DE102007002678A1

DE102007002678A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines warmumgeformten Blechbauteils

Info

Publication number: DE102007002678A1
Application number: DE102007002678A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schmid
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2008-07-24

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines warmumgeformten Blechbauteils wird ein Blech zunächst erwärmt und daraufhin in einem Umformwerkzeug umgeformt und abgekühlt, wobei das Blech in dem Umformwerkzeug beschnitten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines warmumgeformten Blechbauteils.
Das Herstellen von gehärteten Stahlblechbauteilen durch Warmumformen ist aus der DE-OS 24 52 486 bekannt. Darin ist ein Verfahren offenbart, bei dem ein Rohling (eine Platine) aus härtbarem Stahl auf eine Härtungstemperatur erhitzt und danach in einem Tiefziehwerkzeug umgeformt wird, wobei das Bauteil durch den Kontakt mit dem gekühlten Tiefziehwerkzeug so schnell gekühlt wird, dass sich ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge des Werkstoffs mit einer erhöhten Festigkeit ausbildet. Durch das in der DE-OS 24 52 486 offenbarte Verfahren können Stahlblechbauteile mit einer Werkstofffestigkeit von bis zu 2000 N/mm² erzeugt werden.
Tiefgezogene Stahlblechbauteile müssen regelmäßig nach dem Umformvorgang insbesondere im Randbereich beschnitten werden. Die durch das Warmumformen gemäß der DE-OS 24 52 486 erzielbaren extrem hohen Festigkeiten der Bauteile führen beim Beschneiden jedoch zu Problemen. Insbesondere hat sich die geringe Standzeit der Beschneidewerkzeuge, bedingt durch eine hohe Abnutzung beim Beschneiden dieser hochfesten Stahlbleche als problematisch erwiesen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines umgeformten Blechbauteils anzugeben, die zumindest einen der Nachteile, die sich aus dem Stand der Technik ergeben, verringert. Insbesondere sollen die sich durch das nachträgliche Beschneiden von hochfesten Stahlblechbauteilen ergebenden Probleme abgeschwächt oder ausgeräumt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst; vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
Der Kern der Erfindung sieht vor, beispielsweise bei der Herstellung eines warmumgeformten Stahlblechbauteils, das Beschneiden des Blech(bauteil)s noch innerhalb des Umformwerkzeugs durchzuführen. Dies ermöglicht, das Blech(bauteil) noch vor dem Erreichen der das Endprodukt auszeichnenden hohen Festigkeiten des Werkstoffs, die durch das Verfahren gemäß dem Oberbegriff erzielt werden können, zu beschneiden. Auf diese Weise kann die Abnutzung der Schneidelemente verringert und somit ihre Standzeit erhöht werden. Weiterhin kann durch eine Integration der Schneidmittel in das Umformwerkzeug die Bereitstellung einer separaten Beschneidevorrichtung entfallen, was mit einem verringerten Platzbedarf für die gesamte Fertigungslinie sowie gegebenenfalls verringerten Investitionskosten verbunden sein kann. Weiterhin kann gegebenenfalls durch das Einsparen einer Überführung des Bauteils von der Umformvorrichtung in eine separate Beschneidevorrichtung die Prozesszeit zur Herstellung des Bauteils verkürzt werden.
Ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug weist somit zumindest zwei Werkzeugteile (jeweils ein- oder mehrteilig möglich) auf, zwischen denen das umzuformende Blech gehalten wird, wobei zumindest ein Stempel des einen Werkzeugteils gegenüber einer Matrize des anderen Werkzeugteils verfahrbar ausgebildet ist, wobei ein relatives Verfahren dieser zu einer Umformung des Blechs führt. Erfindungsgemäß weist das Umformwerkzeug weiterhin mindestens ein Schneidelement auf, mittels dessen das Blech(bauteil) noch in diesem beschnitten werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Ausgangsteil ein Stahlblech und besonders bevorzugt mit einem ferritisch-perlitischen Ausgangsgefüge verwendet, das sich besonders für eine Härtung während des Warmumformens eignet.
Bevorzugt wird als Ausgangsteil ein Stahlblech aus einem borlegierten Mangan-Stahl und besonders bevorzugt ein 22MnB5-Vergütungsstahl verwendet.
Vorteilhafterweise wird das Blech dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug in Form einer Platine zugeführt, deren Dimensionen zur Verbesserung der Handhabung sowie zur Vermeidung von unnötigen Materialabfällen möglichst genau – unter Berücksichtigung eines möglichen Einziehverhaltens beim Umformen – auf die Dimensionen des zu fertigenden Bauteils abgestimmt sein können. Der zu verarbeitende Werkstoff kann in Form eines Coils geliefert werden, von dem die Platinen geschnitten werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Blech vor dem Umformen auf eine Temperatur oberhalb der jeweiligen A_c3-Temperatur erwärmt und für einen bestimmten Zeitraum, der werkstoff- und prozessabhängig sein kann, auf dieser Temperatur geglüht. Dadurch kann eine (im technischen Rahmen) vollständige homogene Austenitisierung erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise bei einem Umformvorgang mittels Tiefziehen zum Einsatz kommen, da hierbei ein vor dem Umformen erfolgendes Beschneiden mit einer Genauigkeit, die ein nachträgliches Beschneiden überflüssig machen würde, in der Regel aufgrund der häufig komplexen Geometrien des herzustellenden Bauteils nicht möglich ist.
Vorzugsweise wird das Blech(bauteil) in dem Umformwerkzeug mit einer Abkühlgeschwindigkeit gekühlt, die zu einer diffusionslosen, martensitischen Gefügeumwandlung mit einer damit einhergehenden Festigkeitssteigerung führt. Ein Stahlblech wird bevorzugt mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 27 K/s gekühlt.
In Verbindung mit einer durch die vorausgehende Erwärmung einhergehenden Verringerung der Fließspannung können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf vorteilhafte Weise Bauteile mit komplexer Geometrie sowie einer hohen Festigkeit von teilweise deutlich über 1500 N/mm² erzeugt werden.
Um ein hinreichend schnelles Abkühlen zu unterstützen kann das erfindungsgemäße Umformwerkzeug zumindest bereichsweise aktiv gekühlt werden, beispielsweise mittels innerhalb des Umformwerkzeugs verlaufender Kühlkanäle, durch die ein Kühlmittel geleitet wird. In vielen Fällen reicht jedoch eine Kühlung bereits aufgrund der großen Temperaturunterschiede zwischen dem Umformwerkzeug und dem Stahlblech.
Vorzugsweise wird das Bauteil in dem Umformwerkzeug zumindest bis zu einem Temperaturbereich abgekühlt, in dem die mit der gewünschten Festigkeitssteigerung einhergehende Gefügeumbildung, insbesondere in ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge im wesentlichen abgeschlossen ist. Dieser Temperaturbereich ist werkstoffabhängig; bei einigen Werkstoffen kann eine Abkühlung auf eine Temperatur von höchstens 250°C ausreichend sein.
Um ein möglichst einfaches Beschneiden eines Stahlblech(bauteil)s zu ermöglich, wird dieses vorteilhafterweise vor dem Erreichen eines eine weitgehende, mit einer Festigkeitssteigerung verbundene Gefügeumbildung auslösenden Temperaturbereichs (werstoffabhängig) beschnitten. Bei vielen Werkstoffen sollte ein Beschneiden vor dem Erreichen einer Werkstofftempe ratur von 300°C erfolgen. Dies kann sich vorteilhaft auf die Abnutzung und folglich die Standzeiten der Schneidemittel auswirken. Bei einem Borlegierten Manganstahl wie 22MnB5 sollte ein Beschneiden vorzugsweise vor dem Erreichen 400°C erfolgen.
In der Regel wird insbesondere bei durch Tiefziehen hergestellten Bauteilen der Randbereich beschnitten. Insbesondere bei diesem Umformverfahren kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft zum Einsatz kommen, da die Schneidemittel hierfür in den Randbereichen des Umformwerkzeugs vorgesehen werden können, was sich vorteilhaft auf die Konstruktion des Umformwerkzeugs auswirken kann. Beispielsweise kann in diesem Fall ein konstruktiv einfaches, ringförmig geschlossenes Schneidelement verwendet werden, das beispielsweise hydraulisch beaufschlagt wird. Gleichsam ist es möglich, unter Ausnutzung der erfindungsgemäßen Vorteile das Bauteil auch in der Bauteilmitte und gegebenenfalls auch in den Umformbereichen zu beschneiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass Bauteil entlang der vorgesehenen Schnittkanten vollständig zu durchtrennen, so dass eine Nachbehandlung zum Entfernen von nicht benötigten Bereichen des Blechs vollständig entfallen kann. In Abhängigkeit von beispielsweise den Prozessparametern (z. B. Taktzeit), dem verwendeten Werkstoff und/oder bestimmten Qualitätsanforderungen kann das Bauteil entlang der Schnittkanten auch diskontinuierlich geschnitten (perforiert) oder lediglich geschwächt werden. Beide Alternativen führen zu einer Solltrennkante, die in einem Nachfolgeprozess unter geringem Aufwand vollständig durchgetrennt werden kann. Ein solches Vorgehen kann den Vorteil aufweisen, dass abgetrennte Bereiche des Blechs nicht aus dem Umformwerkzeug entsorgt werden müssen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere oder alle Schneideverfahren (Durchschneiden, Perforieren und Schwächen) gleichzeitig anzuwenden, so dass beispielsweise ein Teilbereich der Schnittkante vollständig durchge trennt wird, während ein anderer Abschnitt diskontinuierlich geschnitten und ein dritter Abschnitt lediglich geschwächt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform bilden die mindestens zwei Werkzeugteile einen Spalt aus, in dem das Stahlblech gehalten wird, wobei der Spalt in dem Bereich des mindestens einen Schneidelements breiter als in anderen Bereichen ausgebildet ist. Dadurch kann die Flächenpressung mit der das Bauteil zwischen den Werkzeughälften gehalten wird, lokal reduziert werden, wodurch in diesen Bereichen eine durch eine hohe Flächenpressung begründete, zusätzliche Verfestigung des Werkstoffs verhindert werden kann. Dies kann sich wiederum vorteilhaft auf den Beschneidevorgang auswirken.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt
1 ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug in einer perspektivischen Darstellung,
2 eine Schnittdarstellung des Umformwerkzeugs der 1,
3 eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Ausschnitts der 2 und
4 eine vergrößerte Darstellung des mit B gekennzeichneten Ausschnitts der 2
1 und 2 stellen ein zweiteiliges Tiefziehwerkzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
Die obere Hälfte des Tiefziehwerkzeugs besteht im wesentlichen aus einer Matrize 1, die als Gegenstück für einen Stempel 2 in der unteren Werkzeughälfte dient, einer Kopfplatte 3, die der Anbindung der Matrize 1 dient und über nicht dargestellte Hydraulikzylinder in senkrechter Richtung verfahren werden kann, einem Schneidring 4 zum Beschneiden des umgeformten Blechteils sowie einem wiederum hydraulisch beaufschlagten Ausdrücker 5, der den Schneidring 4 betätigt.
Die untere Hälfte des Tiefziehwerkzeugs weist den hydraulisch verfahrbaren Stempel 2, eine auf einem Unterbau 6 positionierte und den Stempel umgebende Blechhalterplatte 7 sowie eine Grundplatte 8, auf der sämtliche der vorgenannten Bauteile positioniert sind, auf. In die Blechhalterplatte 7 ist zudem ein Laser-Wärmefühler 9 vorgesehen, der der Erfassung der Blechtemperatur dient.
Zum Umformen eines Blechs wird dieses in Form einer auf eine Temperatur von mindestens 800°C erwärmten Platine bei geöffnetem Tiefziehwerkzeug (d. h. die obere und untere Werkzeughälften sind in senkrechter Richtung auseinander gefahren worden) auf den Blechhalter 7 der unteren Werkzeughälfte aufgelegt, wobei der Stempel 2 – anders als in 2 dargestellt – in eine zurückgezogene Stellung verfahren ist, in der dessen oberer Rand den oberen Rand des Blechhalters 7 nicht überragt. Durch das Schließen des Werkzeugs wird die Blechplatine an ihren Randbereichen zwischen dem Blechhalter 7 sowie dem äußeren Bereich der Matrize 1 mit einer definierten Anpresskraft geklemmt.
Das Umformen der Blechplatine erfolgt durch ein Verfahren des Stempels 2 in die entsprechende Kavität der Matrize.
Durch den Kontakt des heißen Blechs mit den kalten Oberflächen des Tiefziehwerkzeugs wird dieses schnell gekühlt, was – bei einer ausreichend schnellen Abkühlung – zu einer Verfestigung des Blechwerkstoffs führen kann.
Um die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme beim Beschneiden hochfester Blechbauteile zu umgehen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Blechbauteil noch in dem Tiefziehwerkzeug und vorzugsweise vor dem Unterschreiten einer Temperatur von 400°C zu beschneiden. Hierzu wird das Blechbauteil nach dem Tiefziehvorgang mittels des umlaufenden Schneidrings 4 beschnitten, wobei bei der dargestellten Ausführungsform lediglich vorgesehen ist, das Blech bis auf 1/3 der ursprünglichen Dicke zu schwächen. Zum Beschneiden wird der Schneidring 4 der über Federn (nicht dargestellt) in seiner oberen Position gehalten wird, mittels des hydraulisch betätigten Ausdrückers 5 nach unten gedrückt, wobei die Schneidkanten des Schneidrings 4 in das Blech des tiefgezogenen Bauteils in der gewünschten Tiefe eindringen. Ein Endanschlag (3 und 4) für den Schneidring 4 sorgt dafür, dass das Blech nur bis zu der gewünschten Tiefe geschwächt und nicht vollständig durchgeschnitten wird.
Die 3 und 4 zeigen zwei unterschiedliche Arten der Ausbildung des Blechhalters 7 sowie der Matrize 1 in dem Bereich der Schnittkante des Blechs.
Bei der Ausführungsform der 3 ist der Spalt zwischen der Matrize 1 und dem Blechhalter 7, in dem sich das tiefgezogene Blechbauteil befindet, mit einem nahezu gleichmäßigen Dickenverlauf ausgebildet.
Hiervon unterscheidet sich die Ausführungsform der 4 dahingehend, dass im Bereich der Schnittkante des Blechs dieser Abstand zwischen dem Blechhalter 7 und der Matrize 1 vergrößert ausgebildet ist. Dies dient dazu, die Flächenpressung, mit der das Blech gehalten wird, lokal zu reduzieren, da eine hohe Flächenpressung mit einer zusätzlichen Verfestigung des Blechs einhergehen kann, was im Bereich der Schnittkante des Blechs jedoch vermieden werden soll um die Standzeiten des Schneidrings 4 zu erhöhen.
Obwohl in 2 zu Vergleichszwecken beide Ausführungsformen (3 und 4) dargestellt sind, ist es üblich, den Bereich zwischen der Matrize 1 und dem Blechhalter 7 über den gesamten Verlauf der Schneidkante einheitlich entsprechend einer der Ausführungsformen auszubilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2452486 A [0002, 0002, 0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines warmumgeformten Blechbauteils, wobei ein Blech zunächst erwärmt und daraufhin in einem Umformwerkzeug umgeformt und gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech in dem Umformwerkzeug beschnitten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlblech verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech ein ferritisch-perlitisches Ausgangsgefüge aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Bor-legierten Mangan-Stahls, vorzugsweise von 22MnB5.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Blechplatine.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech auf eine Temperatur oberhalb der A_c3-Temperatur erwärmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech durch Tiefziehen umgeformt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 27 K/s gekühlt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech in dem Umformwerkzeug zumin dest bis zu einer Temperatur gekühlt wird, in der die mit einer Festigkeitssteigerung einhergehende Gefügeumbildung im wesentlichen abgeschlossen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech in dem Umformwerkzeug bis zu einer Temperatur von 250°C oder weniger gekühlt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech vor dem Erreichen eines eine weitgehende, mit einer Festigkeitssteigerung verbundene Gefügeumbildung auslösenden Temperaturbereichs beschnitten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech beschnitten wird bevor es auf eine Temperatur unterhalb von 300°C abgekühlt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich des Blechs beschnitten wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech diskontinuierlich beschnitten wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech beim Beschneiden lediglich geschwächt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechbauteil in einem Nachfolgeprozess entlang der diskontinuierlich geschnittenen und/oder geschwächten Schnittkanten vollständig durchgetrennt wird.
Umformwerkzeug für ein Blechbauteil mit mindestens zwei Werkzeugteilen zwischen denen das umzuformende Blech gehalten wird, wobei zumindest ein Stempel des einen Werkzeugteils gegenüber einer Matrize des anderen Werkzeugteils verfahrbar ausgebildet ist, wobei ein relatives Verfahren dieser zu einer Umformung des Blechs führt, gekennzeichnet durch mindestens ein Schneidelement zum Beschneiden des Blechbauteils in dem Umformwerkzeug.
Umformwerkzeug gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zumindest im Bereich der Kontaktflächen zu dem Blech gekühlt ist.
Umformwerkzeug gemäß Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Werkzeugteile einen Spalt bilden, in dem das Blech gehalten wird, wobei der Spalt in dem Bereich des Schneidelements breiter als in anderen Bereichen ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines warmumgeformten Blechbauteils mit einem Glühofen sowie einem Umformwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20, gekennzeichnet durch einen Durchlaufglühofen.