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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils
einer Sperrmechanik sowie auf ein solches Bauteil. Das Bauteil ist
insbesondere ein Sperrelement, vorzugsweise ein Kraftfahrzeugbauteil
und bevorzugt ein Drehriegel für ein Türschloss.
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Unter
Sperrelement wird hier allgemein ein Element verstanden, welches
durch Ausbildung eines Formschlusses mit einem zweiten Element seine eigene
Bewegung oder die des zweiten Elements sperrt bzw. freigibt. Zur
Sperrung oder Freigabe ist hierbei eine Bewegung, insbesondere Drehbewegung
des Sperrelements vorgesehen. Unter Sperrmechanik werden allgemein
Mechaniken verstanden, die ein solches Sperrelement aufweisen. Sperrmechaniken
sind beispielsweise Schließ-, Verstell- oder Arretiermechaniken,
vorzugsweise im Kraftfahrzeugbereich.
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Unter
Sperrelement wird insbesondere ein so genannter Drehriegel eines
Türschlosses, auch als Schlossfalle bezeichnet, insbesondere
für eine Kraftfahrzeugtür, verstanden. Ein Türschloss
bildet daher eine Sperrmechanik und besteht im Wesentlichen aus
einem so genannten Sperrwerk und einer Aktuatorik zum Betätigen
des Sperrwerks. Das Sperrwerk selbst weist als wesentliche Bestandteile den
Drehriegel sowie eine Sperrklinke auf. Der Drehriegel und die Sperrklinke
wirken hierbei derart miteinander, dass in einer Schließstellung
Gegenwirkungsflächen der beiden Bauteile miteinander einen Formschluss
ausbilden, so dass die Position der beiden Sperrteile in der Schließstellung
sicher fixiert ist. Zum Öffnen wird über die Aktuatorik,
beispielsweise ein motorischer Antrieb mit Getriebe, die Sperrklinke in
eine Freigabeposition gedreht, so dass der üblicherweise
mit Hilfe einer Feder vorgespannte Drehriegel in seine Offenstellung
aufschnappen kann. In der Schließstellung wird von dem
Drehriegel ein so genannter Schließbügel oder
-bolzen gehalten. Der Schließbügel ist hierbei üblicherweise
an einer Karosseriesäule des Kraftfahrzeugs angeordnet, wohingegen
die restlichen Elemente des Sperrwerks sowie die Aktuatorik in der
Kraftfahrzeugtür stirnseitig angeordnet sind. Die Sperrmechanik
umfasst als weiteres Bauteil in einigen Ausführungsvarianten auch
eine so genannte Zuziehhilfe, die üblicherweise als metallischer
Hebel oder Bügel ausgebildet ist. Beim Schließvorgang
greift die Zuziehhilfe unterstützend ein, indem sie eine
Zwangskraft auf die Sperrklinke ausübt, um diese bzw. das
Sperrwerk zuverlässig von einer Vorrast- oder Vorschließstellung
in die Hauptrast- oder Hauptschließstellung zu überführen.
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Ein
derartiges Kraftfahrzeug-Türschloss ist beispielsweise
aus der
DE 197 10
531 B4 zu entnehmen.
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Das
Türschloss muss hohen, zum Teil widerstrebenden Anforderungen
im Hinblick auf Sicherheit und Komfort genügen. So muss
einerseits gewährleistet sein, dass selbst bei extrem hohen
Kräften, wie sie beispielsweise bei einem Unfall auftreten
können, das Sperrwerk sicher in der Schließstellung bleibt
und ein ungewolltes Öffnen der Tür vermieden wird.
Um dies zu gewährleisten, sind heutige Schlösser
derart ausgebildet, dass sie eine Haltekraft von bis zu 30.000 N
aufweisen, was dem Äquivalent zu 3 t Gewichtskraft entspricht.
D. h. das Sperrwerk kann in seiner Schließstellung Kräften
bis zu 30.000 N standhalten.
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Gleichzeitig
soll bei Bedarf das Türschloss sich möglichst
leicht mit geringem Kraftaufwand manuell in die Offenstellung überführen
lassen.
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Beim Übergang
von der Schließstellung in die Offenstellung gleiten die
zueinander korrespondierenden Gegenwirkungsflächen der
Sperrklinke sowie des Drehriegels aneinander ab. Um die Reibungskraft
und damit einhergehend die Öffnungskraft möglichst
gering zu halten, ist die Formgebung dieser zueinander korrespondierenden
Gegenwirkungsflächen sowie eine sehr hohe Oberflächengüte dieser
Flächen von wesentlicher Bedeutung.
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Um
diese erforderliche hohe Formgenauigkeit und hohe Oberflächengüte
zu erzielen werden derartige Drehriegel heutzutage in einem mehrstufigen
Herstellungsprozess hergestellt. Zunächst wird mit Hilfe
eines Feinstanz-Vorgangs die Form des Drehriegels herausgearbeitet.
Um die gewünschte hohe Formgenauigkeit zu erzielen erfolgt
die Formgebung nach Art eines Schneidvorgangs, bei dem ein Abscheren
an den Korngrenzen auftritt. Dieses Feinstanzen erfolgt in einer
mehrfach wirkenden Presse: Zunächst wird das Material eingespannt
und beispielsweise mit Hilfe einer Ringzacke verriegelt. Im zweiten
Schritt erfolgt der Schnitt mit Hilfe eines Schnittstempels. Nach
dem Öffnen des Werkzeugs erfolgt schließlich im
dritten Schritt das Ausstoßen. Nach dem Feinstanzen ist
als zweiter wesentlicher Verfahrensschritt ein Schleifen und Entgraten
erforderlich. Schließlich wird das Bauteil anschließend noch
gehärtet, damit der Drehriegel die Anforderungen im Hinblick
auf die Festigkeit und den Verschleiß erfüllen
kann.
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Durch
dieses mehrstufige, aufwändige Verfahren ist die Herstellung
eines Drehriegels vergleichsweise teuer. Insbesondere da der gesamte Drehriegel
aufwändig bearbeitet wird, obwohl die im Folgenden auch
als Sperrfläche bezeichnete Gegenwirkungsfläche
des Drehriegels nur einen geringen Teilbereich des umlaufenden Randes
des Drehriegels ausmacht und lediglich der Bereich um die Sperrfläche
hochgenau ausgebildet sein muss.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Herstellungsverfahren
für ein Bauteil einer Sperrmechanik, insbesondere für
ein Sperrelement sowie ein verbessertes solches Bauteil anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils einer Sperrmechanik,
insbesondere eines Drehriegels eines Türschlosses, wobei
das Bauteil, insbesondere das Sperrelement, durch Presshärten
ausgebildet ist. Beim Presshärten wird hierbei zunächst
ein metallischer Rohling auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt,
bis er eine austenitische Gefügestruktur einnimmt. Anschließend
wird der Rohling in einem Gesenkwerkzeug durch Massivumformen in
eine gewünschte Endgeometrie gebracht. Der Rohling wird unmittelbar
vor dem Umformen auf die Austenitisierungstemperatur gebracht. Beim
daran anschließenden Umformen kühlt der Rohling
bereits wieder etwas ab, so dass das Umformen bei einer im Vergleich zur
Austenitisierungstemperatur geringeren Rohlingtemperatur, beispielsweise
im Bereich con 850°C bis 550°C, erfolgt. Unter
Massivumformen wird hierbei ein Umformvorgang verstanden, bei dem
ein dreiachsiger, also in drei Raumrichtungen orientierter, Spannungszustand
im Rohling induziert wird, so dass eine dreiachsige Formänderung
erfolgt. Insbesondere tritt eine bewusste Dickenveränderung
des Materials auf. Schließlich wird im anschließenden
Schritt nach dem Massivumformen der geformte Rohling im Gesenkwerkzeug
abgekühlt, insbesondere abgeschreckt, so dass er eine martensitische
Gefügestruktur einnimmt. Schließlich wird der
derart abgekühlte, geformte Rohling als fertiges Bauteil
aus dem Gesenkwerkzeug entnommen.
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Unter
fertiges Bauteil wird hierbei ein metallisches Endprodukt verstanden,
welches keiner weiteren Nachbehandlungsschritte der Metallbearbeitung, wie
beispielsweise Härten, Schleifen, Entgraten, etc. bedarf.
Eine solche Nachbehandlung ist auch nicht vorgesehen. Das fertige
Bauteil kann jedoch noch beispielsweise mit Schutzschichten zum
Korrosionsschutz, mit einem Lack oder einem Kunststoffmantel überzogen
werden.
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Presshärten
wird heutzutage bereits bei der Blechumformung von Karosserieteilen,
wie beispielsweise Stoßfängern, Karosseriesäulen,
etc. herangezogen. Ein geeignetes Material hierfür ist
ein Borstahl, wie er beispielsweise unter dem Handelsnamen „USIBOR
1500P" von Arcelor angeboten wird und welcher auch vorliegend für
das Massivumformen vorzugsweise eingesetzt wird.
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Die
vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich das
aus der Blechumformung bekannte Verfahren auch beim Massivumformen
einsetzen lässt und dass mit dem Presshärten in
Verbindung mit dem Massivumformen hochpräzise Formteile
mit sehr guter Oberflächengüte erreicht werden. Dabei
ist die Qualität eines durch Massivumformen hergestellten
Formbauteils überraschenderwei se derart gut, dass die extrem
hohen Anforderungen selbst bei einem Drehriegel ohne spezielle weitere ergänzende
Maßnahmen erreichbar sind. Die Herstellung insbesondere
eines Drehriegels durch ein Massivumformen und Presshärten
lässt sich daher in kostengünstiger Weise mit
hoher Qualität erzielen.
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Hierbei
wird ausgenutzt, dass bei dem Verfahren durch das Erwärmen
der Rohling zunächst in die austenitische Gefügemodifikation überführt
wird, in der eine Umformung mit vergleichsweise geringem Kraftaufwand
möglich ist. Dies erlaubt bei vergleichsweise geringen
Umformkräften eine hohe Formgenauigkeit. Durch das sich
anschließende schnelle Abkühlen (Abschrecken)
in die martensitische Gefügestruktur wird zum einen die
hochgenaue Geometrie erhalten und gleichzeitig wird der geformte
Rohling gehärtet, so dass keine nachfolgenden Härteschritte
mehr erforderlich sind und vorgenommen werden.
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Das
Massivumformen ist hierbei vorzugsweise weiterhin dadurch gekennzeichnet,
dass das Material des Rohlings auch entgegen einer Pressrichtung
des Gesenkwerkzeugs fließt. Beim Massivumformen wird allgemein
ein dreiachsiger Spannungszustand im Material erzeugt, der ein Stauchen,
ein Breiten/Längen sowie ein Steigen des Materials bedingt.
Unter Steigen wird hierbei das Fließen des Materials entgegen
der Stauchrichtung verstanden, wobei die axiale Stauchrichtung der
Pressrichtung des Gesenkwerkzeugs entspricht.
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Vorzugsweise
wird der Rohling vor dem Massivumformen auf eine Austenitisierungstemperatur im
Bereich von etwa 850–950°C erwärmt, um
sicher die austenitische Gefügestruktur auszubilden. Hierbei
wird mit einer geeigneten Aufheizrate der Rohling erhitzt. Diese
Aufheizrate liegt im Bereich von etwa 15–20°C
pro Sekunde. Hat er diese Temperatur erreicht, so verbleibt er für
eine Verweildauer von etwa 3–8 Minuten auf diesem Temperaturniveau,
damit sich die austenitische Gefügestruktur ausbilden kann.
Das Erwärmen und Halten auf der Temperatur erfolgt vorzugsweise
außerhalb des Gesenkwerkzeugs, um eine möglichst
hohe Taktrate zu erzielen. Nach der Verweildauer oder der Haltezeit
wird also der erwärmte Rohling in das Gesenkwerkzeug überführt.
Hierbei ist darauf zu achten, dass keine oder nur eine begrenzte
Abkühlung auftritt. Schließlich wird der Rohling
mit hoher Umformgeschwindigkeit umgeformt. Die Dauer für
die Massivumformung liegt etwa im Bereich von 1 Sekunde. Parallel
zum Umformen kann bereits die Abkühlung beginnen. Die Abkühlrate
ist hierbei vorzugsweise deutlich größer als die
Aufwärmrate und liegt insbesondere in einem Bereich von
oberhalb etwa 25°C pro Sekunde. Der geformte Rohling wird
nunmehr innerhalb des formgebenden Gesenkwerkzeugs auf eine Temperatur
von unterhalb etwa 280°C–250°C abgeschreckt,
so dass eine martensitische Gefügestruktur ausgebildet
und eingefroren wird. Erst nach abgeschlossener Umwandlung wird
das Gesenkwerkzeug geöffnet und das Sperrelement entnommen.
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Gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung ist zur Reduzierung von möglichen
Spannungen innerhalb des Sperrelements eine zusätzliche
Wärmebehandlung, das so genannte Anlassen, vorgesehen.
Dies kann prinzipiell noch innerhalb des Gesenkwerkzeugs erfolgen.
Im Sinne einer hohen Taktrate erfolgt das Anlassen vorzugsweise
jedoch außerhalb des Gesenkwerkzeugs. Das Sperrelement weist
bereits ohne diesen zusätzlichen Anlass-Vorgang regelmäßig
eine ausreichend hohe Duktilität auf, die für
den vorgesehenen Anwendungszweck, nämlich insbesondere
die Verwendung als Drehriegel, ausreichend ist. Bei diesem Anlass-Vorgang
wird das Sperrelement in an sich bekannter Weise für eine gewisse
Verweildauer noch einmal auf ein erhöhtes Temperaturniveau
von beispielsweise 350°C erwärmt.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung wird als Ausgangsstoff für
den Rohling ein insbesondere mit einem metallischen Aluminium-Silizium-Beschichtung
versehener Stahl verwendet. Die spezielle Beschichtung macht nachträgliche
Korrosionsschutzmaßnahmen überflüssig.
Zugleich wirkt diese Beschichtung einer Verzunderung, also der Ausbildung einer
Oxidschicht an der Oberfläche, beim Herstellungsprozess
entgegen.
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Im
Sinne einer möglichst kostengünstigen Herstellung
ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass das Sperrelement keiner
weiteren Nachbehandlung, wie bei spielsweise Schleifen, Entgraten, Härten,
etc. unterzogen wird. Vielmehr ist allein durch das Presshärten
in nur einem Arbeitsvorgang das Sperrelement abschließend
herstellbar.
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Um
ein Sperrelement mit guten mechanischen Eigenschaften, insbesondere
hoher Steifigkeit, auszubilden, ist zweckdienlicherweise vorgesehen,
dass für die Umformung ein speziell geformter Stempel des
Gesenkwerkzeugs verwendet wird. Dieser ist derart ausgebildet, dass
ein insbesondere umlaufender Randsteg entsteht, der eine Senke zwischen
sich einschließt. Der Randsteg wirkt hierbei nach Art einer
Versteifungsrippe. Das Material des Rohlings wird beim Massivumformen
in diesen randseitigen Bereich hineingepresst und fließt
zur Ausbildung des Randstegs entgegengesetzt zu der Pressrichtung,
steigt also an.
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Um
eine hochgenaue Formgebung im Randbereich, insbesondere im stirnseitigen
Randbereich, in dem die Sperrfläche ausgebildet wird, zu
erreichen, steigt eine Stempelfläche des Stempels in Richtung
zum Randsteg zweckdienlicherweise an. Der Anstieg ist hierbei vorzugsweise
kontinuierlich und stetig mit konstanter oder auch zunehmender Steigung.
Durch diese gleichmäßig ansteigende Stempelfläche
wird das Material zum einen vom tiefsten Punkt aus gesehen seitlich
nach außen verdrängt. Zugleich steigt das Material
durch die ansteigende Stempeloberfläche auch entgegen der
Pressrichtung an.
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Um
einen definierten Materialfluss beim Umformvorgang zu erzeugen weist
die Stempelfläche vorzugsweise eine als Stempelspitze ausgebildete Auswölbung,
auf, die – im Querschnitt betrachtet – sich insbesondere
zum tiefsten Punkt hin beispielsweise etwa dreieckförmig
verjüngt, und die eine Barriere für den Materialfluss
darstellt. Sie bildet daher eine Fließgrenze, so dass das
Material ausgehend von der Auswölbung in definierter Weise
seitlich zur Auswölbung umgeformt wird. Die im Rohling
ausgebildete Senke weist daher eine in etwa parallel zum Randsteg
verlaufende kanalartige Vertiefung auf.
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Das
Sperrelement lässt sich allgemein in einen randseitigen
Hauptfunktionsbereich und einen Nebenfunktionsbereich untergliedern.
Unter Hauptfunktionsbereich wird allgemein derjenige Bereich verstanden,
der eine Sperr- oder Verriegelungsfunktion aufweist und mit einem
weiteren Sperrteil zusammenwirkt. Im Falle eines Drehriegels ist
der Hauptfunktionsbereich daher durch die randseitigen Bereiche
um die Sperrfläche sowie um eine Bolzenaufnahme gebildet.
Der Drehriegel ist insgesamt ein klauenartiges, flächiges
Bauteil mit zwei Riegelarmen, die zwischen sich die maulartige Bolzenaufnahme
einschließen. In der Schließstellung des Türschlosses liegt
in der Bolzenaufnahme der Schließbolzen oder Schließbügel
ein. Der Stempel ist nunmehr zweckdienlicherweise derart ausgebildet,
dass beim Umformvorgang in dem Hauptunktionsbereich eine vollständige
Füllung und in dem Nebenfunktionsbereich eine Unterfüllung
des Gesenkwerkzeugs erfolgt. Durch diese Maßnahme wird
daher ein exaktes Füllen des Gesenkwerkzeugs in dem wichtigen
Hauptunktionsbereich zuverlässig gewährleistet,
um dort die hohe Formgenauigkeit zu gewährleisten. Gleichzeitig
wird in den weniger wichtigen Nebenfunktionsbereichen ein ausreichender
Freiraum gelassen, so dass beim Umformvorgang der Stempel des Gesenkwerkzeugs
immer in definierter Position relativ zu einer Matrize des Gesenkwerkzeugs
gebracht werden kann, um die Umformung reproduzierbar, in der genau
gewünschten Art und Weise ausführen zu können.
Durch diese Maßnahme werden daher Toleranzschwankungen
bei der Maßhaltigkeit des Rohlings und damit einhergehend
Volumenschwankungen ausgeglichen.
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Zweckdienlicherweise
ist dabei vorgesehen, dass der tiefste Punkt der Stempeloberfläche
sehr nahe am Rand des Nebenfunktionsbereichs ist. Der tiefste Punkt
bildet quasi einen Trennsteg, von dem ausgehend das Material in
Richtung einerseits zum Hauptfunktionsbereich und andererseits in
Richtung zum Nebenfunktionsbereich verschoben wird. Da eine vergleichsweise
lange Strecke für die Materialverschiebung hin zum Randsteg
des Hauptfunktionsbereichs ausgebildet ist, ist im Hauptfunktionsbereich eine
sehr sanfte Umformung erzielt. D. h. es erfolgt keine abrupte Umformung
auf kurzen Distanzen. Insgesamt ist hierdurch unter ande rem die
Bildung von unerwünschten, bleibenden Spannungszuständen im
Hauptfunktionsbereich vermieden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst
durch ein Sperrelement, insbesondere ein Drehriegel eines Türschlosses
einer Kraftfahrzeugtür, welches durch Presshärten
und einer Massivumformung hergestellt ist. Das Sperrelement weist
hierbei einen umlaufenden Randsteg auf, der eine Senke zwischen
sich einschließt. Zweckdienlicherweise sind auf zwei gegenüberliegenden
Oberflächenseiten umlaufende Randstege mit jeweils eingeschlossener
Senke ausgebildet. Das Sperrelement ist daher im Querschnitt gesehen
nach Art eines Doppel-T-Trägers ausgebildet und weist daher
eine sehr hohe Steifigkeit bei vergleichsweise geringem Materialeinsatz
auf.
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Vorzugsweise
erstreckt sich die Senke von einem tiefsten Punkt aus gleichmäßig
ansteigend zum Randsteg. Der tiefste Punkt liegt hierbei in unmittelbarer
Nähe des Nebenfunktionsbereichs. Zum Randsteg im Hauptfunktionsbereich
weist daher die Senke eine sehr geringe Steigung auf, die um ein Vielfaches
geringer ist als die Steigung der Senke zum Randsteg im Nebenfunktionsbereich.
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Zweckdienlicherweise
ist weiterhin vorgesehen, dass die Oberseite des Randstegs im Nebenfunktionsbereich
auf einem geringen Höhenniveau liegt als die Oberseite
des Randstegs im Hauptfunktionsbereich. Dies wird herstellungstechnisch
durch die Unterfüllung im Nebenfunktionsbereich erzielt, um
ein qualitativ hochwertiges Sperrelement mit hoher Maß-
und Formgenauigkeit zu erhalten.
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Insgesamt
ist durch das Sperrelement und das spezielle Herstellungsverfahren
durch das Massivumformen und das Presshärten eine kostengünstige
Herstellung eines qualitativ hochwertigen Sperrelements erreicht.
Das Sperrelement ist hierbei insbesondere ein Drehriegel eines Türschlosses.
In gleicher Weise kann auch die Sperrklinke des Türschlosses
auf diese Weise hergestellt werden. Prinzipiell lassen sich auch
andere Bauteile insbesondere im Kraftfahrzeug, die als Sperrelemente
wirken, wie beispielsweise ein Drehbeschlag für einen Kraftfahrzeugsitz, auf
diese Art und Weise herstellen. Das Verfahren eignet sich für
alle Bauteile, bei denen unter Ausbildung eines Formschlusses mit
einem weiteren Sperrteil zum Sperren einer Bewegung eine hochgenaue
Formtreue insbesondere in Kombination mit einer hohen Oberflächengüte
erforderlich ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher
erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und vereinfachten Darstellungen
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1 eine
schematische Darstellung eines herkömmlichen Türschlosses,
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2 eine
perspektivische Darstellung eines als Drehriegel ausgebildeten Sperrelements,
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3a, 3b in
einer stark vereinfachten Querschnittsdarstellung einen Rohling
in einem Gesenkwerkzeug zur Erläuterung des Umformvorgangs,
wobei die 3a die Situation vor Beginn
des Umformvorgangs und 3b die Situation nach dem Umformvorgang
zeigt,
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4 eine
zu 3a vergleichbare Darstellung mit einer alternativen
Ausführungsvariante für das Gesenkwerkzeug.
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In
den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Anhand
der 1 wird zunächst das prinzipielle Zusammenwirken
der einzelnen Teile bei einem Türschloss 2 näher
erläutert. Das Türschloss 2 umfasst einen
Drehriegel 4 sowie eine Sperrklinke 6, die in
einer in 1 gezeigten Schließstellung
formschlüssig ineinander greifen. Und zwar liegt eine Sperrfläche 8 des
Drehriegels 4 an einer zugeordneten Gegenwirkungsfläche 10 der
Sperrklinke 6 an.
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Der
Drehriegel 4 ist ein flächiges Bauteil aus einem
gehärteten Stahl. Er ist klauenartig mit zwei Riegelarmen 4A, 4B,
ausgebildet, die zwischen sich eine einseitig offene Bolzenaufnahme 5 einschließen.
In der Bolzenaufnahme 5 liegt in der Schließstellung
ein nicht dargestellter Schließbolzen oder Schließbügel
ein, der üblicherweise an einer Karosseriesäule
befestigt ist, und in den der Drehriegel 4 beim Schließen
der Tür „einfällt".
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Der
Drehriegel 4 ist um eine erste Drehachse 12 drehbar
entgegen der von einem Federelement 14 ausgeübten
Vorspannung gelagert. Das Federelement 14 ist im Ausführungsbeispiel
als eine Druckfeder ausgebildet, die sich an einer Halterung 16 abstützt.
Die Halterung 16 ist ortsfest innerhalb einer üblicherweise
als Modul ausgebildeten Türschlosseinheit angeordnet, in
der sämtliche zum Türschloss gehörigen
Komponenten, nämlich das so genannte Sperrwerk sowie die
Aktuatorik, untergebracht sind.
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Die
Sperrklinke 6 ist um eine zweite Drehachse 18 drehbar
und ebenfalls gegen die Vorspannkraft eines zweiten Federelements 20 drehbar
gelagert. Die Sperrklinke 8 wird hierbei von einem Betätigungshebel 22 betätigt,
auf den das zweite Federelement 20 einwirkt. Über
den Betätigungshebel 22 wirkt die hier nicht näher
dargestellte Aktuatorik, beispielsweise ein Elektromotor mit entsprechendem
Getriebe, auf die Sperrklinke 6 ein.
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Zur
Freigabe des Drehriegels 4 wird der Betätigungshebel 22 und
mit ihm die Sperrklinke 8 gegen die Federkraft des zweiten
Federelements 20 entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt. Während
dieser Drehbewegung gleitet die Gegenwirkungsfläche 10 an
der Sperrfläche 8 entlang und gibt schließlich den
Drehriegel 4 frei. Dieser dreht dann ebenfalls entgegen
dem Uhrzeigersinn etwa um 90° in seine Offenstellung.
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Um
ein möglichst kraftarmes Überführen der Sperrklinke 6 in
die Offenstellung zu ermöglichen, kommt es auf eine hochgenaue
Ausgestaltung der Form des Drehriegels 4 im Bereich der
Sperrfläche 8 an. Im Bereich der Sperrfläche 8 weist
der Riegelarm 4A eine Hauptnase 24 auf an deren
Stirnseite, die Sperrfläche 8 liegt. Die Hauptnase 24 weist
am stirnseitigen Übergang zu der Sperrfläche 8 eine
Rundung auf, die entscheidend für ein leichtes Öffnen
ist, so dass die Hauptnase 24 an der Sperrklinke 6 abgleiten
kann.
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Am
Riegelarm 4A ist endseitig eine weitere als Nebennase 25 bezeichnete
Nase gebildet, die in einer Vor-Schließstellung mit der
Sperrklinke 6 zusammenwirkt. Dabei liegt eine Nebensperrfläche 8' der
Nebennase 25 an der Gegenwirkungsfläche 10 der
Sperrklinke 6 an.
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Aus
der 2 ist ein mittels Presshärten und Massivumformen
hergestellter Drehriegel 4 zu entnehmen. Dieser zeichnet
sich dadurch aus, dass er einen umlaufenden Randsteg 26 aufweist,
der in seiner Mitte eine Senke 28 begrenzt. Im Querschnitt
betrachtet ist der Drehriegel 4 daher T-förmig
nach Art eines Doppel T-Trägers ausgebildet. Er weist daher eine
hohe Steifigkeit bei geringem Materialeinsatz und damit geringem
Gewicht auf. Auch der in 2 dargestellte Drehriegel 4 umfasst
die beiden Riegelarme 4A, 4B, wobei an dem einen
Riegelarm 4A die Hauptnase 24 mit der Sperrfläche 8 ausgebildet
ist, auf deren hochgenaue Ausbildung es insbesondere ankommt. Im
Bereich zwischen den beiden Riegelarmen 4A, 4B ist
ein Durchgangsloch 30 vorgesehen, welches zur Aufnahme
eines Drehbolzens ausgebildet ist, um den sich der Drehriegel 4 im
eingebauten Zustand dreht. Der Drehriegel 4 ist insgesamt
ein flaches, plattenartiges Gebilde mit zwei gegenüberliegenden
Seiten. Vorzugsweise sind beide Oberflächenseiten identisch
und weisen jeweils den umlaufenden Randsteg 26 und die
Senke 28 auf.
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Die
in der Schließstellung belasteten Bereiche des Drehriegels 4,
insbesondere des Randstegs 26 bilden einen Hauptfunktionsbereich
A. Dieser erstreckt sich daher von der Nebennase 25 über
die Hauptnase 24 des ersten Riegelarms 4A entlang
der Bolzenaufnahme 5 bis zum zweiten Riegelarm 4B. Der übrige
Teilbereich des Randstegs 26 wird als Nebenfunktionsbereich
B bezeichnet. In 2 sind zur Kenntlichmachung
Trennstriche 32 eingezeichnet.
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Im
Hauptfunktionsbereich A kommt es entscheidend auf eine hochgenaue,
formtreue Ausgestaltung des Drehriegels 4 an. Demgegenüber
ist im Nebenfunktions bereich B eine hochgenaue und formgenaue Ausgestaltung
weniger wichtig bzw. von untergeordneter Bedeutung.
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Das
Verfahren zur Herstellung des Drehriegels 4, wie er in 2 dargestellt
ist, wird nachfolgend anhand der 3a, 3b näher
erläutert. Diese beiden Figuren zeigen eine stark vereinfachte Querschnittsdarstellung
eines Gesenkwerkzeugs 34 mit darin einliegendem Rohling 36.
Das Gesenkwerkzeug 34 umfasst einen Stempel 38 sowie
eine Matrize 40, in der der Rohling 36 einliegt.
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Der
Rohling 36 wurde vor dem Einbringen in das Gesenkwerkzeug 34 mit
einer Aufwärmrate von etwa 16°C pro Sekunde auf
eine Temperatur im Bereich zwischen 860° und 950° erwärmt
und dort mehrere Minuten, beispielsweise 3 bis 8 Minuten gehalten.
Der Rohling 36 selbst ist aus einem geeigneten Stahl, insbesondere
Borstahl ausgebildet.
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Der
Stempel 38 verfährt beim Umformvorgang in Pressrichtung 42 gegen
die Matrize 40 und formt hierbei den Rohling 36 entsprechend
der Kontur des Stempels 38 um, so dass der Rohling 36 an seiner
Oberseite die in 3b dargestellte Kontur einnimmt.
In dem Ausführungsbeispiel der 3a, 3b ist
die Ausbildung der Kontur nur an einer Oberflächenseite
des Rohlings 36 gezeigt. In identischer Weise wird der
Rohling auch an seiner Unterseite verformt. Hierzu ist die Matrize,
also das Unterstück des Gesenkwerkzeugs 34, spiegelbildlich
zu dem Stempel 38 ausgebildet.
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Der
Stempel 38 weist eine charakteristische Oberflächenkontur
auf. Und zwar umfasst er eine Stempelspitze 44, die einen
tiefsten Punkt definiert, mit der der Stempel 38 als erstes
in das Material des Rohlings 36 eintaucht. Die Stempelspitze 44 ist
im Querschnitt nach Art eines Dreiecks ausgebildet. Die eine Dreiecksflanke
wird steil ansteigend nach oben geführt, um schließlich üblicherweise
unter Ausbildung einer kleinen Rundung in eine im Wesentlichen horizontal
verlaufende Randseite auszulaufen. Die in den 3a, 3b auf
der rechten Bildhälfte angeordneten Randseite definiert
zugleich die Ausgestaltung im Nebenfunktionsbereich B.
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Die
andere Dreiecksseite der Stempelspitze 44 geht in eine
langsam ansteigende Flanke 46 über, die zum linken
Randsteg 26 hin am Ende bogenförmig unter Ausbildung
eines Radiusses verläuft, bevor auch hier wieder die Stempeloberfläche
in eine horizontalen Randseite übergeht. Der linke Teilbereich legt
hierbei den Hauptfunktionsbereich A fest.
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Durch
diese spezielle Stempelform wird eine charakteristische Geometrie
der jeweiligen Oberflächenseite des Drehriegels 4 mit
der Senke 28 und den umlaufenden Randstegen 26 ausgebildet.
Im Nebenfunktionsbereich B verläuft daher unmittelbar am
Randsteg 26 angrenzend eine durch die Stempelspitze 44 ausgebildete
Vertiefung 47. Aufgrund der langsam, gleichmäßig
und kontinuierlich ansteigenden Flanke 46 erfolgt ein vergleichsweise
schonendes Umformen des Rohlings 36 hin zum Hauptfunktionsbereich
A. Im Unterschied hierzu treten im Bereich der Stempelspitze 44 sehr
hohe Spannungsspitzen auf. Durch das Gesenkwerkzeug 34 wird
insgesamt ein dreiachsiger Spannungszustand auf den Rohling 36 ausgeübt.
Neben einer in Axialrichtung, also in Pressrichtung 42 wirkenden
Axialspannung σa, durch die das
Material des Rohlings 36 gestaucht wird, erfährt
das Material weiterhin eine radiale Spannungskomponente σr, die ein Breiten/Längen des Rohlings 36 hervorruft.
Schließlich erfährt das Material noch – neben
einer tangentialen in Umfangsrichtung wirkenden Spannungskomponente – eine
entgegengesetzt zur Pressrichtung 42 orientierte Spannungskomponente σa', d. h. das Material steigt entgegen der
Pressrichtung 42, so dass in den Randbereichen zur Ausbildung
des Randstegs 26 jeweils eine Materialverdickung und im
mittleren Bereich der Senke 28 eine Reduzierung der Dicke
erfolgt.
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Von
wesentlicher Bedeutung ist weiterhin, dass im rechten Bereich des
Nebenfunktionsbereichs B im Zustand des geschlossenen Gesenkwerkzeugs 34 am
Ende der Umformung ein Freiraum zwischen dem Randsteg 26 und
der Stempeloberfläche ausgebildet ist, d. h. in diesem
Bereich liegt eine so genannte Unterfüllung 48 vor.
Dies führt dazu, dass der Teilbereich des Randstegs 26 im
Hauptfunktionsbereich A auf einem höheren Höhenniveau
HA liegt als der Teilbereich des Randstegs 26 im
Nebenfunktionsbereich B, wo der Randsteg 26 lediglich ein Höhenniveau
von HB einnimmt. Die 3b zeigt
also den Zustand, bei dem der Stempel 38 sich in seiner Endposition
befindet und sich auf der Matrize 40 abstützt.
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In
dieser Position verharrt der Stempel 38 während
des Abschreckvorgangs des nunmehr geformten Rohlings 36.
Dabei ist eine Abkühlung mit einer Abkühlrate
von etwa 30°C pro Sekunde vorgesehen, und zwar bis zu einem
Temperaturniveau von unterhalb 280°C bis 250°C,
so dass eine martensitische Gefügestruktur erhalten und
eingefroren wird. Bei Erreichen dieses Temperaturniveaus wird das Gesenkwerkzeug 34 wieder
geöffnet und der nunmehr fertige Drehriegel 4 wird
aus dem Gesenkwerkzeug 34 beispielsweise mit Hilfe von
Auswerferstiften ausgeworfen.
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Ferner
kann eine zusätzliche Wärme-Nachbehandlung, das
so genannte „Anlassen" vorgesehen sein, um eventuell verbliebene
Spannungen im Materialgefüge des fertigen Bauteils zu reduzieren.
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Aufgrund
des derartigen Herstellungsverfahrens, nämlich dem Massivumformen
mittels Presshärten, wird eine hohe Formtreue und Maßhaltigkeit insbesondere
im Hauptfunktionsbereich A erhalten. Gleichzeitig sind die Umformkräfte
vergleichsweise niedrig, so dass insgesamt der werkzeugtechnische Aufwand
gering ist. Aufgrund der hohen Formgenauigkeit sind auch keinerlei
Nachbehandlungsschritte, wie Schleifen, etc. erforderlich. Schließlich
ist durch die Überführung in die martensitische
Struktur während des Presshärtens auch keine weitere
Härtung erforderlich.
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In 4 ist
eine alternative Geometrie des Stempels 38 in einer zur 3a vergleichbaren
Darstellung dargestellt. Der wesentliche Unterschied zu dem Stempel 38 gemäß 3a ist
darin zu sehen, dass nunmehr keine dreieckförmige Stempelspitze 44 vorgesehen
ist, sondern dass die Flanke 46 direkt in den zum rechten
Randsteg 26 hin ansteigenden Teilbereich übergeht.
Die hierdurch definierte Übergangsstelle ist insbesondere
als Knick ausgebildet, der die Stempel spitze 44 definiert.
Auch hier ist daher der tiefste Punkt die Kante zwischen der flachen Flanke 46 und
dem steil ansteigenden Teilstück auf der rechten Seite.
Bei dieser Ausführungsvariante werden im Bereich der Stempelspitze 44 geringere Spannungen
im Rohling 36 erzeugt.
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Anstelle
des Drehsiegels 4 können auch weitere Bauteile
einer Sperrmechanik, beispielsweise eine Zuziehhilfe, ein Sperrelement
bei einem Beschlag etc. mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt
werden.
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- 2
- Türschloss
- 4
- Drehriegel
- 4A,
4B
- Riegelarm
- 5
- Bolzenaufnahme
- 6
- Sperrklinke
- 8
- Sperrfläche
- 8'
- Nebensperrfläche
- 10
- Gegenwirkungsfläche
- 12
- erste
Drehachse
- 14
- erstes
Federelement
- 16
- Halterung
- 18
- zweite
Drehachse
- 20
- zweites
Federelement
- 22
- Betätigungshebel
- 24
- Hauptnase
- 25
- Nebennase
- 26
- Randsteg
- 28
- Senke
- 30
- Durchgangsloch
- 32
- Trennstrich
- 34
- Gesenkwerkzeug
- 36
- Rohling
- 38
- Stempel
- 40
- Matrize
- 42
- Pressrichtung
- 44
- Stempelspitze
- 46
- Flanke
- 47
- Vertiefung
- 48
- Unterfüllung
- A
- Hauptfunktionsbereich
- B
- Nebenfunktionsbereich
- HA
- Höhenniveau
im Hauptfunktionsbereich
- HB
- Höhenniveau
im Nebenfunktionsbereich
- σa, σr, σa',
- Spannungskomponenten
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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