DE102008014103A1

DE102008014103A1 - Verfahren zur Herstellung von Blechenformteilen durch Umformung

Info

Publication number: DE102008014103A1
Application number: DE200810014103
Authority: DE
Inventors: Paul Dr. Dick; Stefan Hummel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2009-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Blechenformteilen (116) durch Umformung. Um ein Verfahren zur Herstellung von Blechenformteilen (116) durch Umformung zur Verfügung zu stellen, mit welchem maßhaltige Blechformteile herstellbar sind, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass bei der Erstellung der Form (112) eine Wandstärkenreduktion (Deltas) durch die Umformung berücksichtigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Blechenformteilen durch Umformung.
Aus der Praxis sind verschiedene Umformverfahren bekannt, mit denen aus im Wesentlichen ebenen Materialzuschnitten Blechformteile hergestellt werden.
Aus der Praxis ist insbesondere das superplastische Umformen vom Blechen bekannt, bei welchem beispielsweise ein Alublech auf eine Temperatur von 450–550 Grad C erwärmt wird. Nach der Erwärmung wird das Blech mit Hilfe von Druckluft (beispielsweise mit einem Druck von 1–30 bar) gegen eine Matrize oder einen Stempel gedrückt, wodurch die gewünschte Kontur ausgeformt wird.
Beim superplastischen Umformen von Alublech gilt Verfestigung = Entfestigung, d. h. die Verformung erfolgt in einem Bereich des Spannungs-Dehnungs-Diagramms, in dem die Spannung δ = F/A_o näherungsweise unabhängig von der Dehnung ε = Δl/l_o ist. Das Alublech ist während der Verformung randseitig zwischen einer umlaufenden Dichtung und einem Niederhalter eingespannt. Es kann also randseitig kein Blechmaterial nachfließen. Das hat zur Folge, dass insbesondere in den Bereichen des Alublechs, die in „tiefe” Bereichen des Werkzeugs ausgeformt werden, eine Reduktion der Wanddicke stattfindet. Die Reduktion der Wanddicke Δs/s kann bei 30%– 60% liegen, so dass in manchen Bereichen beispielsweise anstelle der ursprünglichen Wanddicke von 1,2 mm nur noch eine Wanddicke von 0,5 mm vorliegt. Die genannte Wandstärkenreduktion kann zur Folge haben, dass ein Blechformteil nicht mehr die Anforderungen an seine Maßhaltigkeit erfüllt.
Um dem Problem der Wandstärkenreduktion durch das superplastische Umformen zu begegnen ist in der US 6 907 761 B2 vorgeschlagen, eine kontrollierte Erwärmung des Blechs durchzuführen, wobei insbesondere vorgeschlagen ist, durch eine gezielte Wärmeeinbringung oder durch Kühlgase auf die Temperatur des Blechs Einfluss zu nehmen. Dazu sind steuerbare Wärmequellen und Kühlgasquellen vorgesehen, wodurch die entsprechende Bearbeitungsstation sehr aufwändig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Blechenformteilen durch Umformung zur Verfügung zu stellen, mit welchem maßhaltige Blechformteile herstellbar sind.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Anspruchs 1.
Gemäß der Erfindung ist bei einem Verfahren zur Herstellung von Blechenformteilen durch Umformung, bei dem zunächst eine Form erstellt und bereitgestellt, ein Materialzuschnitt an seinem Rand mindestens abschnittsweise eingespannt und der Materialzuschnitt durch Aufbringung von Kräften gegen die Form zur Anlage gebracht wird, wodurch an dem Materialzuschnitt eine dauerhafte Umformung erzielt wird, vorgesehen, dass schon bei der Erstellung der Form eine Wandstärkenreduktionen durch die Umformung berücksichtigt wird. Während also im Stand der Technik die Bemühungen dahin gehen, nach Möglichkeit der Wandstärkenreduktion zu begegnen, um ein maßhaltiges Blechformteil zu erhalten, wird gemäß der Erfindung eine Wandstärkenreduktion bewusst in Kauf genommen und bei der Erstellung der Form berücksichtigt, so dass im Ergebnis ein maßhaltiges Blechformteil herstellbar ist, auch wenn dessen Wandstärken von der Ausgangswandstärke abweichen.
Mit der Erfindung können so insbesondere beim superplastischen Umformen Konturabweichungen, die ohne die Erfindung bei einer Blechdicke von 1,2 mm bis zu 0,5 mm betragen würden und bei Fahrzeug-Karosserieteilen im Außenhautbereich nicht akzeptabel wären, vermieden werden, wodurch sich die dort geforderten Genauigkeiten von 0,2–0,5 mm – im Bereich der Fugen sogar noch enger – einhalten lassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Maßhaltigkeit der der Form bei der Umformung gegenüberliegenden Seite des Materialzuschnitts als Zielfunktion verwendet, wobei insbesondere ein Vorhaltemaß ermittelt wird, welches bei der Erstellung der Form als Zuschlag auf die negative Kontur des Blechformteils aufaddiert wird. Dadurch, dass die der Form bei der Umformung gegenüberliegende Seite des Materialzuschnitts als Zielfunktion verwendet wird, steht nach der Umformung ein Blechformteil zur Verfügung, welches von Werkzeugmarken frei ist. Im Interesse einer hohen Oberflächenqualität der „Außenseite” wird also vorzugsweise in einer solchen Weise superplastisch umgeformt, dass die „Innenseite” auf dem Werkzeug zu liegen kommt, während die „Außenseite” nicht in Kontakt mit dem Werkzeug kommt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Umformung als superplastische Umformung mit einer Matrize und/oder einem Stempel durchgeführt. Die Vorteile der Erfindung zeigen sich insbesondere bei einer superplastischen Umformung, da bei dieser wegen der hohen Plastizität des Materials Wandstärkenreduktionen in einem hohen Maß auftreten können. Bei der besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind jedoch die bei der superplastischen Umformung stattfindenden lokalen Wanddickenreduktionen insbesondere beispielsweise eines Alublechs bei der Auslegung der Form (des Werkzeugs) berücksichtigt. In den Bereichen, in denen beim Umformen eine Blechdickenreduktion stattfinden wird, ist das Werkzeug also „dicker”, so dass die Blechdickenreduktion durch dieses Aufmaß kompensiert wird und die Außenkontur des Blechformteils das gewünschte Maß erhält.
Gemäß weiterer bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung umfasst das Verfahren mindestens eine Umformsimulation und insbesondere die folgenden Verfahrensschritte, wobei diese bei der Erstellung der Form vorzugsweise in der nachfolgenden Reihenfolge durchgeführt werden:

– Erstellung eines CAE-Modell des gewünschten Bauteils.
– Vorauslegung der Form (des Werkzeugs) (virtuell).
– Simulation der Blechformteilherstellung in der Form.
– Virtuelle Vermessung des Blechformteils.
– Ermittlung der lokalen Wanddickenreduktion Δs.
– Vorhaltemaß ins Werkzeug einbringen (virtuell).
– (evtl. nochmalige Simulation – Verifikation)
– Vorhaltemaß in das reale Werkzeug einbringen.
– Herstellung des Bauteils und Verifikation, dass das Bauteil maßlich innerhalb der geforderten Toleranz liegt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt in der Simulation auch ein Abgleich mit benachbarten Bauteilen, um maßhaltige fertige Bauteilgruppen/Karosserien zur Verfügung stellen zu können. Dazu werden insbesondere die Blechdickenreduktionen in Folgeprozessen berücksichtigt, in denen das Umformteil mit anderen Teilen gefügt wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird als Blechformteil ein Karosserie-Außenhautteil hergestellt. Besonders bevorzugte Karosserie-Außenhautteile, die insbesondere aus mehreren Blechformteilen, die gemäß der Erfindung hergestellt sind, aufgebaut sind, sind Türen. Diese werden durch ein Fügen der Türaußenbeplankung an die Türinnenwand hergestellt. Dies geschieht mit Hilfe des Falzens. Beim Falzen wird die Blechdickenreduktion der vorzugsweise durch superplastisches Umformen hergestellten Türaußenbeplankung und der durch superplastische Umformen hergestellten Türinnenwand berücksichtigt, damit die beiden Teile fest miteinander verfalzt werden und damit sehr enge Toleranzen (Spaltmaße) eingehalten werden können. Wenn man zwei superplastisch umgeformte Bauteile miteinander verfalzt, hat man sogar das Problem der doppelten oder dreifachen Maßabweichung. Diese werden mit der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt.
Im Rahmen der Erfindung kann das Verfahren der Kompensation einer Wanddickenreduktion im Werkzeug auch beim konventionellen Tiefziehen (von Stahlblech) zum Einsatz kommen: Beim Tiefziehen von 2 mm-Blech und bei Dehnungen von bis zu 15%–20% (Alu) bzw. 25%–30% (Stahl) treten in besonders stark gedehnten Bereichen Blechdickenreduktionen von 0,3–0,6 mm auf, die auf diese Weise kompensiert werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung.
Dabei zeigt:
1 Eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur superplastischen Umformung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die in 1 schematisch gezeigte Vorrichtung 100 ist eine Spezialvorrichtung für Durchführung einer superplastischen Umformung. Die Vorrichtung 100 ist als beheizbare Druckkammer ausgebildet, welche ein Oberteil 102 sowie ein Unterteil 104 aufweist. Das Oberteil 102 ist als druckfester Deckel 106 ausgebildet, in welchen mindestens ein Zuführkanal 108 für ein Druckgas zur Umformung ausgebildet ist.
Das Unterteil 104 ist als Matrize 110 ausgebildet und kann auch als Form 112 bezeichnet werden, an welcher eine Kontur 114 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet ist.
In 1 ist ferner ein ausgeformtes Blechformteil 116 gezeigt, dessen Wandstärke stark überhöht dargestellt ist. Das Blechformteil 116 ist aus einem im Wesentlichen ebenen Materialzuschnitt, beispielsweise aus einem 1,2 mm Aluminiumblech, gefertigt. Zur Ausformung der dreidimensionalen Kontur des Blechformteils 116 wird der Materialzuschnitt in die Vorrichtung 110 eingelegt und wird an seinem Rand 120 zwischen dem Oberteil 102 und dem Unterteil 104 eingespannt. während der Umformung sind das Oberteil 102 und das Unterteil 104 an dem genannten Rand 120 gegeneinander und/oder gegenüber dem Materialzuschnitt abgedichtet, um ein Austreten des Druckgases zu verhindern. Der Randbereich 120 wird nach der Ausformung des Blechformteils 116 abgetrennt und als Abfall entsorgt.
Bei der Erstellung der Form 112, die wie in 1 gezeigt einstückig ausgebildet sein kann, im Rahmen der Erfindung jedoch auch aus einem Umfassungsteil und einem darin eingelegten Formteil bestehen kann, ist die Wandstärkenreduktion Δs berücksichtigt worden, indem die der Form 112 abgewandte Seite 122 des Materialzuschnitts nicht schlicht als Gegenkontur 124 (negative Kontur; gestrichelt dargestellt) unter Berücksichtigung einer konstanten Wandstärke verwendet worden ist, sondern ein Zuschlag 126 (kreuzschraffiert) auf die negative Kontur 124 aufaddiert worden ist. Die Wandstärkenreduktion Δs ist – ebenso wie die ursprüngliche Wandstärke des Blechs – in 1 stark überhöht dargestellt.
In 1 ist deutlich zu erkennen, dass die Blechstärke des Blechformteiles 116 durch die superplastische Umformung nach dieser superplastischen Umformung über die Fläche des Blechformteiles stark variiert. In Bereichen, beispielsweise dem Bereich 128, in denen nur eine geringe Umformung erfolgt ist, hat das Bleichformteil 116 noch nahezu seine ursprüngliche Ausgangs-Materialstärke von 1,2 mm. Dagegen ist das Blechformteil 116 in Bereichen, beispielsweise den Bereich 130 und 132, in denen eine „tiefe” Umformung erfolgt ist, durch die „tiefe” Umformung stark verdünnt. Die Materialstärke beträgt in den Bereichen 130, 132 nur noch 0,5 mm. Die Wandstärkenreduktion Δs (von 1,2 mm auf 0,5 mm) ist durch die entsprechende Konturierung der Form 112 berücksichtigt worden.
Die gezeigte Form 112, mit der das Blechformteil 116, insbesondere ein Karosserie-Außenteil, hergestellt wird, ist durch eine Umformsimulation und anschließendes Fräsen und/oder Formerodieren hergestellt, wobei bei der Herstellung die Verfahrensschritte „Erstellung eines CAE-Modells”, „virtuelle Vorauslegung der Form”, „Simulation der Blechformteilherstellung in der Form”, „virtuelle Vermessung des Blechformteils”, „lokale Wandickenreduktion Δs ermitteln”, „Vorhaltemaß in das virtuelle Werkzeug einbringen” und „Verifikation” durchgeführt worden sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6907761 B2 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Blechenformteilen (116) durch Umformung, bei dem zunächst eine Form (112) erstellt und bereitgestellt wird, ein Materialzuschnitt an seinem Rand mindestens abschnittsweise eingespannt und der Materialzuschnitt durch Aufbringung von Kräften gegen die Form (112) zur Anlage gebracht wird, wodurch an dem Materialzuschnitt eine dauerhafte Umformung erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstellung der Form (112) eine Wandstärkenreduktionen (Δs) durch die Umformung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßhaltigkeit der der Form (112) bei der Umformung gegenüberliegenden Seite (122) des Materialzuschnitts als Zielfunktion verwendet wird, wobei insbesondere ein Vorhaltemaß ermittelt wird, welches bei der Erstellung der Form als Zuschlag (126) auf die negative Kontur (124) des Blechformteils aufaddiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung als superplastische Umformung mit einer Matrize (110) und/oder einem Stempel durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialzuschnitt ein Blech aus Aluminium, einer Aluminium-Legierung oder aus Stahl verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Blechformteil (116) ein Karosserie-Außenhautteil oder ein Karosserie-Innenteil hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstellung der Form (112) mindestens eine Umformsimulation durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Erstellung der Form (112) einen Verfahrensschritt CAE-Modell-Erstellung des Blechformteils umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Erstellung der Form (112) einen Verfahrensschritt „Vorauslegung der Form”, insbesondere „virtuelle Vorauslegung der Form” umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Erstellung der Form (112) einen Verfahrensschritt „Simulation der Blechformteilherstellung in der Form” umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Erstellung der Form (112) einen Verfahrensschritt „virtuelles Vermessen des Blechformteils” umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Erstellung der Form (112) einen Verfahrensschritt „Lokale Wanddickenreduktion Δs ermitteln” umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Erstellung der Form (112) einen Verfahrensschritt „Vorhaltemaß in das Werkzeug einbringen (virtuell)” umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Erstellung der Form (112) einen Verfahrensschritt „nochmalige Simulation – Verifikation” umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Erstellung der Form (112) einen Verfahrensschritt „Vorhaltemaß in das reale Werkzeug einbringen” umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Erstellung der Form einen Verfahrensschritt „Herstellung des Bauteils und Verifikation der Maßhaltigkeit” umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Erstellung der Form einen Verfahrensschritt „Abgleich mit benachbarten Bauteilen in der Simulation” umfasst.