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Die
Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines warmgeformten
und gehärteten Stahlbauteils
mit den Verfahrensschritten Erwärmen eines
Halbzeugs auf eine Temperatur über
den AC3-Punkt der Legierung, Einlegen des
erwärmten Halbzeugs
in ein Umformwerkzeug in einer Presse, Formen des Halbzeugs und
Abschrecken des Halbzeugs durch den Kontakt mit dem Umformwerkzeug.
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Aus
der
DE 24 52 486 C2 ist
ein Verfahren zum Pressformen und Härten eines Stahlblechs mit geringer
Materialdicke und guter Maßhaltigkeit
bekannt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Blech
auf eine Temperatur über
AC
3 erwärmt
und danach in weniger als 5 Sekunden in die endgültige Form zwischen zwei indirekt
gekühlten Werkzeugen
unter wesentlicher Formveränderung gepresst
wird und unter Verbleiben in der Presse einer Schnellkühlung so
unterzogen wird, dass ein martensitisches und/oder bainitisches
feinkörniges Gefüge erzielt
wird. Das beschriebene Verfahren hat sich in der Praxis als Warmformen
von hochfesten Stahlleichtbauteilen insbesondere für Struktur-
und Sicherheitsteile im Karosseriebau vielfach bewährt.
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Je
nach Komplexität
der herzustellenden Bauteile werden diese vorgeformt oder in einem
Arbeitsgang warm geformt. Dabei sind für den Tiefziehvorgang auch
in Abhängigkeit
zur Temperatur des Halbzeugs die Tiefziehgrenzen zu beachten, denn wenn
das Umformvermögen
des Materials ausgeschöpft
ist, beginnt es in den am stärksten
gedehnten Bereichen auszudünnen
und zu reißen.
Die
DE 10 2004
038 626 B3 beschreibt das Problem, dass ein Werkstück im Umformwerkzeug
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. Dies führt
dazu, 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. Diesem Problem soll in der
DE 10 2004 038 626 B3 begegnet
werden, indem 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 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.
Bei der
DE 10
2004 038 626 B3 werden Formschritte jedoch ausdrücklich im
kalten Zustand vorgenommen. Während
des Formhärteprozesses
werden nur noch Formabweichungen nach Art eines Warmkalibrierens korrigiert.
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Ein
Vorformen im kalten Zustand ist jedoch nicht immer gewünscht oder
möglich.
Zum Beispiel lässt
sich mit Aluminium beschichteter Stahl nicht ohne eine Beschädigung der
Beschichtung kaltformen. Deshalb ist es besonders wichtig, auch
komplexe Geometrien in einem Arbeitsgang warm zu formen. Je nach
Bauteilgeometrie kann es zudem kostengünstiger sein, ein Bauteil aus
einer Platine in einem Zug warm umzuformen, um so mehrere Werkzeugstufen
zu vermeiden. Sollte die Umformung in einer Stufe nicht möglich sein,
kann es aber auch notwendig sein, ein bereits bis zu einem gewissen
Prozentsatz kalt vorgeformtes Bauteil warm in die Endform zu bringen,
um wenigstens eine Kaltformstufe zu ersetzen. Im Folgenden werden
sowohl eine Platine als auch ein bereits vorgeformtes Bauteil einheitlich
als Halbzeug bezeichnet, weil die nachstehend aufgezeigte Problematik
sowohl bei einer Platine als auch bei einem vorgeformten Bauteil
auftreten kann.
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Beim
bekannten Warmformprozess wird ein Halbzeug aus Stahl zunächst auf
eine Temperatur über
den AC3 Punkt der Stahllegierung erwärmt. Dann
wird das erwärmte
Halbzeug in ein indirekt gekühltes
Umformwerkzeug in einer Presse eingelegt. Dabei kontaktiert das
Halbzeug als erstes an der Auflagefläche mit dem Werkzeug. Sehr
oft ist es vor allem zur Unterdrückung
von Falten notwendig, die Teile unter Verwendung eines Blechhalters
tiefzuziehen. Speziell beim Tiefziehen von auf über 900°C erwärmten Halbzeug sind gegenüber dem
Ziehen bei niedrigen Temperaturen Besonderheiten zu beachten, die bedingt
durch die Temperaturverteilung im Halbzeug während der Umformung zu einer
Reduzierung der Tiefziehgrenzen führen. Beim Tiefziehen hat das
erwärmte
Halbzeug zunächst
Kontakt mit dem Blechhalter und den höchsten Punkten des Stempels. Durch
diesen Kontakt kühlt
das Halbzeug in diesen Bereichen stark ab und hat hier auch einen
erheblich höheren
Fließwiderstand.
Vor allem im Bereich des Blechhalters, aus dem Material nachfließen soll,
ist dieser Effekt sehr nachteilig für den Ziehvorgang. Deshalb
werden beim Warmformen die Blechhalter auch mit Distanzen versehen.
Dadurch wird ein direkter großflächiger Kontakt
und damit die nicht erwünschte
Abkühlung
des Halbzeugs in diesem Bereich durch das Werkzeug vermieden. Gleichzeitig wird
aber dennoch eine Faltenbildung unterdrückt.
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Das
zweite spezielle Problem beim Tiefziehen von einem warmen Halbzeug
ist der große
Temperaturunterschied zwischen den Bereichen des Halbzeugs, die
während
der Umformung am Stempel oder der Matrize anliegen und den Bereichen,
die noch keinen Kontakt mit dem Werkzeug haben. Weil diese Bereiche
erheblich weicher sind, gleichzeitig aber die Kräfte zum Einziehen des Halbzeugs übertragen
müssen,
kommt es hier zu einer Überdehnung und
dadurch zum Einreißen
des Materials. Beim Zufahren des Werkzeugs berühren also die regelmäßig vorhandenen
Niederhalter das Halbzeug zu einem frühen Zeitpunkt. Als nächstes trifft
der Stempel an einer bestimmten Stelle auf das Halbzeug. Der Stempel
zwingt dabei immer größere Bereiche
des Halbzeugs in die Form des Gesenks, bis das Halbzeug schließlich in
der geschlossenen Presse mehr oder minder vollumfänglich am
Umformwerkzeug anliegt. Mit dem ersten Kontakt zwischen Halbzeug
und Werkzeug wird das Halbzeug an der Kontaktstelle abgekühlt, und
zwar durch den Kontakt mit dem Werkzeug in der Regel so stark, dass
kritische Temperaturgradienten entstehen und sich in den Kontaktbereichen
eine höhere
Festigkeit einstellt. Folglich sind die Bereiche des Halbzeugs,
die noch keinen Kontakt mit dem Werkzeug hatten, wärmer und
weicher als die sich bereits verfestigenden Bereiche. Während des
Tiefziehens kühlt
das Halbzeug daher ungleichmäßig ab.
Gerade die weichen Bereiche werden noch tiefgezogen und müssen dabei
die für das
Tiefziehen notwendigen Formänderungskräfte aufnehmen.
Insbesondere in den Übergangsbereichen
von bereits relativ festen Bereichen zu Bereichen mit großen Umformgraden
führt die
ungleichmäßige Abküh lung des
Halbzeugs in Verbindung mit den noch ungleichmäßig verteilten Festigkeitswerten im
Halbzeug dazu, dass das Halbzeug in den Übergangsbereichen ausdünnt und
schlimmstenfalls reißt.
Daher sind den Umformgraden beim Warmumformen Grenzen gesetzt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese im Stand der Technik beim Warmformen
vorhandenen Tiefziehgrenzen zu erweitern.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass Bereiche des Halbzeugs, die während des Formens Tiefziehkräfte übertragen
müssen, nach
dem Erwärmen
auf eine Temperatur über
AC3 und vor dem Kontakt der Bereiche mit
dem Umformwerkzeug dosiert abgekühlt
werden, ohne dass dabei in den Bereichen die zum Härten notwendige
Abkühlgeschwindigkeit
erreicht wird. Ziel der Erfindung ist es, dem geringeren Umformvermögen durch
eine gezielte Abkühlung
des Halbzeugs in diesen Bereichen vor oder während der Umformung entgegen
zu wirken und dadurch zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung
und Dehnung zu kommen. Es wird folgendes bezweckt: Durch den Kontakt
des Halbzeugs mit dem Werkzeug im Auflagebereich und im Bereich der
Niederhalter sowie beim Erstkontakt mit dem Stempel wird das Halbzeug
schlagartig abgekühlt. Dadurch
entstehen große
Temperaturgradienten innerhalb des Halbzeugs. Diese Temperaturgradienten werden
durch ein dosiertes Abkühlen
von noch nicht kontaktierenden Bereichen abgemildert. Idealerweise
näheren
sich die Temperaturfelder der kontaktierenden und der nicht kontaktierenden
Bereiche durch die Abkühlung
an einander an. Infolge der dosierten Abkühlung liegt die Festigkeit
in den noch umzuformenden Bereichen höher als ohne Abkühlung. Die noch
umzuformenden Bereiche können
die für
das Tiefziehen erforderlichen Kräfte
besser übertragen und
deswegen stärker
umgeformt werden ohne auszudünnen
oder zu reißen
als bisher. Die Abkühlung der
noch nicht kontaktierenden Bereiche soll allerdings nicht so stark
sein, dass die Bereiche bereits vor der Umformung härten, denn
dies würde
den Formänderungswiderstand
zu sehr heraufsetzen. Die Umwandlung des durch die Erwärmung auf
eine Temperatur über
AC3 im Halbzeug entstandenen Austenits in
Martensit findet ab einer kritischen Abkühlgeschwindigkeit statt. Diese
wird zwar durch den Kontakt mit dem Werkzeug, nicht aber durch das
Anblasen erreicht. Gleichzeitig ist es für eine ausreichende Härtung des
Halbzeugs nicht notwendig, dass das Halbzeug mit der kritischen
Abkühlgeschwin digkeit
bereits ab dem AC3-Punkt abgekühlt wird,
vielmehr findet eine ausreichende Martensitbildung auch dann noch
statt, wenn die Abkühlstarttemperatur,
ab der mit der kritischen Abkühlgeschwindigkeit
abgekühlt
wird, bis zu einigen 100° unter
dem AC3-Punkt der Legierung liegt. Diesen
Umstand macht sich die Erfindung zunutze, um die Tiefziehgrenzen
zu erweitern. Der Temperaturunterschied im Halbzeug während der
Schließbewegung
des Umformwerkzeugs wird abgemildert, die möglichen Umformgrade erhöhen sich,
und trotzdem findet beim Fertigformen des Halbzeugs im Umformwerkzeug eine
ausreichende Martensitbildung, also eine ausreichende Härtung, sowohl
in den zuvor ungekühlten als
auch in den gekühlten
Bereichen statt.
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Die
Kühlung
der später
kontaktierenden Bereiche im Halbzeug kann vor dem Einlegen des Halbzeugs
in das Umformwerkzeug oder im Umformwerkzeug selbst stattfinden.
Vor dem Einlegen kann das über
AC3 erwärmte
Halbzeug beispielsweise in definierten Bereichen durch einen Kontakt
mit einem Kühlklotz
dosiert abgekühlt
werden. Das Halbzeug kann in den definierten Bereichen auch gezielt
angeblasen werden. Düsen
zum Anblasen des Halbzeugs zwecks Vorabkühlung können aber auch alternativ in der
Presse oder dem in der Presse befindlichen Umformwerkzeug integriert
sein.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen
die 1 bis 4 einen Verfahrensverlauf für einen
erfindungsgemäßen Tiefziehvorgang
eines Topfes 60 und 5 ein Fließkurvendiagramm
eines Stahls bei unterschiedlichen Temperaturniveaus. 6 zeigt eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Umformwerkzeugs.
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1 offenbart
schematisch Teile eines Tiefziehwerkzeugs, und zwar einen Stempel 1 als
Oberwerkzeug, ein Unterwerkzeug 2 mit einem Gesenk 3, einem
Niederhalter 4 und Distanzen 5. Der Einfachheit
halber ist das Halbzeug als Platine 6 dargestellt. Alle
Teile 1 bis 6 befinden sich in einer nicht näher dargestellten
Presse, die die Umform- und Zuhaltekräfte aufbringt. Anhand der 1 läßt sich
die Wärmeverteilung
im Halbzeug 6 gut beschreiben. Vor dem Einlegen in das
Tiefziehwerkzeug ist die Platine 6 homogen auf eine Temperatur über den
AC3-Punkt der Legierung erwärmt worden.
Nach dem Einlegen der Platine 6 in das Tiefziehwerkzeug
liegt die Platine 6 zunächst über dem
Gesenk 3 in den Randbereichen 7 und 8 auf
dem Un terwerkzeug 2 auf. Sofort mit dem Kontakt in den
Randbereichen 7 und 8 kühlt die Platine 6 so
schnell ab, dass die Bereiche 7 und 8 erheblich
fester werden. Die Presse ist noch geöffnet.
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Mit
dem Zufahren der Presse in 2 bekommt
auch der Niederhalter 4 Kontakt mit der Platine 6 in
den Randbereichen 7 und 8, die dadurch weiter
kälter
und fester werden. Der Niederhalter 4 liegt nun auf den
Distanzen 5 auf. Der Stempel 1 kontaktiert im
Ausführungsbeispiel
der 1 bis 4 die Platine 6 als
erstes in der Mitte 9. Auch in der Mitte 9 der
Platine 6 setzt durch die Berührung mit dem Stempel 1 die
Abkühlung
ein. Damit sind in dem Verfahrensstadium der 2 nunmehr
die Randbereiche 7 und 8 und die Mitte 9 der
Platine 6 relativ kalt und fest. Die noch umzuformenden
Bereiche 10 und 11 der Platine haben demgegenüber ein
relativ hohes Temperaturniveau und sind noch relativ weich. Ohne die
erfindungsgemäße Maßnahme des
Temperaturausgleichens durch Abkühlen
würde die
Platine 6 beim weiteren Zufahren des Stempels 1 in
den Übergangsbereichen 12 und 13 von
der kalten zur warmen Zone allmählich
ausdünnen
und gegebenenfalls auch reißen.
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Erfindungsgemäß wird diesem
Problem entgegengewirkt, indem die Platine 6 entweder bereits vor
dem Auflegen auf das Unterwerkzeug 2 oder im Umformwerkzeug
in den Bereichen 10 und 11 gezielt gekühlt wird.
Eine Kühlung
im Werkzeug kann zum Beispiel wie in der 6 schematisch
dargestellt mittels Düsen 17 und 18 erfolgen,
die in die nicht näher dargestellte
Presse integriert sind. Die Kühlung
kann auch durch Anblasen oder anderweitiges Abkühlen außerhalb des Werkzeugs geschehen.
Allerdings wird die Kühlung
nur so dosiert durchgeführt,
dass keine Härtung
stattfindet. Ziel ist es, einen Temperaturangleich zwischen den
relativ kalten Bereichen 7, 8 und 9 und
den Bereichen 10 und 11 während des Verfahrensstadiums
der 2 zu erreichen, damit die Bereiche 10 und 11 die
zum Tiefziehen notwendigen und während
des Umformvorgangs auftretenden Kräfte besser in die Randbereiche 7 und 8 der
Platine 6 übertragen
können
und die Übergangsbereiche 12 und 13 von
der bereits relativ festen zur noch relativ weichen Zone innerhalb
der Platine 6 entlastet werden.
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In 3 ist
der Stempel 1 weiter in Richtung Gesenk 3 verfahren.
Immer noch werden Tiefziehkräfte
von den Übergangsbereichen 12 und 13 aufgenommen.
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In 4 ist
die Presse ganz geschlossen und der Topf 60 aus der Platine 6 ausgeformt
worden. Durch den vollständigen
Werkzeugkontakt wird der Topf 60 innerhalb einer von der
Blechdicke und anderen Faktoren abhängigen Haltezeit komplett abgekühlt und
gehärtet.
Dabei sollten der Kontakt mit dem Werkzeug und die Haltezeit so
ausgelegt werden, dass das Werkstück nicht nur gehärtet, sondern
auch der Verzug so gering gehalten wird, dass das Werkstück den Toleranzanforderungen
genügt.
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5 zeigt
Fließkurven 14, 15, 16 ein
und desselben Stahlmaterials bei unterschiedlichen Temperaturen.
Kurve 14 zeigt die Fließkurve bei einer niedrigen
Temperatur des Stahls, Kurve 15 zeigt die Fließkurve bei
einer mittleren Temperatur des Stahls und Kurve 16 zeigt
die Fließkurve
bei einer hohen Temperatur des Stahls. Die Kurven sind theoretische Kurven,
nicht dargestellt ist, wie viel plastische Dehnung der Werkstoff
tatsächlich
aushält,
bevor er versagt. Die Kurven 14, 15 und 16 verdeutlichen
jedoch, dass je kälter
der Werkstoff ist (Kurve 14), um so mehr Spannung aufgebracht
werden muss, um die gleichen Dehnungswerte zu erreichen wie bei
höheren
Temperaturen (Kurve 16). Denn der Fließwiderstand bei hohen Temperaturen
ist geringer als der Fließwiderstand
bei niedrigen Temperaturen. Für
das warm Tiefziehen oder Warmumformen bedeuten diese unterschiedlichen
Fließwiderstände, dass
bei Temperaturgradienten im Halbzeug, die gesamte als Spannung aufgebrachte
Tiefziehkraft immer zu einer lokalisierten Dehnung im wärmsten Bereich
des Halbzeugs führt,
weil hier lokal der geringste Fließwiderstand ist. Die lokal
konzentrierte Spannung führt dann
häufig
zum Versagen des Werkstoffs während des
Formens. Diesem Problem wirkt die Erfindung durch das Angleichen
der unterschiedlichen Temperaturniveaus und damit einhergehend auch
einem Angleichen der unterschiedlichen Fließwiderstände entgegen, indem die Bereiche
vorab gekühlt
werden, die während
des Umformvorgangs die Tiefziehkräfte übertragen müssen.