversely to the desired bending line to be created. The tensile stresses are generated by bending stress on the workpiece. The bending stress is selected such that the resulting tensile stress lies on a side of the workpiece facing the cutting tool.
Durch die gleichzeitige Biegebeanspruchung und Scherbeanspruchung des zu trennenden Werkstücks wird die Ausbildung einer Trennebene in dem zu trennenden Werkstück wesentlich begünstigt. Es kommt zu einer drastischen Verminderung der Schnittkräfte und einer ebenso drastischen Verminderung des Werkzeugverschleißes bei gleichzeitiger Verbesserung der Schnittflächenqualität.Due to the simultaneous bending stress and shear stress on the work to be separated The formation of a parting plane in the workpiece to be separated is significantly promoted. There is a drastic reduction in cutting forces and an equally drastic reduction in tool wear while at the same time improving the quality of the cut surface.
Um das Herstellungsverfahren hinsichtlich Verfahrenserzeugnis und -ergebnis zu verbessern sowie bezüglich der verfahrensausübenden Mittel zu entlasten, wird das gepatchte Verbundblech vor dem gemeinsamen Umformen auf eine oberhalb der Umformtemperatur des Werkstoffs liegende Temperatur erwärmt, im Warmzustand bei mäßiger Werkzeugbeanspruchung in die gewünschte Form umgeformt und anschließend unter mechanischer Fixierung des gewünschten Umformzustandes in dem geschlossen gehaltenen Umformwerkzeug und/oder in einem anschließenden Fixier- und Beschneidewerkzeug definiert abgekühlt und dadurch gezielt wärmebehandelt.In order to improve the manufacturing process with regard to the process product and result as well as to relieve the burden on the means involved in the process, the patched composite sheet is heated to a temperature above the forming temperature of the material before the joint forming, is formed into the desired shape in the warm state with moderate tool stress and then under mechanical fixation of the desired forming state in the closed forming tool and / or in a subsequent fixing and trimming tool cooled in a defined manner and thereby specifically heat treated.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Formbauteilen aus warmumformbaren Blechen vorzuschlagen, bei dem die Werkzeugkosten für die Ausformung der dreidimensionalen Bauteilkontur reduziert sind und gleichzeitig eine auf die Warmumformung folgende, abschließende Beschneidung gehärteter Bereiche minimiert wird bzw. ganz entfällt. Weiterhin soll ein Werkzeug bereitgestellt werden, das sich zur Durchführung dieses Verfahrens eignet.The invention is based on the object of proposing a method for producing molded components from hot-formable sheets, in which the tool costs for forming the three-dimensional component contour are reduced and at the same time a final trimming of hardened areas following hot forming is minimized or eliminated entirely. Furthermore, a tool should be provided that is suitable for carrying out this method.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst.The object is achieved according to the invention by the features of
Danach erfolgt das Beschneiden des Formbauteils im selben Prozessschritt wie das Warmumformen. Ausgewählte Randbereiche des Bauteils werden prozessbegleitend zum Warmumformen bzw. unmittelbar anschließend an das Warmumformen abgeschnitten. Hierzu wird vorteilhafterweise ein Kombinationswerkzeug verwendet, in dem das Bauteil sowohl umgeformt und gezielt abgekühlt (pressgehärtet) als auch (zumindest bereichsweise) beschnitten wird.The molded component is then trimmed in the same process step as hot forming. Selected edge areas of the component are cut off during the hot forming process or immediately after the hot forming. For this purpose, a combination tool is advantageously used in which the component is both formed and selectively cooled (press-hardened) as well as trimmed (at least in areas).
Zur Herstellung des pressgehärteten, beschnittenen Bauteils wird ein entsprechend dimensioniertes, evtl. bereits vorgeformtes Halbzeug aus härtbarem warmumformbarem Stahlblech erwärmt und in das Kombinationswerkzeug eingelegt. In diesem Kombinationswerkzeug wird das Halbzeug im Warmzustand in die gewünschte dreidimensionale Form umgeformt und unter mechanischer Aufrechterhaltung des Umformungszustands definiert abgekühlt. Vorzugsweise folgt das Beschneiden der Bauteilränder im Kombinationswerkzeug unmittelbar anschließend an das Ausformen der dreidimensionalen Kontur. Dabei wird die noch aus der Warmumformung vorhandene Restwärme ausgenutzt: Der Beschnitt erfolgt zweckmäßigerweise bei einer Temperatur zwischen 400° C und 700° C. Bei diesen Temperaturen ist die Endfestigkeit bzw. die Endhärte des pressgehärteten Bauteils noch nicht erreicht, so dass das Beschneiden in einem noch weichen Zustand erfolgt. Dadurch kann die Beschneideoperation ohne hohen Werkzeugverschleiß mit Hilfe eines im Kombinationswerkzeug angeordneten konventionellen mechanischen Schneidwerkzeugs durchgeführt werden; ein nachträgliches Laser- oder Wasserstrahlbeschneiden des fertigen Bauteils entfällt.To produce the press-hardened, trimmed component, an appropriately sized, possibly already pre-formed semi-finished product made of hardenable, hot-formable steel sheet is heated and inserted into the combination tool. In this combination tool, the semi-finished product is formed into the desired three-dimensional shape while warm and cooled to a defined extent while mechanically maintaining the forming state. Preferably, the trimming of the component edges in the combination tool follows immediately after the three-dimensional contour has been formed. The residual heat from the hot forming is used: the trimming is expediently carried out at a temperature between 400° C and 700° C. At these temperatures, the final strength or final hardness of the press-hardened component has not yet been reached, so that the trimming takes place in one while still in a soft state. As a result, the trimming operation can be carried out without high tool wear using a conventional mechanical cutting tool arranged in the combination tool; There is no need for subsequent laser or water jet cutting of the finished component.
Das Kombinationswerkzeug umfasst ein Oberwerkzeug und eine federgelagerte Matrize, die bei geöffnetem Werkzeug in Schließrichtung über die randseitig angeordneten Schneidstempel hinausragt. Beim Absenken des Oberwerkzeugs auf ein in die Matrize eingelegtes, erhitztes Halbzeug wird zwischen Matrize und Oberwerkzeug die dreidimensionale Bauteilform ausgeformt; gleichzeitig bzw. unmittelbar anschließend wird das Bauteil mittels der Schneidstempel randseitig beschnitten, wenn die Matrize durch die Pressenkraft abgesenkt wird und seitlich überstehende Bauteilränder zwischen Matrizenrand und Schneidstempeln abgeschert werden.The combination tool includes an upper tool and a spring-loaded die, which protrudes beyond the cutting punches arranged on the edge in the closing direction when the tool is open. When the upper tool is lowered onto a heated semi-finished product placed in the die, the three-dimensional component shape is formed between the die and the upper tool; At the same time or immediately afterwards, the edge of the component is trimmed using the cutting punches when the die is lowered by the press force and laterally protruding component edges are sheared off between the die edge and the cutting punches.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the figures.
Dabei zeigen:
-
1 ein Verfahrensschema des Herstellungsprozesses eines pressgehärteten Bauteils: -
1a Zuschneiden eines Halbzeugs; -
1b Erhitzen, Warmumformung und Beschneiden der Ränder; -
2 eine schematische Darstellung eines Kombinationswerkzeug zum Warmumformen und Beschneiden: -
2a Einlegen des Halbzeugs in das geöffnete Kombinationswerkzeug; -
2b Umformung; -
2c Beschneiden.
-
1 a process diagram of the manufacturing process of a press-hardened component: -
1a Cutting a semi-finished product; -
1b Heating, hot forming and trimming the edges; -
2 a schematic representation of a combination tool for hot forming and trimming: -
2a Inserting the semi-finished product into the opened combination tool; -
2 B reshaping; -
2c Trimming.
In einem ersten Prozessschritt wird die Platine 2' - wie in
Die ausgeschnittenen Platinen 2' werden auf einem Stapel 7 abgelegt und werden in gestapelter Form einer Warmumformstation 8 zugeführt (siehe
Das erhitzte Halbzeug 2 wird mit Hilfe eines Manipulators 11 in ein Kombinationswerkzeug 12 eingelegt, in dem die dreidimensionale Gestalt des Formbauteils 1 erzeugt wird. Im Kombinationswerkzeug 12 wird das erhitzte Halbzeug 2 umgeformt und schnell abgekühlt, wobei ein feinkörniges martensitisches oder bainitisches Werkstoffgefüge eingestellt wird. Dieser Verfahrensschritt entspricht einer Härtung des Formbauteils 1 und ermöglicht eine gezielte Einstellung der Werkstofffestigkeit. Einzelheiten und verschiedenen Ausgestaltungen dieses Härtungsprozesses sind beispielsweise in der
Das Kombinationswerkzeug 12 umfasst ein Oberwerkzeug 13, das an einem Pressenstößel 14 einer Umformpresse 15 befestigt ist (siehe
Die Funktionsweise des Kombinationswerkzeugs 12 während des kombinierten Umformens, Presshärtens und Beschneidens ist in den
Das im Warmumformstation 8 erhitzte Halbzeug 2 wird in das geöffnete Kombinationswerkzeug 12 eingelegt. Da die Matrize 17 aufgrund der Druckkraft der Kraftelemente 18 gegenüber den Schneidstempeln 19, 19' angehoben ist, liegt das Halbzeug 2 dabei auf der Matrize 17 auf, ohne die Schneidwerkzeuge 20, 20' zu berühren. Beim Absenken des Pressenstößels 14 wird das Halbzeug 2 zwischen Oberwerkzeug 13 und Matrize 17 umgeformt. Aufgrund der dem Pressendruck entgegenwirkenden Druckkraft der Kraftelemente 18 verbleibt die Matrize 17 während des Umformvorgangs in der in
Im Kombinationswerkzeug 12 erfolgt somit in schneller zeitlicher Abfolge ein Umformen des erhitzten Halbzeugs 2 und ein Beschneiden des daraus geformten Formbauteils 1. Weiterhin erfolgt im Kombinationswerkzeug 12 eine Abkühlung des ausgeformten Formbauteils 1, wobei das Formbauteil 1 während dieser Abkühlzeit in dem gewünschten Umformzustand mechanisch fixiert wird. Um ein gezieltes Abkühlen des umgeformten Formbauteils 1 im Kombinationswerkzeug 12 zu ermöglichen, sind die Werkzeugteile mit (in den Figuren nicht dargestellten) Kühlkanälen versehen, die in einen Kühlkreislauf einbezogen sind. Bei der gezielten Abkühlung kann eine bauteilübergreifende Härtung des gesamten Formbauteils 1 erfolgen; alternativ können durch eine geeignete Gestaltung des Kombinationswerkzeugs 12 (z.B. isolierende Einsätze, Luftspalte etc.) ausgewählte Bereiche des Formbauteils 1 von der Härtung ausgespart werden und somit im „weichen“ Zustand verbleiben. Gleichzeitig bzw. zeitlich leicht versetzt zur Abkühlung des Formbauteils 1 erfolgt das oben beschriebene Beschneiden durch die Schneidwerkzeuge 20, 20'. bzw. Um den Verschleiß der Schneideinsätze 20, 20' zu minimieren, werden die Bauteilränder bzw. -aussparungen 24 zweckmäßigerweise zu einem Zeitpunkt beschnitten, in dem das Formbauteil1 noch „weich“ ist. Die Einstellung des Beschneidezeitpunkts relativ zum Umformungszeitpunkt erfolgt durch Einstellung des Versatzes 25 zwischen Matrize 17 und Schneidstempel 19, 19' bzw. durch die Absenkgeschwindigkeit des Pressenstößels 14. Um eine verschleißarme Beschneideoperation sicherzustellen, wird der Versatz 25 (in Abhängigkeit von der Absenkgeschwindigkeit des Pressenstößels, der Temperatur des eingelegten Halbzeugs 2, der Bauteilgestalt etc.) also auf ein solches Maß eingestellt, dass sich die den Schneidwerkzeugen 20, 20' benachbarten Bauteilränder 24 des Formbauteils 1 in einem „weichen“ bzw. einem „nicht vollständig durchgehärteten“ Zustand befinden, wenn sie auf die Schneidwerkzeuge 20, 20' treffen. Sollen unterschiedliche Bereiche des Formbauteils 1 in unterschiedlichen Phasen der Härtung beschnitten werden, so kann der Versatz 25 lokal variiert werden; ebenso kann durch eine lokale Variation des Versatzes 25 erreicht werden, dass ausgewählte Randbereiche bereits zu einem frühen Zeitpunkt beschnitten werden, zu dem andere Bereiche des Formbauteils 1 noch nicht vollständig ausgeformt sind.In the
Durch geeignete geometrische Gestaltung der Schneideinsätze 20, 20' kann der gesamte Bauteilrand 24 beschnitten werden. Alternativ können auch nur ausgewählte Bereiche des Bauteilrandes 24 beschnitten werden. Vorteilhafterweise werden im Kombinationswerkzeug 12 alle diejenigen Bereiche des Formbauteils 1 beschnitten, die sich nach Abschluss des kombinierten Warmumformens/Beschneidens/Abkühlens in einem gehärteten Gefügezustand befinden; dadurch wird sichergestellt, dass das Formbauteil 1 in diesen Bereichen keiner Endbeschneidung mit Hilfe eines Laser- oder Wasserstrahlwerkzeugs unterzogen zu werden braucht. Ungehärtete Bereiche des Formbauteils 1 können hingegen auch nach Entnahme des Formbauteils 1 aus dem Kombinationswerkzeug 12 nachbeschnitten werden, da ein Beschneiden dieser Bereiche ohne großen Verschleiß mit einem konventionellen (mechanischen) Schneidwerkzeug durchgeführt werden kann.The
Das warmumgeformte und (zumindest teilweise) beschnittene Formbauteil 1 wird mit Hilfe eines Manipulators 28 aus dem Kombinationswerkzeug 12 entnommen und auf einer Ablage 29 abgelegt (siehe
Wurde bisher ein Prozess beschrieben, in dem die Umformung die und Beschneidung gemeinsam in einem Kombinationswerkzeug 12 durchgeführt werden, so können die beiden Schritte auch in getrennten Werkzeugen stattfinden. Insbesondere kann das Halbzeug 2 zunächst in ein erstes (Umform-)Werkzeug eingelegt werden, in dem die dreidimensionale Kontur des Formbauteils 1 geformt wird und eine gezielte Abkühlung auf eine erste Temperatur T1 erfolgt. Anschließend wird das Formbauteil 1 in ein benachbartes zweites (Fixier-)Werkzeug übergeben, in dem das Formbauteil 1 beschnitten und unter mechanischer Fixierung weiter abgekühlt wird. Die beiden benachbarten Werkzeuge (Umform- und Fixierwerkzeug) sind innerhalb der Umformpresse 15 nach Art von Stufenwerkzeugen angeordnet und durch eine an sich bekannte Transfereinrichtung verbunden, die beim Öffnen der Presse die Bauteile aus den benachbarten Werkzeugen synchron heraushebt und sie ins nächste Werkzeug bzw. in die außerhalb der Presse angeordnete Ablage 29 weiterreicht.While a process has so far been described in which the forming and trimming are carried out together in a
Vorteilhafterweise wird nicht nur die Erwärmung der Halbzeuge 2, sondern auch die Warmumformung/Beschneidung in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. In diesem Fall ist das Kombinationswerkzeug 12, wie in
Zusätzlich zu den in
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