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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von gehärteten
Bauteilen aus Stahlblech, die ein geschlossenes Profil oder ein offenes
Profil mit Hinterschnitt aufweisen, insbesondere von entsprechend
geformten Aufprallträgern
für Kraftfahrzeuge.
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Sicherheits-
oder Strukturbauteile sind im Kraftfahrzeugbau in Form von Stoßfängern, Seitenaufprallträgern und
Säulenverstärkungen
bekannt. An derartige Bauteile werden unterschiedlichste Anforderungen
gestellt. Sie müssen
bei einem Unfall einerseits die kinetische Energie des Aufpralls
aufnehmen, sollen jedoch andererseits eine so hohe Festigkeit besitzen,
dass sie bei einem Aufprall eine optimale Formstabilität für einen
weitestmöglichen Schutz
der Insassen des Fahrzeugs gewährleisten. Des
Weiteren besteht an solche Bauteile die zusätzliche Anforderung, dass auch
sie möglichst
leicht sind, um den Kraftstoffverbrauch der Fahrzeuge zu senken.
Ferner ist der für
die Anordnung solcher Bauteile zur Verfügung stehende Konstruktionsbauraum
in der Regel begrenzt, was die Erfüllung der an die Bauteile gestellten
Anforderungen erschwert.
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Es
ist bekannt, die an Bauteile der voranstehend erläuterten
Art gestellten Anforderungen dadurch zu erfüllen, dass Profile aus Stahlblech
zur Verfügung
gestellt werden, die nach ihrer Formgebung zumindest partiell induktiv
gehärtet
werden. So sind beispielsweise aus der
DE 10 2005 012 522 B4 ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum abschnittsweisen Durchhärten von aus Stahlblech fertig
geformten Bauteilen bekannt. Dabei wird der durchzuhärtende Bauteilabschnitt
in dem von einem Ringinduktor erfassten Teilbereich induktiv auf
Härtetemperatur
erwärmt
und unmittelbar nach dieser Erwärmung
so abgeschreckt, dass in dem jeweils fertig gehärteten Teilbereich über die
Dicke des Bauteils Härtegefüge erhalten
wird. Während
der Erwärmung
wird der vom Induktor jeweils erfasste Teilbereich des durchzuhärtenden
Bauteilabschnitts laufend mit einem Schutzgas gespült, um einen
Zutritt von Sauerstoff zu der erhitzten Stelle und damit eine Verzunderung
des Bauteils zu verhindern. Die Schutzgaseinrichtung umfasst ein
Gehäuse,
welches das Bauteil nach Art einer Hülle umgibt. In dem Gehäuse sind
mehrere Düsen
zum Ausbringen des Schutzgases angeordnet. Diese bekannte Schutzgaseinrichtung
ist geeignet, um beim induktiven Härten eines aus Stahlblech fertig
geformten Seitenaufprallträgers,
in den parallel zueinander verlaufende Sicken eingeformt sind, eine Verzunderung
der erhitzten Stelle zu verhindern.
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Eine ähnliche
Vorrichtung zum induktiven Härten
von Sicherheitsfunktionen wahrnehmenden Strukturteilen ist in der
EP 1 052 295 A2 beschrieben. Die
durchzuhärtenden Strukturteile
sollen dabei als offene oder geschlossene Profile ausgeführt sein können.
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Inzwischen
werden für
Nutzfahrzeuge besondere Unterfahrschutzsysteme gefordert, die das Unterfahren
eines Personenkraftwagens bei einem Frontalzusammenstoß minimieren
sollen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zur Herstellung hochfester Sicherheits- oder
Strukturbauteile aus Stahlblech insbesondere für Unterfahrschutzsysteme anzugeben,
die ein geschlossenes Profil oder ein offenes Profil mit Hinterschnitt
aufweisen.
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In
Bezug auf das Verfahren ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst worden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich hochfeste Bauteile aus Stahlblech herstellen, die ein
geschlossenes Profil oder ein offenes Profil mit Hinterschnitt aufweisen.
Dabei wird – wie
an sich bekannt – zumindest
ein Teilbereich des jeweiligen Bauteils unter Schutzgas auf Härtetemperatur erwärmt, wobei
das Bauteil und ein ein elektromagnetisches Feld induzierender Induktor
relativ zueinander bewegt werden. Unmittelbar nach dieser Erwärmung wird
der auf Härtetemperatur
erwärmte Teilbereich
des Bauteils abgeschreckt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Innenseite des Bauteils mittels einer in den vom Profil
definierten Kanal einführbaren Schutzgaseinrichtung
mit Schutzgas beaufschlagt wird, wobei das Bauteil und die Schutzgaseinrichtung relativ
zueinander bewegt werden.
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Die
Lösung
der oben genannten Aufgabe besteht in Bezug auf die Vorrichtung
zur Herstellung von gehärteten
Bauteilen aus Stahlblech, die ein geschlossenes Profil oder ein
offenes Profil mit Hinterschnitt aufweisen, darin, dass eine solche
Vorrichtung mit einem Induktor zum Erwärmen eines Teilbereichs des
jeweiligen Bauteils auf Härtetemperatur, mit
einer Kühleinrichtung
zum Abschrecken des auf Härtetemperatur
erwärmten
Teilbereichs, mit einer der Außenseite
des Bauteils zugeordneten Schutzgaseinrichtung zum Ausbringen eines
mindestens den vom Induktor erfassten Teilbereich beaufschlagenden
Schutzgasstroms, mit einer Fördereinrichtung,
die während
des Härtens
das Bauteil und den Induktor relativ zueinander bewegt, und mit
einer zweiten Schutzgaseinrichtung ausgestattet ist, die zur Beaufschlagung
der Innenseite des vom Induktor erfassten Teilbereichs mit Schutzgas
in den vom Bauteil definierten Kanal einführbar ist, wobei das Bauteil
und die zweite Schutzgaseinrichtung relativ zueinander bewegbar
sind.
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Erfindungsgemäß werden
die aus Stahlblech beispielsweise in einer Walzprofilieranlage geformten Sicherheits-
oder Strukturbauteile, die ein offenes Querschnittsprofil mit Hinterschnitt
oder ein geschlossenes Querschnittsprofil aufweisen, mittels eines
Induktors komplett oder in einem oder mehreren Teilabschnitten,
in dem bzw. denen eine Härtung
gewünscht
ist, auf Härtetemperatur
erwärmt.
Das Bauteil und der Induktor werden hierzu ausgehend von einer Anfangsposition
relativ zueinander bewegt, so dass am Ende der Bewegung die gesamte
Länge des zu
härtenden
Abschnitts bzw. Bauteils durch das vom Induktor induzierte elektromagnetische
Feld auf eine geeignete Härtetemperatur
erwärmt
worden ist. Um eine vollständige
Austenitbildung im jeweils erwärmten
Teilbereich des zu härtenden
Abschnitts zu erreichen, wird die Härtetemperatur in der Regel über der AC3-Temperatur des Stahls liegen, aus dem
die Sicherheits- oder Strukturbauteile gefertigt sind.
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Die
induktive Erwärmung
erfolgt lokal unter einem Schutzgasmantel, um den Kontakt der erwärmten Bauteiloberfläche mit
dem Umgebungssauerstoff und damit die Gefahr einer Verzunderung
weitestgehend zu verhindern. Um bei dem geschlossenen oder offenen,
einen Hinterschnitt aufweisenden Profil eine Verzunderung der Profilinnenseiten
bei der induktiven Erwärmung
zu verhindern, wird sowohl außerhalb
als auch innerhalb des Profils die Prozessstelle durch spezielle
Schutzgaseinrichtungen lokal begleitet.
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Mit
der erfindungsgemäßen außen- und
innenseitigen Beaufschlagung der vom Induktor erfassten Prozessstelle
mit Schutzgas wird erreicht, dass die Bauteiloberfläche in dem
induktiv gehärteten
Bereich nach dem Vergüten
ein derartiges Maß an
Zunderfreiheit aufweist, dass ohne einen weiteren zwischengeschalteten
Behandlungsschritt eine unmittelbar anschließende Phosphatierung und/oder kathodische
Tauchlackierung möglich
ist. Das Merkmal "zunderfreie
Oberfläche" ist in diesem Zusammenhang
so zu verstehen, dass die Dicke der sich auf der erwärmten Oberfläche unvermeidbar
bildenden Oxidschicht einen bestimmten kritischen Wert nicht überschreitet,
ab dem eine unmittelbar anschließende Phosphatierung und/oder
kathodische Tauchlackierung nicht mehr problemlos möglich ist. Deshalb
erfolgt die Beaufschlagung des induktiv erwärmten Bauteilbereiches mit
Schutzgas erfindungsgemäß derart,
dass die Oxidschichtdicke am fertig gehärteten Bauteil stets unter
einem hinsichtlich der Eignung für
das Phosphatieren oder kathodische Tauchlackieren kritischen Grenzwert
liegt.
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Unmittelbar
nach der Erwärmung
erfolgt die Abschreckung des induktiv erwärmten Teilbereichs mit einer
Abschreckflüssigkeit,
vorzugsweise einer Abschreckemulsion. Der erwärmte Teilbereich des Bauteils
wird dabei vorzugsweise so schnell abgekühlt, dass eine weitestgehend
vollständige
Phasenumwandlung des Werkstoffs in dem entsprechend behandelten
Teilbereich in die Martensitphase erfolgt. Auf diese Weise können Sicherheits-
oder Strukturbauteile aus Stahlblech mit einer Streckgrenze Re von
mindestens 1250 MPa, einer Zugfestigkeit Rm von mindestens 1750
MPa und einer Bruchdehnung A80 von mindestens
2% erzielt werden.
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Die
endgültige
Martensithärte
lässt sich über die
spezielle Zusammensetzung der Abschreckemulsion in gewissen Grenzen
gezielt einstellen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht daher vor, dass die Emulsionszusammensetzung in Abhängigkeit
des verwendeten Stahls und der eingestellten Prozessparameter, insbesondere
der eingestellten Leistung des Induktors, Frequenz des induzierten elektromagnetischen
Feldes, Erwärmungsrate,
Härtetemperatur
und/oder Abkühlrate
eingestellt wird.
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Zur
Herstellung erfindungsgemäß behandelter
Bauteile eignen sich vergütbare
Stähle,
die ein ausreichendes Härtungspotenzial
aufweisen. Besonders zuverlässig
erzielen lassen sich die vorstehend angegebenen Härtewerte,
wenn das Bauteil aus einem borlegierten Manganstahl hergestellt
wird. Ein solcher Stahl kann aus (in Gew.-%) 0,24% < C < 0,45%, 0,15% < Si < 0,40%, 1,10% < Mn < 1,45%, P < 0,025%, S < 0,015%, 0,020% < Al < 0,060%, 0,15% < Cr < 0,60%, 0,020% < Ti < 0,050%, 0,0008% < B < 0,0050%, Rest Eisen
und unvermeidbare Verunreinigungen bestehen. Ein derartiger Stahl
ist beispielsweise unter dem Kurznamen 27 MnCrB 5-2 bekannt und
wird in der StahlEisenListe unter der Werkstoffnummer 1.7182 geführt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich besonders gut solche Bauteile herstellen, die ein aus
einem 1,5 mm bis 4 mm dicken, aus einem borlegierten Manganstahl
erzeugten Stahlblech fertig geformt sind, ein geschlossenes Profil
oder offenes Profil mit Hinterschnitt besitzen und zumindest partiell,
erforderlichenfalls aber über
ihre vollständige Länge sowie
den gesamten Profilquerschnitt ein martensitisches Gefüge mit den
oben genannten Festigkeitseigenschaften aufweisen.
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Eine
nur partielle Härtung
von fertig geformten Sicherheits- oder Strukturbauteilen wird beispielsweise
durchgeführt,
wenn ein Abschnitt des betreffenden Bauteils im Falle eines Aufpralls
(Crashs) die kinetische Energie des Aufpralls in Verformungsarbeit
umwandeln soll. Ein nicht gehärteter
Abschnitt ist hierzu aufgrund seiner höheren Zähigkeit besser geeignet als
der gehärtete
Abschnitt. Ebenso kann der nicht gehärtete Abschnitt dazu genutzt
werden, um das jeweilige Bauteil an andere Karosserie- oder Fahrzeugrahmenteile
passgenau anzuschließen.
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Aufgrund
der genannten chemischen Zusammensetzung des verwendeten Stahlblechs
weisen die daraus erfindungsgemäß hergestellten
Bauteile auch in ihrem durchgehärteten
Bereich noch eine gute Restbruchdehnung bei vollständiger Härtegefügebildung
auf. Ebenso sind die Bauteile in ihrem durchgehärteten Bereich bei Einsatz
geeigneter Schweißverfahren
noch gut schweißbar.
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Die
Relativbewegung zwischen dem Induktor und dem zu härtenden
Bauteil kann dadurch erfolgen, dass sowohl der Induktor als auch
das Bauteil durch eine jeweils zugeordnete Fördereinrichtung in entgegengesetzte
Richtungen bewegt werden. Eine bevorzugte, die bewegten Massen reduzierende Ausgestaltung
der Erfindung sieht jedoch vor, dass das Bauteil ortsfest eingespannt
und der Induktor entlang des Bauteils bzw. des zu härtenden
Abschnitts des Bauteils bewegt wird. Zu diesem Zweck kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung
eine ortsfeste Spanneinrichtung zum Einspannen des Bauteils aufweisen
und die Fördereinrichtung
den Induktor entlang des Bauteils oder zumindest des zu härtenden
Abschnitts des Bauteils bewegen. Es liegt jedoch ebenso im Rahmen
der Erfindung, den Induktor ortsfest anzuordnen und das Bauteil
entlang des Induktors zu führen.
Dies kann in der Weise realisiert werden, dass der Induktor ortsfest
angeordnet ist und die Fördereinrichtung
das Bauteil längs
des Induktors bewegt.
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Für eine besonders
gleichmäßige induktive Erwärmung des
Profilquerschnitts des zu härtenden Bauteils
ist es günstig,
wenn der Induktor als Ringinduktor ausgebildet ist, durch dessen Öffnung das Bauteil
geführt
wird. Die Form des Ringinduktors und seiner Öffnung ist dabei vorzugsweise
an das Profil des Bauteils angepasst, um eine gleichmäßige Einwirkung
des vom Induktor erzeugten Feldes auf das Bauteil zu gewährleisten.
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Um
eine möglichst
gleichmäßige, homogene Erwärmung über den
Bauteilquerschnitt zu erreichen, kann es zweckmäßig sein, das Bauteil während der
induktiven Erwärmung
um eine Längsachse zu
drehen.
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Praktische
Versuche haben gezeigt, dass ausreichende Erwärmungsleistungen gewährleistet sind,
wenn der Induktor mit einer Leistung von 10 bis 300 kW bei einer
50 bis 200 kHz betragenden Frequenz betrieben wird.
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Zum
Abschrecken des erwärmten
Bereichs des Bauteils können
eine oder mehrere Brausen verwendet werden, deren Düsen bevorzugt
so angeordnet sind, dass die Kühlmittelstrahlen
sowohl die Außenseite
als auch die Innenseite des offenen, hinterschnittenen bzw. geschlossenen
Profils des Bauteils gleichmäßig gut
erreichen. Die Abschreckwirkung kann dabei außer durch die Zusammensetzung
des Kühlmittels
auch durch den ausgebrachten Volumenstrom des Kühlmittels geregelt werden.
So hat sich gezeigt, dass abhängig
von der Dicke des Bauteils Ausbringraten von 10 bis 100 Liter/Minute
vorgesehen werden sollten, um die rasche Abkühlung in der erforderlichen
kurzen Zeit sicherzustellen. Die im Zuge dieser Abkühlung erzielte
Abkühlrate
sollte mindestens 27 K/s betragen.
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Die
Außenseite
des Bauteils wird mittels einer Schutzgaseinrichtung mit Schutzgas
beaufschlagt, die gekoppelt mit dem Induktor relativ zum Bauteil
bewegt wird. Das Schutzgas wird zum Schutz des erwärmten Bereichs
vor Verzunderung bevorzugt so auf den jeweils erwärmten Teilbereich
des Bauteils geleitet, dass das Schutzgas den erwärmten Querschnitt
jeweils komplett umströmt.
Der äußere lokale
Schutzgasmantel wird beispielsweise in der Weise erzeugt, dass eine
oder mehrere Ringbrausen vor und hinter dem Induktor angeordnet
sind und zusammen mit diesem relativ vom Bauteil bewegt werden.
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Als
Schutzgas können
Stickstoff oder inerte Gase, zum Beispiel Argon eingesetzt werden.
Die Verwendung von Stickstoff als Schutzgas kann sich günstig auf
das Durchhärtungsergebnis
auswirken, indem eine Nitrierung der Oberfläche durch die Stickstoffeinwirkung
erzielt wird. Praktische Versuche haben ergeben, dass eine ausreichende
Schutzwirkung erzielt wird, wenn 20 bis 60 Liter Schutzgas/Minute ausgebracht
werden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, dass die die Innenseite des Bauteils mit Schutzgas
beaufschlagende Schutzgaseinrichtung mit federbelasteten Rollen
oder federbelasteten Gleitelementen versehen ist, über die
sie an der Innenseite des Bauteils abgestützt und mit Abstand zu dieser
entlang der Längsachse
des Bauteils bewegbar ist. Diese Ausgestaltung bewirkt eine zuverlässige und
im Wesentlichen gleichmäßige Beabstandung der
Schutzgaseinrichtung gegenüber
der Innenseite des Bauteils sowie eine leichte Verfahrbarkeit bzw. Verschiebbarkeit
der Schutzgaseinrichtung innerhalb des Bauteils.
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Die
Schutzgaseinrichtung ist dabei vorzugsweise mit einem flexiblen
Druckstab versehen, mittels dem sie in dem vom Bauteil definierten
Kanal verschiebbar ist. Der flexible Druckstab, bei dem es sich
um einen flexiblen Stahl- oder Kunststoffstab handelt kann, ermöglicht ein
flexibles Abfahren von im Bauteil gegebenenfalls vorhandenen Profilkrümmungen.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
das an dem flexiblen Druckstab eine Steuerungs- und/oder Versorgungsleitung
für die
der Innenseite des Bauteils zugeordneten Schutzgaseinrichtung angebunden
ist.
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Ein
für die
praktische Anwendung vorteilhaftes Merkmal der Erfindung ist, dass
das Bauteil während
des Härtungsprozesses
an der Grenze des zu härtenden
Abschnitts jeweils mit einer Wärmesenke verkoppelt
wird. Diese Wärmesenke
hat die Aufgabe, die von dem zu härtenden Abschnitt zu einem
nicht zu härtenden
Abschnitt des Bauteils vordringende Wärme abzuleiten, so dass ein
exakt definierter Übergangsbereich
zwischen dem gehärteten
und dem jeweils ungehärteten
Abschnitt des Bauteils hergestellt wird. Eine solche Wärmesenke
kann in der Praxis dadurch hergestellt werden, dass mindestens eine
an der Grenze zwischen dem durchzuhärtenden Abschnitt und dem nicht
gehärteten
Abschnitt des Bauteils positionierbare Spanneinrichtung vorgesehen
ist, die während
des induktiven Härtens
in wärmeleitendem
Kontakt mit dem Bauteil steht und in den Grenzbereich gelangende
Wärme abführt. Die Wirksamkeit,
mit der der ungewollte Wärmefluss
zwischen dem zu härtenden
und einem im ursprünglichen
Zustand zu erhaltenden Abschnitt des Bauteils unterdrückt wird,
kann durch eine aktive Kühlung
der Spanneinrichtung zusätzlich
verbessert werden.
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Ein
besonders einfacher und gleichzeitig robuster Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt
sich dann, wenn der Induktor, die Brause und die zum Ausbringen
des Schutzgases benötigte Düse sowie
das gegebenenfalls vorhandene Gehäuse der Schutzgaseinrichtung
hinsichtlich der von ihnen ausgeführten Bewegungen miteinander
verkoppelt sind.
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Der
Abstand der Abschreckeinrichtung zum Induktor ist bevorzugt so klein
wie möglich,
um unkontrollierte Abkühlvorgänge zu vermeiden.
Daher sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, die
Abschreckeinrichtung im unmittelbaren Anschluss an den Induktor
zu positionieren.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
das Bauteil unmittelbar nach dem Abschrecken in eine Korrosionsschutzlösung eingetaucht
wird. Die Wirkung der Korrosionsschutzlösung kann erforderlichenfalls
durch einen unmittelbar nachgeschalteten Trocknungsprozess erhöht werden.
Bei besonderen Korrosionsschutzvorschriften kann ein weiterer Tauchgang
in einem speziellen Korrosionsschutzöl erfolgen.
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Des
Weiteren kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer Einrichtung zur Qualitätssicherung
ausgestattet sein, die es erlaubt, die einzelnen Prozessschritte
online zu überwachen.
Dazu gehören
eine Frequenzregelanlage für
die Induktionsfrequenz, eine Temperaturüberwachung der Erwärmungsstelle
beispielsweise über
entsprechende Pyrometertechnik und eine Überwachung der Relativbewegungen
von Induktor und Bauteil. Ebenso werden die Volumenströme von Schutzgas
und Kühlmittel
gemessen und aufgezeichnet. Alle Daten können über eine speicherprogrammierbare
Steuerung miteinander verknüpft
werden und dienen somit der aktiven Qualitätsüberwachung.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen jeweils schematisch:
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1 ein
Unterfahrschutzsystem für
ein Nutzfahrzeug mit einem Querrohr in perspektivischer Darstellung;
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2 eine
Fertigungslinie zur Fertigung eines Sicherheits- oder Strukturbauteils;
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3 eine
Vorrichtung zum induktiven Härten
eines Sicherheits- oder Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug in Draufsicht;
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4 die
in 3 dargestellte Vorrichtung in einem Schnitt entlang
der in 1 eingetragenen Schnittlinie A-A; und
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5 ein
aus Stahlblech geformtes Sicherheits- oder Strukturbauteil, welches
ein offenes, hinterschnittenes Querschnittsprofil aufweist, in perspektivischer
Darstellung.
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Das
in 1 dargestellte Unterfahrschutzsystem 1 ist
für ein
Nutzfahrzeug, insbesondere einen Lastkraftwagen bestimmt. Es soll
das Unterfahren eines Personenkraftwagens bei einem Frontalzusammenstoss
minimieren. Das Unterfahrschutzsystem 1 umfasst einen rohrartigen
Aufprallträger 2, zwei
im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Längsholme 3,
zwei äußere Schrägholme 4 und flanschförmige Stützplatten 5.
Es ist zu erkennen, dass die beiden Enden 2.1, 2.2 des
Aufprallträgers 2 gegenüber seinem
mittleren, im Wesentlichen geradlinigen Abschnitt 2.3 um
etwa 10° bis
15° nach
hinten gebogen sind. Die Enden des Aufprallträgers 2 können durch
daran angeschweißte
Blechplatten 7, 8 verschlossen sein. Das Unterfahrschutzsystem 1 wird
so an dem jeweiligen Nutzfahrzeug montiert, dass der Aufprallträger 2 etwa
im Niveau der Achsen der Vorderräder
angeordnet ist. Alternativ können aber
auch unterschiedliche Höhenlagen
bezogen auf die Achslage fahrzeugspezifisch (beispielsweise Tieflader,
Baustellenfahrzeuge, etc.) berücksichtigt werden.
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Der
Aufprallträger 2 ist
so ausgelegt, dass er bei einem Frontalzusammenstoss des Nutzfahrzeuges
mit einem Personenkraftwagen die kinetische Energie des Aufpralls
in Verformungsarbeit umwandelt. Dabei kommt es zu einer plastischen
Deformation des Bauteils 2 (Aufprallträgers).
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In
dem dargestellten Beispiel weist der aus Stahlblech geformte Aufprallträger 2 ein
geschlossenes Profil auf. Der Aufprallträger 2 des Unterfahrschutzsystems
kann aber grundsätzlich
auch als offenes Profil ausgeführt
sein, beispielsweise ein hinterschnittenes C-förmiges Profil 2' gemäß 5 aufweisen.
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Das
Profil des Bauteils (Aufprallträgers) 2 wird
durch kontinuierliches Rollformen erzeugt. Denkbar sind aber auch
andere aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Herstellen
des Bauteils 2, beispielsweise ein Zusammenschweißen von zwei
kaltumgeformten Halbschalen, oder die Herstellung oder Verwendung
eines Blechzuschnittes, der kalt zu einem Aufprallträger umgeformt
wird. 2 zeigt eine Fertigungsfolge, bei welcher bandförmiges Stahlblech
von einem Coil 9 einer Walzprofiliereinheit 10 zugeführt wird.
Das Stahlblech weist eine Blechstärke auf, die im Bereich von
1,5 mm bis 4,0 mm liegt. In der Walzprofiliereinheit 10 wird
das Bandmaterial durch mehrere Rollensätze 11 zu einem Walzprofil
W mit im Wesentlichen rohrförmigen
Querschnitt umgeformt. Der Walzprofiliereinheit 10 ist
eine Schweißeinrichtung 12 nachgeschaltet,
mittels der das Walzprofil W kontinuierlich zu einem geschlossenen
Profil gefügt
wird. Als Fügeprozess
ist ein Hochfrequenz- oder Induktions-Schweissprozess vorgesehen,
der mit der entsprechenden Prozessgeschwindigkeit des Rollformprozesses
arbeitet.
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Auf
die Schweißeinrichtung 12 folgt
eine Ablängeinheit 13,
die das Walzprofil W in einzelne Profilbauteile 2 ablängt. Nach
dem Ablängen
des Walzprofils W wird das jeweilige Profilbauteil 2 in
einer Biegeeinrichtung 14 in eine vorgegebene Kontur gebogen.
Das Biegen des Profilbauteils 2 wird vorzugsweise als Kaltumformung
durchgeführt.
In 2 ist zu erkennen, dass das Bauteil 2 an
seinen Enden 2.1, 2.2 in eine bestimmte Kontur
gebogen wird.
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Nach
dem Biegeprozess wird das fertig geformte Bauteil 2 induktiv
gehärtet.
Das Härten
des Bauteils 2 erfolgt komplett oder in einem oder mehreren
Teilabschnitten des Bauteils 2 mittels einer speziellen
Vorrichtung 15. Ein Ausführungsbeispiel dieser Vorrichtung
ist in den 3 und 4 schematisch dargestellt.
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Die
Vorrichtung 15 umfasst einen Induktor 16 zum Erwärmen eines
Teilbereichs des Bauteils 2 auf Härtetemperatur. Diese liegt über der
AC3-Temperatur des Stahls, aus dem das Bauteil 2 hergestellt
ist. Der Induktor 16 kann in geschlossener (ringförmiger) oder
offener Bauweise ausgeführt
sein. Er ist vorzugsweise aufklappbar ausgebildet, um seine Positionierung
zum Prozessstart zu erleichtern. Der Induktor 16 wird unter
Berücksichtigung
der Dicke des verwendeten Stahlblechs mit einer Leistung im Bereich zwischen
20 und 300 kW bei einer 80 bis 100 kHz betragenden Frequenz betrieben.
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Die
Vorrichtung 15 weist ferner mindestens eine Spanneinrichtung 17 zum
Einspannen des Bauteils 2 auf. Die Spanneinrichtung 17 umfasst
bewegliche Auflager 17.1, 17.2, welche in der
Lage sind, die bei der Phasenumwandlung (Erwärmung) des Bauteils 2 auftretende
Längenausdehnung
des Bauteils 2 aufzunehmen. Die Auflager der Spanneinrichtung 17 besitzen
entsprechende Freiheitsgrade.
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Der
Induktor 16 wird von einer Fördereinrichtung 18 getragen,
die den Induktor 16 auf einer sich zwischen den Auflagern
der Spanneinrichtung 17 erstreckenden Führungsbahn 19 von
einer Startposition an dem einen Auflager 17.1 in Förderrichtung
F zu einer Endposition an dem anderen Auflager 17.2 bewegt.
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Zusätzlich trägt die Fördereinrichtung 18 eine
in Förderrichtung
F gesehen hinter dem Induktor 16 angeordnete Brause 20,
die Betstandteil einer nicht weiter dargestellten Kühleinrichtung
zum Abschrecken des auf Härtetemperatur
erwärmten
Teilbereichs des Bauteils 2 ist. Die Brause 20 umgreift wie
der Induktor 16 den durchzuhärtenden Abschnitt des Bauteils 2 nach
Art eines Rings. Auf ihrer dem Bauteil 2 zugeordneten Innenfläche weist
die Brause 20 in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnete,
hier nicht sichtbare Düsen
zum Ausbringen von Abschreckflüssigkeit
auf. Die Brause 20 grenzt dabei unmittelbar an die Rückseite
des Induktors 16 an, so dass die von der Brause 20 ausgebrachte
Abschreckflüssigkeit, vorzugsweise
Abschreckemulsion den vom Induktor 16 jeweils erwärmten Teilbereich des
Bauteils 2 unmittelbar erreicht, nachdem dieser Teilbereich
auf Härtetemperatur
erhitzt ist.
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In
Förderrichtung
F vor dem Induktor 16 und unmittelbar angrenzend an seine
Vorderseite ist ein ebenfalls von der Fördereinrichtung 18 getragenes Gehäuse 21 angeordnet,
welches das Bauteil 2 nach Art einer Hülle umgibt. In dem Gehäuse 21 sind
mehrere Düsen 22 zum
Ausbringen eines Schutzgases angeordnet. Als Schutzgas wird vorzugsweise
Stickstoff eingesetzt. Alternativ kann als Schutzgas auch ein anderes
Inertgas, beispielsweise Argon eingesetzt werden.
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Die
Düsen 22 sind
so ausgerichtet, dass das von ihnen ausgebrachte Schutzgas in einer
oberflächennahen
laminaren Strömung über die
Außenseite Bauteils 2 in
Richtung des Teilsbereichs strömt,
der vom Induktor 16 jeweils auf Härtetemperatur erwärmt wird.
Auf diese Weise ist eine Abschottung gebildet, durch die der Zutritt
von Umgebungssauerstoff zu dem erhitzten Teilbereich weitestgehend
verhindert wird. Der Induktor 16, die Brause 20 und
das Gehäuse 21 bilden
eine hinsichtlich ihrer Bewegungen verkoppelte Baugruppe 30.
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Um
auch eine Verzunderung der Innenseiten des Bauteils 2 während dessen
induktiver Härtung
zu verhindern, wird die jeweilige auf Härtetemperatur erwärmte Stelle
auch innerhalb des Bauteils 2 durch eine Schutzgaseinrichtung
lokal begleitet, und zwar durch eine zweite Schutzgaseinrichtung 23,
die so ausgebildet ist, dass sie in den vom Bauteil 2 definierten
Kanal 2.4 eingeführt
werden kann. Diese Schutzgaseinrichtung 23 ist dabei mit
dem Induktor 16 bzw. der ersten, der Außenseite des Bauteils 2 zugeordneten
Schutzgaseinrichtung mechanisch verkoppelt bzw. koppelbar. Sie weist
einen Trägerkörper 24 auf, der
mit einer Mehrzahl von Düsen 25 zum
Ausbringen von Schutzgas versehen ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Trägerkörper 24 ringförmig ausgebildet,
wobei die Düsen 25 im
Wesentlichen gleichmäßig über den
Umfang des Trägerkörper 24 verteilt
angeordnet sind. Die Düsen 25 sind
so ausgerichtet, dass das von ihnen ausgebrachte Schutzgas die Innenseite
des vom Induktor 16 jeweils auf Härtetemperatur erhitzten Teilsbereichs
des Bauteils 2 beaufschlagt und somit die lokale Verzunderung
während
des Härtungsprozesses
verhindert.
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Der
Trägerkörper 24 dieser
Schutzgaseinrichtung 23 stützt sich über mehrere federbelastete Rollen 26 von
innen gegen die durchgehende Profilkontur des Bauteils ab und ermöglicht somit
eine im Wesentlichen konzentrische Positionierung der Schutzgaseinrichtung
sowie ein leichtes Verschieben innerhalb des Profils. Die den Rollen 26 zugeordneten
Federn 27 stützen
sich an dem Trägerkörper 24 ab.
Die Verschiebung des Trägerkörpers 24 erfolgt über einen
flexibel biegbaren Druckstab 28, um gegebenenfalls vorhandene
Profilkrümmungen
des Bauteils 2 flexibel abfahren zu können. Der Druckstab 28 ist
hierzu vorzugsweise aus Stahl und/oder Kunststoff gefertigt. An
diesem Druckstab 28 sind auch die Steuerungs- und Versorgungsleitungen (nicht
dargestellt) der zweiten Schutzgaseinrichtung 23 angebunden.
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Das
Einführen
der zweiten Schutzgaseinrichtung 23 erfolgt an den offenen
Enden des Profilbauteils 2. Die Steuerung der gesamten
Vorrichtung 15 erfolgt vorzugsweise über eine zentrale CNC-Steuerung
der Induktionsmaschine. Zur Qualitätssicherung werden der der
Außenseite
des Bauteils 2 zugeführte
Schutzgas-Volumenstrom und der der Innenseite des Bauteils 2 zugeführte Schutzgas-Volumenstrom einzeln
gemessen. Ziel ist die Erlangung eines hochfesten Profilbauteils 2 insbesondere
für Unterfahrschutzsysteme,
das ohne weitere Oberflächenbearbeitung
direkt nach dem induktiven Härtungsvorgang
mittels kathodischer Tauchlackierung lackierfähig ist.
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Um
die für
den genannten Verwendungszweck des Bauteils 2 erforderlichen
Festigkeitswerte zu erzielen, werden zu dessen Herstellung spezielle borlegierte
Manganstahlbleche verwendet, beispielsweise borlegierte Manganstahlbleche
mit der Bezeichnung 27 MnCrB 5-2, 30 MnB 5, 37 MnB 4 oder 42
Mn NiCrB 4-3 verwendet. Diese ermöglichen eine gute Durchhärtung des
Bauteils 2 mit optimalen technologischen Eigenschaften.
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Die
erfindungsgemäß hergestellten
Bauteile 2 besitzen eine Streckgrenze Re von mindestens 1250
MPa, eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 1750 MPa und eine Bruchdehnung
A80 von mindestens 2%.
-
- 1
- Unterfahrschutzsystem
- 2
- Bauteil
(Aufprallträger)
- 2'
- offenes
Profil
- 2.1
- Bauteilende
- 2.2
- Bauteilende
- 2.3
- mittlerer
Abschnitt des Bauteils
- 2.4
- Kanal
- 3
- Längsholme
- 4
- Schrägholme
- 5
- Stützplatten
- 6
- Querträger
- 7
- Blechplatte
- 8
- Blechplatte
- 9
- Coil
(abgewickeltes Blechband)
- 10
- Walzprofiliereinheit
- 11
- Rollensatz
- 12
- Schweißeinrichtung
- 13
- Ablängeinheit
- 14
- Biegeeinrichtung
- 15
- Härtungsvorrichtung
- 16
- Induktor
- 17
- Spanneinrichtung
- 17.1
- Auflager
- 17.2
- Auflager
- 18
- Fördereinrichtung
- 19
- Führungsbahn
- 20
- Brause
(Kühleinrichtung)
- 21
- Gehäuse
- 22
- Düsen
- 23
- zweite
Schutzgaseinrichtung
- 24
- Trägerkörper
- 25
- Düsen
- 26
- Rollen
- 27
- Feder
- 28
- Druckstab
- 30
- Baugruppe
- F
- Förderrichtung
- W
- Walzprofil