DE102008040034A1

DE102008040034A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Blechbauteils

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Publication number: DE102008040034A1
Application number: DE200810040034
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Schreiber; Oliver KLÄGER; Christina Dr. Sunderkötter; Christoph Pichl; Roman Herstelle
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: DE102008040034B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils (100), welches erwärmt in einem SPF-Prozess umgeformt wird und an dem danach wenigstens ein Schneidvorgang zur Herstellung von Körperkanten durchgeführt wird. Es ist vorgesehen, dass das Blechbauteil (100) bei der Durchführung des Schneidvorganges zumindest in einem Teilbereich eine Temperatur aufweist, die höher ist als Raumtemperatur, wobei diese erhöhte Wärme zumindest teilweise dem Blechbauteil (100) zur Vorbereitung oder während des SPF-Prozesses zugeführt wurde. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und die Verwendung eines mit dem oben genannten Verfahren hergestellten Blechbauteils (100) als Karosseriebauteil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Blechbauteils, welches erwärmt in einem Superplastic-Forming-Prozess umgeformt wird und an dem danach wenigstens ein Schneidvorgang zur Herstellung von Körperkanten durchgeführt wird.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten Blechbauteils.
Blechbauteile, insbesondere Kraftfahrzeugteile, werden überwiegend durch Tiefzieh-, Stanz-, Biege- und/oder Rollvorgänge hergestellt. Sie bestehen überwiegend aus Stahl, wobei in weiterentwickelten Karosseriebauteilen auch Aluminium, Magnesium oder Kunststoffe oder daraus hergestellte Verbundwerkstoffe zum Einsatz kommen. Zur Herstellung komplizierter Bauteile bietet sich das Superplastic-Forming-Verfahren an. Dies kommt insbesondere bei der Herstellung von Karosseriebauteilen zum Einsatz, welche eine komplizierte Formgebung und damit einen hohen Verformungsgrad aufweisen. Wirtschaftlich einsetzbar ist das Superplastic-Forming-Verfahren insbesondere bei einer erhöhten Variantenvielfalt und einer damit verbundenen relativ geringen Stückzahl. Das Superplastic-Forming-Verfahren ist allerdings oftmals nicht derart exakt durchführbar, dass nach dessen Durchführung die Ränder des herzustellenden Blechbauteiles der gewünschten Endkontur beziehungsweise den gewünschten Endmaßen entsprechen. Zur Herstellung der Endkontur beziehungsweise Endmaße muss daher das im Superplastic-Forming-Verfahren bearbeitete Werkstück beschnitten werden.
Das Superplastic-Forming-Verfahren lässt sich mit Werkstoffen durchführen, die im Vergleich zum normalplastischen Zustand aufgrund einer extrem niedrigen Streckgrenze (Fließspannung) ein sehr hohes Formänderungsvermögen aufweisen. Dafür müssen diese Stoffe ein sehr homogenes und feinkörniges Gefüge aufweisen, zum Beispiel mit einem Korndurchmesser von < 10 μm. Bei der Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens muss die Umformtemperatur im Werkstück höher sein als die Hälfte der Schmelztemperatur des Werkstückes. Des Weiteren lässt sich das Superplastic-Forming-Verfahren nur mit kleinen Umformgeschwindigkeiten, zum Beispiel im Bereich von 10 – 5 s^–1 < φ . < 10 – 1 s^–1, durchführen.
Dadurch, dass die Streckgrenze der verwendeten Werkstoffe extrem niedrig ist, lassen sich Bauteile mit wesentlich höherem Umformgrad herstellen, als dies im normalplastischen Werkstoffzustand möglich ist.
Das Umformvermögen ist bei konventionellen Umformbedingungen auf Bruchdehnungen im Bereich von 50% beschränkt, was einem Umformgrad von φ ≈ 0,4 entspricht. Dagegen können bei Anwendung des Superplastic-Forming-Verfahrens Dehnungen superplastischer Blechwerkstoffe von bis zu 500% (φ ≈ 1,6) erreicht werden.
Zur Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens wird das zu bearbeitende Blech zwischen zwei Druckkammern geklemmt und anschließend mit einem Gasdruck beaufschlagt, der das Blech in eine als Kammer ausgestaltete Matrize derart drückt, dass es sich an die Kontur der Matrize anlegt und somit umgeformt wird. Die verringerte Streckgrenze ergibt sich durch die Temperaturerhöhung im Werkstück.
Es lässt sich somit durch das Superplastic-Forming-Verfahren eine komplexe Formgebung von Blechbauteilen bei relativ geringen Werkzeug- beziehungsweise Anlagekosten realisieren.
Wie bereits erwähnt, muss zur Herstellung der Endkontur beziehungsweise der Endmaße das Blechbauteil nach dem Superplastic-Forming-Verfahren beschnitten werden. Das Beschneiden kann dabei Scherschneiden oder Stanzen beziehungsweise Lochen umfassen. Das Scherschneiden weist einen umformenden und einen trennenden Verfahrensanteil auf. Beim Auftreffen des Stempels beziehungsweise der Schneide auf das Blech findet zuerst eine elastische Durchbiegung des Bleches statt, welche bei entsprechender größerer Beanspruchung in eine plastische Verformung übergeht, die Risse verursacht, die zum Abtrennen der Blechhälften voneinander führen. Einen wesentlichen Einfluss auf die benötigten Schneidkräfte und die Oberflächenqualität der Schnittkante haben dabei der Werkstoff des Bleches, die Dicke des Bleches und die Geometrie des Schneidspaltes. Die Fertigungsgenauigkeit verbessert sich bei einem engeren Schneidspalt. Allerdings werden bei Anwendung eines engen Schneidspaltes die Verformungen im Schneidspalt höher, weswegen aufgrund einer stärkeren Kaltverfestigung höhere Schneidkräfte zum Trennen des Materials benötigt werden. Weitere Faktoren, die sich auf den Schneidprozess auswirken, sind die Scherfestigkeit des Blechwerkstoffes, die Länge der Schnittlinie, die Länge des Schneidspaltes sowie die Geometrie der Schnittlinie, der Verschleißzustand und die Härte der Schneidwerkzeuge sowie der Schmierzustand zwischen Blechwerkstoff und Schneiden.
In dem koreanischen Dokument 10 200000 47 008 A wird ein Blechwerkstoff zu einem Halbzeug mechanisch vorgeformt und anschließend im Superplastic-Forming-Prozess der Endformung unterzogen. Mit diesem Verfahren lassen sich demzufolge nur Blechteile mit relativ großen Endmaßtoleranzen herstellen, da im Superplastic-Forming-Prozess schon aufgrund des Wärmeeintrages mit Verzug des Bauteils zu rechnen ist.
Eine heutzutage übliche Technik zum Schneiden beziehungsweise Beschneiden von Blechwerkstücken unter Umgehung der beim mechanischen Schneidvorgang auftretenden Probleme, wie zum Beispiel Kaltverfestigung, Schneidenverschleiß und hohen Anlagekosten, ist die Wasserstrahlschneidtechnik, wie zum Beispiel in der DE 10 2004 025 044 B3 beschrieben. Aufgrund der Behandlung mit Wasser weist das zu schneidende Werkstück relativ geringe Temperaturen auf.
Zur Herstellung der Endkonturen beziehungsweise der Endmaße in Verbindung mit dem Superplastic-Forming-Prozess ist es außerdem aus der DE 197 14 631 A1 bekannt, einem zu verformenden Blechbauteil vor Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens mit einem Laser oder mechanischen Schneidelementen eine Kontur zu geben, welche nach Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens der Endkontur beziehungsweise den Endmaßen entspricht. Dieses Verfahren birgt den Nachteil, dass relativ starke Abweichungen des Ist-Maßes vom Soll-Maß bei Verformungen mit hohem Umformgrad aufgrund des dabei möglicherweise unterschiedlichen Fließverhaltens des Werkstückes je beanspruchtem Werkstückbereich auftreten können. Das heißt, dass bei der in diesem Dokument dargestellten Methode die Wahrscheinlichkeit relativ hoch ist, dass nach dem Superplastic-Forming-Prozess Nachbearbeitungen nötig sind, um exakte Endmaße zu erreichen.
Wie in der DE 198 06 761 A1 dargestellt, bietet es sich also an, nach der Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens das Werkstück auf Endmaß zu beschneiden. Es lassen sich somit Bauteile herstellen, die eine komplexe Formgebung mit einem hohen Umformgrad mit Endmaßen in sehr engen Toleranzbereichen aufweisen. Insbesondere derartige Bauteile lassen sich vorteilhaft als hochwertige Karosseriebauteile einsetzen. Nachteilig an dem in diesem Dokument dargestellten Verfahren ist allerdings, dass aufgrund der nacheinander zu erfolgenden Bearbeitungsschritte des Superplastic-Forming-Prozesses und des Beschneidens eine relativ hohe Taktzeit benötigt wird, was sich ungünstig auf die gesamte Fertigungszeit und damit auf die Fertigungskosten auswirkt. Außerdem werden zur Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte mehrere Werkzeuge beziehungsweise Anlagen benötigt, die relativ große Kräfte aufbringen müssen und demzufolge einen erhöhten Energiebedarf aufweisen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Blechbauteils zur Verfügung zu stellen, mittels derer das Blechbauteil kostengünstig und hinsichtlich der Fertigungszeit optimiert herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 genannte Verfahren gelöst. Außerdem wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 10 genannte Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 11 bis 19 angegeben. Außerdem ist im Anspruch 20 die erfindungsgemäße Verwendung eines herstellungsgemäßen Bauteils genannt.
Es wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils zur Verfügung gestellt, welches erwärmt in einem Superplastic-Forming-Prozess umgeformt wird und an dem danach wenigstens ein Schneidvorgang zur Herstellung von Körperkanten durchgeführt wird, wobei das Blechbauteil bei der Durchführung des Schneidvorganges zumindest in einem Teilbereich eine Temperatur aufweist, die höher ist als die Raumtemperatur, wobei diese erhöhte Wärme zumindest teilweise dem Blechbauteil zur Vorbereitung oder während des Superplastic-Forming-Prozesses zugeführt wurde.
Hinsichtlich der Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses wird hiermit auf die Merkmale des in der DE 198 06 761 A1 offenbarten Verfahrens verwiesen, so dass die Offenbarung dieses Dokuments als Teil der Beschreibung der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens anzusehen ist.
Das Besondere bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist, dass im Schneidprozess die Wärme des Blechbauteils, welches diese im Superplastic-Forming-Prozess erhalten hat, ausgenutzt wird. Die erhöhte Wärme ist dabei Wärmeenergie, die dem Blechbauteil zugeführt wurde.
Die Erhöhung der Temperatur des Blechbauteils hängt vom Maß der zugeführten Wärmemenge sowie von der Masse und der spezifischen Wärmekapazität des Blechbauteils ab. Da sich weder die Masse noch die spezifische Wärmekapazität während des Superplastic-Forming- Prozesses ändert, ist somit die Änderung der Temperatur des Bauteils proportional zur Wärme, die in das Bauteil eingetragen wird. Die Temperatur des Blechbauteils während des Schneidvorgangs liegt erfindungsgemäß über der Raumtemperatur, also über der während des Schneidvorgangs herrschenden üblichen Umgebungstemperatur. Das heißt, dass der Beschnittprozess im warmen Zustand durchgeführt wird. Auf diese Weise können die Schnittkräfte herabgesetzt werden, da die Scherfestigkeit aufgrund der höheren Bauteiltemperatur wesentlich verringert ist. Die Herabsetzung der Schnittkräfte ermöglicht den Einsatz von Maschinen und Anlagen mit geringerer Leistung, was sich vorteilhaft auf die Anlagekosten sowie den Energieverbrauch auswirkt. Des Weiteren wird der Verschleiß der Schneidelemente gemindert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die gesamte Taktzeit zur Herstellung des Blechbauteiles verringert wird, da auf eine Verweildauer des Werkstückes zwischen den Verfahrensschritten des Superplastic-Forming-Prozesses und dem Beschneiden verzichtet wird.
Der Schneidvorgang kann sowohl den Ränderbeschnitt und/oder das Stanzen oder Lochen des Blechbauteiles umfassen.
Die Temperatur des Blechbauteiles sollte dabei so hoch wie möglich sein, das heißt, die Wärmeenergie aus dem Superplastic-Forming-Prozess sollte maximal ausgenutzt werden. Dabei sollte wenigstens ein Teil der im Blechbauteil vorhandenen Wärme beim Schneidvorgang diesem bereits im Superplastic-Forming-Prozess eingetragen worden sein. In dem Fall, in dem eine weitere Erwärmung zur Verringerung der erforderlichen Schneidkräfte vorteilhaft ist, kann diese zusätzliche Erwärmung auch durch weitere Heizeinrichtungen durchgeführt werden. Das heißt, dass zusätzlich zum im Superplastic-Forming-Prozess erfolgten Wärmeeintrag vor dem Schneidvorgang ein weiterer Wärmeeintrag vorgenommen werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass wenigstens ein Schneidvorgang am Blechbauteil im Werkzeug zur Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses erfolgt. Das heißt, dass Schneiden oder Schneidstempel eines Schneidwerkzeuges in das Superplastic-Forming-Werkzeug einfahren und das im Superplastic-Forming-Werkzeug aufgenommene Blechbauteil am Ort seiner Verformung beschneiden oder lochen. Der Vorteil dieser Verfahrensvariante ist, dass das Werkstück nach seiner Verformung wenig Wärme bis zum Schneidvorgang verliert, insbesondere keine Wärme durch Entnahme und Einlegen des Werkstückes sowie Positionieren und Festspannen in einer extra Schneideinrichtung verliert. Dass nach dem Schneidvorgang im Superplastic-Forming-Werkzeug noch weitere Schneidvorgänge, gegebenenfalls außerhalb des Superplastic-Forming-Werkzeuges, vorgenommen werden, soll hierbei nicht ausgeschlossen werden.
In einer anderen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass der Schneidvorgang am Blechbauteil nach Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses außerhalb des Superplastic-Forming-Werkzeuges erfolgt. Das bedeutet, dass das Werkstück nicht im Superplastic-Forming-Werkzeug beschnitten oder gelocht wird, sondern dass der Schneidvorgang außerhalb des Superplastic-Forming-Werkzeuges erfolgt, nämlich in einer extra vorgesehenen Schneideinrichtung. Das Verfahren wird hierbei aber derart durchgeführt, dass das Blechbauteil beim Einlegen und Beschneiden in der Schneideinrichtung Restwärme aufweist, die ihm im Superplastic-Forming-Prozess zugeführt wurde.
Das heißt, dass das Verfahren derart ausgestaltet sein kann, dass das Schneidwerkzeug in das Superplastic-Forming-Werkzeug einfährt und das dort angeordnete Werkstück beschneidet oder dass das Schneidwerkzeug das Blechbauteil in einer extra vorgesehenen Schneideinrichtung beschneidet. Beiden Verfahrensvarianten ist gemeinsam, dass das Blechbauteil bei der Durchführung des Schneidvorganges eine Temperatur aufweist, die höher ist als die Umgebungstemperatur und somit höher ist als eine Temperatur, die das Blechbauteil bei vollständiger Abkühlung auf Umgebungsniveau hätte. Die Vorteile des Verfahrens liegen wie bereits erwähnt darin, dass das erwärmte Blechbauteil eine verringerte Scherfestigkeit aufweist und somit die erforderlichen Schneidkräfte verringert sind und die Taktzeit verkürzt werden kann.
Es kann das Verfahren dabei derart ausgestattet sein, dass die erhöhte Temperatur des Blechbauteils beim Schneidvorgang zumindest teilweise durch die Zuführung von Wärme aus einem ein Schneidwerkzeug kontaktierenden Wärmespeicher bewirkt wird, wobei die Wärme im Wärmespeicher ausschließlich aus der Wärme eines Blechbauteils im Superplastic-Forming-Prozess gewonnen wird. Insbesondere zur Durchführung der Verfahrensvariante, in der das Blechbauteil im Superplastic-Forming-Werkzeug beschnitten wird, ist somit der Wärmespeicher auch in unmittelbarer Nähe zum Superplastic-Forming-Werkzeug angeordnet. Das heißt, dass die vom Superplastic-Forming-Werkzeug während des Superplastic-Forming-Prozesses abgegebene Wärme vom Wärmespeicher gespeichert werden kann und zur Aufrechterhaltung einer bestimmten erhöhten Temperatur des Blechbauteils beim Schneidvorgang im Superplastic-Forming-Werkzeug dienen kann. In der Verfahrensvariante, in der das Blechbauteil außerhalb des Superplastic-Forming-Werkzeuges beschnitten wird, ist der Wärmespeicher in unmittelbarer Nähe zu der extra vorgesehenen Schneideinrichtung angeordnet, um die während des Superplastic-Forming-Prozesses gespeicherte Wärmemenge während des Schneidvorganges an das Blechbauteil abgeben zu können. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass der Wärmespeicher lediglich am Superplastic-Forming-Werkzeug angeordnet ist, um, als Isolator wirkend, die Wärmeenergie, die im Superplastic-Forming-Prozess freigesetzt wird, im Superplastic-Forming-Werkzeug zu halten und somit zur Bearbeitung nachfolgender Blechbauteile im Superplastic-Forming-Werkzeug zur Verfügung zu stellen.
Aufgrund der Anordnung des Wärmespeichers kann somit die Wärme, die durch den Wärmespeicher in ein Blechbauteil während des Schneidvorgangs an einem Bauteil eingetragen wird, nicht nur aus dem Superplastic-Forming-Prozess zur Herstellung desselben Bauteils stammen, sondern es kann auch Wärme sein, die bei der Bearbeitung vorhergehender Blechbauteile in den Wärmespeicher eingetragen wurde.
Vorteilhafterweise ist das Verfahren derart ausgestaltet, dass die im Blechbauteil gespeicherte Wärme, die eine Temperaturdifferenz des Blechbauteils zur Raumtemperatur bewirkt, dem Blechbauteil ausschließlich im Superplastic-Forming-Prozess zugeführt wird. Das heißt, dass auf die Anordnung einer weiteren Erwärmungseinrichtung verzichtet wird, so dass sämtliche im Blechbauteil enthaltene Wärme über Raumtemperatur aus dem Superplastic-Forming-Vorgang stammt.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Blechbauteile sollten bevorzugt aus einem der Werkstoffe AZ31, AZ91, EN-AW-5754 oder EN-AW-5083 bestehen. Das heißt, dass bevorzugt Magnesiumlegierungen wie AZ31 mit 3% Aluminium, 0,88% Zink, 0,33% Mangan und Rest Aluminium oder auch AZ91 mit 9% Aluminium, 0,8% Zink und Rest Magnesium als Werkstoff für das Blechbauteil eingesetzt werden sollten. Des Weiteren lassen sich Aluminium-Legierungen wie zum Beispiel EN-AW-5754 mit 2,6% AlMg3, 3,4% Magnesium und dem Rest Aluminium oder auch EN-AW-5083 mit AlMg4, 5Mn0,7 im Bereich von 4–4,9% einsetzen.
Vorteilhafterweise sollte der Schneidvorgang am Blechbauteil bei einer Temperatur des Blechbauteils erfolgen, die höher ist als die Raumtemperatur. Mit Raumtemperatur ist hierbei eine durchschnittliche Umgebungstemperatur von 18–20°C gemeint. Die sich durch die erhöhte Temperatur des Blechbauteils ergebenden Vorteile wurden bereits erwähnt, sie bestehen im Wesentlichen aus der verringerten Scherfestigkeit des Blechwerkstoffes und somit des verringerten Widerstandes gegen Eindringen der Schneiden in den Werkstoff. Dies ermöglicht die Verringerung des Schneidspaltes und somit eine bessere Oberflächenqualität der Schneidkante sowie auch die Verringerung der Anlagekosten. Außerdem wird die Taktzeit zur Herstellung des Blechbauteiles dadurch verringert, dass keine Abkühlzeit nach dem Superplastic-Forming-Prozess mehr benötigt wird. Das Blechbauteil sollte nach Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses so wenig Wärme wie möglich verlieren. Das heißt, dass das Werkstück beim Schneidvorgang eine Temperatur aufweisen sollte, die ebenfalls, wie bei der Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens, höher ist als die Hälfte der Schmelztemperatur des Werkstoffes des Blechbauteils.
Zur energetisch optimierten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist des Weiteren vorgesehen, dass während des Abkühlens des Blechbauteils freigesetzte Wärme durch eine Wärmepumpe aufgenommen wird und zumindest teilweise dem Superplastic-Forming-Werkzeug und/oder einer Schneideinrichtung zur Verfügung gestellt wird. Das heißt, dass die vom Blechbauteil an die Umgebung abgegebene Wärme einer Wärmepumpe zugeführt wird, die wiederum diese Wärme an das Superplastic-Forming-Werkzeug weiterleitet, damit weniger Energie zur Erwärmung des Superplastic-Forming-Werkzeuges in dieses von außen eingetragen werden muss.
In der Verfahrensvariante, in welcher der Schneidvorgang im Superplastic-Forming-Werkzeug ausgeführt wird, ist vorgesehen, dass die Förderung der vom Blechbauteil abgegebenen Wärme durch die Wärmepumpe in das Superplastic-Forming-Werkzeug erfolgt. Dasselbe lässt sich auch bei der Schneideinrichtung vornehmen, in welcher extern das erwärmte Blechbauteil beschnitten werden kann.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt, dass nach Abschluss des Superplastic-Forming-Prozesses im Superplastic-Forming-Werkzeug der Niederhalter des Superplastic-Forming-Werkzeuges gegen ein Schneidwerkzeug ausgetauscht wird und danach der Schneidvorgang am Blechbauteil im Superplastic-Forming-Werkzeug mit dem Schneidwerkzeug vorgenommen wird. Der Austausch des Niederhalters mit dem Schneidwerkzeug kann mittels einer Wechseleinrichtung vorgenommen werden, welche das Schneidwerkzeug an einer Matrize des Superplastic-Forming-Werkzeuges platziert. Es reicht dabei aus, dass der Niederhalter des Superplastic-Forming-Werkzeuges derart weit von der Superplastic-Forming-Matrize entfernt wird, dass das Schneidwerkzeug in eine Position gelangen und in dieser fixiert werden kann, von der aus der Schneidvorgang vorgenommen werden kann.
Erfindungsgemäß wird zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung des Blechbauteils eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, welche eine Einrichtung zur Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses mit wenigstens einer formgebenden Matrize aufweist, wobei die Vorrichtung des Weiteren ein Schneidwerkzeug umfasst, mittels dessen ein durch das Superplastic-Forming-Werkzeug umgeformtes und in diesem aufgenommenes Blechbauteil schneidbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist also die Verfahrensvariante ausführbar, in der das Blechbauteil im Superplastic-Forming-Werkzeug beschnitten wird.
Das Werkzeug zur Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses umfasst vorteilhafterweise eine Matrize, an die sich das Blechbauteil bei Druckbeaufschlagung konturenfolgend anlegt und somit dauerhaft komplementär zur Kontur der Matrize umgeformt wird. Nach dem Umformprozess verbleibt das Blechbauteil im Superplastic-Forming-Werkzeug und wird dort unter Ausnutzung der Wärme des Superplastic-Forming-Prozesses beschnitten.
Es kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, dass das Schneidwerkzeug ein integraler Bestandteil des Niederhalters des Superplastic-Forming-Werkzeuges ist. Der Niederhalter dient zur Fixierung des Randes des umzuformenden Blechbauteils während des Superplastic-Forming-Prozesses und kann gegebenenfalls auch zur Fixierung des Blechbauteils während des Schneidvorganges dienen. Im Niederhalter des Superplastic-Forming-Werkzeuges können Führungen zur Lagerung und translatorischen Führung von Schneidmessern oder -stempeln angeordnet sein. Durch die Führungen können die Schneidelemente verschoben werden, um das Blechbauteil zu beschneiden beziehungsweise zu lochen. Diese Führungen für die Schneidelemente sind dabei neben Gaskanälen, die zur Gasdruckbeaufschlagung des Blechbauteils im Superplastic-Forming-Prozess dienen, angeordnet.
Alternativ zur Lagerung und Führung der Schneidelemente im Niederhalter des Superplastic-Forming-Werkzeuges kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass nach Wegnahme des Niederhalters des Superplastic-Forming-Werkzeuges das Schneidwerkzeug derart in Bezug zur Matrize des Superplastic-Forming-Werkzeuges positionierbar und fixierbar ist, dass mit ihm der Beschneidungsprozess des an der Matrize anliegenden Blechbauteils vornehmbar ist. Das heißt, dass der Niederhalter der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dieser Ausgestaltung der Vorrichtung durch ein gesondertes Schneidwerkzeug ersetzbar ist.
Zum Ersetzen des Niederhalters ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Wechseleinrichtung umfasst, mittels derer die Wegnahme des Niederhalters gleichzeitig mit der Positionierung und Fixierung des Schneidwerkzeuges realisierbar ist. Eine derartige Wechseleinrichtung kann zum Beispiel eine Dreheinrichtung sein, die den Niederhalter von der Matrize weg schwenkt und gleichzeitig die Schneideinrichtung an die ursprüngliche Position des Niederhalters heranschwenkt.
Vorteilhafterweise ist das Schneidwerkzeug derart ausgestaltet, dass es eine Führungsplatte umfasst, die zur Positionierung von Schneidelementen dient, wobei die Wechseleinrichtung derart ausgestaltet ist, dass durch sie die Führungsplatte an der Stelle des Niederhalters des Superplastic-Forming-Werkzeuges positionierbar und fixierbar ist. Das heißt, dass mittels der Wechseleinrichtung der Niederhalter des Superplastic-Forming-Werkzeuges mit der Führungsplatte des Schneidwerkzeuges ausgetauscht werden kann.
Die Führungsplatte kann dabei derart ausgestaltet sein, dass in ihr die Schneidelemente translatorisch verschiebbar angeordnet sind. In dieser Ausgestaltung der Schneideinrichtung sind die translatorisch gelagerten Schneidelemente bevorzugt pneumatisch antreibbar, so dass die zur Gasdruckerzeugung im Superplastic-Forming-Werkzeug vorgehaltene Technik ebenfalls zur Bewegung der Schneidelemente genutzt werden kann.
In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Führungsplatte derart ausgestaltet ist, dass die Schneidelemente an der Führungsplatte fest angeordnet sind und die Vorrichtung des Weiteren eine Schubeinrichtung aufweist, mittels derer die Führungsplatte in Schneidrichtung translatorisch verschiebbar ist, Das heißt, dass keine Relativbewegung zwischen Führungsplatte und Schneidelementen stattfindet, sondern dass die fest an der Führungsplatte angeordneten Schneidelemente zusammen mit der Führungsplatte bewegt werden und somit den Schneidvorgang bewirken.
Zur Verhinderung von ungewolltem Verzug des Blechbauteils beim Schneidvorgang ist des Weiteren vorgesehen, dass an der Führungsplatte Stützen angeordnet sind. Diese Stützen zur Verhinderung des Verzuges dienen somit als einzelne Niederhalter zur Niederhaltung des Blechbauteils an die Matrize während des Schneidvorganges.
Zur energetisch optimierten Ausführung des Verfahrens kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die Vorrichtung in unmittelbarer Nähe der Matrize einen Wärmespeicher zur Speicherung wenigstens eines Teils der aus dem Superplastic-Forming-Werkzeug an die Umgebung abgegebenen Wärme angeordnet ist. Vorzugsweise sollte der Wärmespeicher die Matrize zur Realisierung eines optimalen Wärmeüberganges kontaktieren. Wie bereits in Bezug auf das Verfahren beschrieben, Lässt sich durch den Wärmespeicher vom Blechbauteil beziehungsweise während des Superplastic-Forming-Prozesses abgegebene Wärme zur Temperaturerhöhung beziehungsweise Haltung eines erhöhten Temperaturniveaus des Blechbauteils oder auch weiterer, nachfolgend zu bearbeitender Blechbauteile verwenden.
Außerdem kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie eine Wärmepumpe zur Aufnahme von Restwärme aus dem Superplastic-Forming-Prozess und zum Eintrag dieser Wärme in ein Blechbauteil aufweist. Das heißt, dass die Wärmepumpe Wärme aufnimmt, die ansonsten vom Blechbauteil beziehungsweise vom Superplastic-Forming-Werkzeug an die Umgebung abgegeben werden würde, und führt diese Wärme wieder der Vorrichtung zur zusätzlichen Erwärmung eines nachfolgend zu bearbeitenden Blechbauteils zu.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines Blechbauteils, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, als Karosseriebauteil.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit am Superplastic-Forming-Werkzeug angesetztem Niederhalter, und
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit am Superplastic-Forming-Werkzeug angesetztem Schneidwerkzeug.
Wie in 1 ersichtlich, befindet sich das zu verformende Blechbauteil 100 zur Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses zwischen der Matrize 210 und dem Niederhalter 220 des Superplastic-Forming-Werkzeuges 200. Durch Einfüllung eines unter hohem Überdruck stehenden Gases durch den Gaskanal 221 im Niederhalter 220 in die Matrize 210 wird das Blechbauteil 100 dauerhaft verformt, wie in 2 dargestellt.
Das Schneidwerkzeug 300 ist bei Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses neben dem Superplastic-Forming-Werkzeug 200 angeordnet. Das Schneidwerkzeug 300 umfasst eine Führungsplatte 310, an der Schneidstempel 320 sowie Stützen 330 zur Verhinderung von Verzug des Blechbauteils beim Schneidvorgang angeordnet sind.
Der wesentliche Verfahrensschritt des Beschneidens des Blechbauteils 100 im Superplastic-Forming-Werkzeug 200 wird nun anhand von 2 erläutert. Nachdem im Superplastic-Forming-Prozess das Blechbauteil 100 derart verformt wurde, dass es sich an die Kontur der Matrize 210 angelegt hat, wird mittels der Wechseleinrichtung 400 der Niederhalter 220 gegen das Schneidwerkzeug 300 ausgetauscht. Dabei vollzieht die Wechseleinrichtung 400, wie mit den ringförmigen Pfeilen angedeutet, eine Drehbewegung zum Austausch der genannten Vorrichtungselemente. Nach Platzierung des Schneidwerkzeuges 300 beziehungsweise dessen Führungsplatte 310 an die Stelle des Niederhalters 220 werden die Schneidstempel 320 in Richtung der Matrize 210 bewegt, so dass sie das Blechbauteil 100 durchstoßen und in die in der Matrize 210 vorgesehenen Einfahröffnungen 211 einfahren. Dadurch wird das Blechbauteil 100 gelocht beziehungsweise am Rand beschnitten. Zur Verhinderung übermäßigen Verzugs beim Schneidvorgang sind an der Führungsplatte 310 Stützen 330 angeordnet, die als Niederhalter auf das Blechbauteil 100 während des Schneidvorganges wirken. Zum Einfahren der Schneidstempel in das Superplastic-Forming-Werkzeug 200 beziehungsweise in das Blechbauteil 100 müssen die Schneidstempel 320 translatorisch bewegt werden. Dies lässt sich durch eine Relativverschiebung der Schneidstempel 320 in Bezug zur Führungsplatte 310 erreichen, in der die Schneidstempel 320 in Führungen (nicht dargestellt) gelagert sind und zum Beispiel pneumatisch angetrieben sind.
In einer Alternative dazu lassen sich die Schneidstempel 320 zusammen mit der Führungsplatte 310 translatorisch bewegen, um somit den Schneidvorgang zu realisieren. Zu diesem Zweck ist an der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Schubeinrichtung (nicht dargestellt) angeordnet, welche den translatorischen Versatz der Führungsplatte 310 mitsamt der Schneidstempel 320 bewirken kann.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, ist an der Oberseite der Matrize 210 des Superplastic-Forming-Werkzeuges 200 ein Wärmespeicher angeordnet, der zur Aufnahme von während des Superplastic-Forming-Prozesses an die Umgebung abgegebener Wärme dient. Die im Wärmespeicher 500 gespeicherte Wärme lässt sich dem Blechbauteil 100 beziehungsweise dem Superplastic-Forming-Werkzeug 200 vor und/oder während des anschließenden Schneidvorganges zuführen, um die Temperatur des Blechbauteils 100 auf einem hohen Niveau zu halten. Dabei wird nicht nur die Wärme verwertet, die bei der Herstellung des zu beschneidenden Blechbauteils 100 anfiel, sondern der Wärmespeicher kann auch die Energie von Superplastic-Forming-Prozessen zur Bearbeitung vorhergehender Blechbauteile speichern und zur Wiederverwendung bereitstellen.
Es ist außerdem in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass an einer Isolierung 340, welche die Schneidstempel 320 des Schneidwerkzeuges 300 in der Stellung während der Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses umgibt, eine Wärmepumpe 600 angeschlossen ist, mittels derer die von dem Schneidwerkzeug 300 abgegebene Wärme, die dem Schneidwerkzeug während des Schneidvorganges des vorhergehenden Blechbauteiles zugeführt wurde, abgeleitet und dem Superplastic-Forming-Werkzeug 200 und/oder dem daran angeordneten Wärmespeicher 500 zur Verfügung gestellt wird. Dadurch lässt sich in energetisch effizienter Weise das Temperaturniveau im Superplastic-Forming-Werkzeug während des Schneidvorganges erhöhen beziehungsweise halten.
Es lässt sich somit mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Blechbauteil unter Ausnutzung der im Superplastic-Forming-Prozess anfallenden Wärme unter Aufbringung von verringerten Schnittkräften und innerhalb kürzerer Taktzeiten kostengünstig fertigen.

100: Blechbauteil
200: SPF-Werkzeug
210: Matrize
211: Einfahröffnung
220: Niederhalter
221: Gaskanal
300: Schneidwerkzeug
310: Führungsplatte
320: Schneidstempel
330: Stützen
340: Isolierung
400: Wechseleinrichtung
500: Wärmespeicher
600: Wärmepumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- KR 1020000047008 A [0010]
- DE 102004025044 B3 [0011]
- DE 19714631 A1 [0012]
- DE 19806761 A1 [0013, 0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- EN-AW-5754 [0028]
- EN-AW-5083 [0028]
- EN-AW-5754 [0028]
- EN-AW-5083 [0028]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils (100), welches erwärmt in einem SPF-Prozess umgeformt wird und an dem danach wenigstens ein Schneidvorgang zur Herstellung von Körperkanten durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechbauteil (100) bei der Durchführung des Schneidvorganges zumindest in einem Teilbereich eine Temperatur aufweist, die höher ist als Raumtemperatur ist, wobei diese erhöhte Wärme zumindest teilweise dem Blechbauteil (100) zur Vorbereitung oder während des SPF-Prozesses zugeführt wurde.
Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schneidvorgang am Blechbauteil (100) im Werkzeug zur Durchführung des SPF-Prozesses erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidvorgang am Blechbauteil (100) außerhalb des SPF-Werkzeuges erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Temperatur des Blechbauteils (100) beim Schneidvorgang zumindest teilweise durch die Zuführung von Wärme aus einem ein Schneidwerkzeug (300) kontaktierenden Wärmespeicher (500) bewirkt wird, wobei die Wärme im Wärmespeicher (500) ausschließlich aus der Wärme eines Blechbauteils (100) im SPF-Prozess gewonnen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Blechbauteil (100) gespeicherte Wärme, die eine Temperaturdifferenz des Blechbauteils (100) zur Raumtemperatur bewirkt, dem Blechbauteil (100) ausschließlich im SPF-Prozess zugeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechbauteil (100) aus einem der Werkstoffe AZ31, AZ91, EN-AW-5754 oder EN-AW 5083 besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schneidvorgang das Blechbauteil (100) eine Temperatur aufweist, die höher ist als Raumtemperatur.
Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass während des Abkühlens des Blechbauteils (100) freigesetzte Wärme durch eine Wärmepumpe (600) aufgenommen und zumindest teilweise dem SPF-Werkzeug und/oder einer Schneideinrichtung zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführung des SPF-Prozesses im SPF-Werkzeug der Niederhalter des SPF-Werkzeuges gegen ein Schneidwerkzeug (300) ausgetauscht wird und danach der Schneidvorgang am Blechbauteil (100) im SPF-Werkzeug mit dem Schneidwerkzeug (300) vorgenommen wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 9, welche eine Einrichtung zur Durchführung des SPF-Prozesses mit wenigstens einer formgebenden Matrize aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Schneidwerkzeug (300) umfasst, mittels dessen ein mittels des SPF-Werkzeuges umgeformtes und in diesem aufgenommenes Blechbauteil (100) schneidbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug (300) integraler Bestandteil des Niederhalters (220) des SPF-Werkzeuges ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach Wegnahme des Niederhalters (220) des SPF-Werkzeuges das Schneidwerkzeug (300) derart in Bezug zur Matrize (210) positionierbar und fixierbar ist, dass mit ihm der Beschneidungsprozess des an der Matrize (210) anliegenden Blechbauteils (100) vornehmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Wechseleinrichtung (400) umfasst, mittels derer die Wegnahme des Niederhalters (220) gleichzeitig mit der Positionierung und Fixierung des Schneidwerkzeuges (300) realisierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug (300) eine Führungsplatte (310) umfasst, die zur Positionierung von Schneidelementen dient, wobei die Wechseleinrichtung (400) derart ausgestaltet ist, dass durch sie die Führungsplatte (310) an der Stelle des Niederhalters (220) des SPF-Werkzeuges positionierbar und fixierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsplatte (310) derart ausgestaltet ist, dass in ihr die Schneidelemente translatorisch verschiebbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsplatte (310) derart ausgestaltet ist, dass die Schneidelemente an der Führungsplatte (310) fest angeordnet sind und die Vorrichtung des Weiteren eine Schubeinrichtung aufweist, mittels derer die Führungsplatte (310) in Schneidrichtung translatorisch verschiebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an der Führungsplatte (310) Stützen zur Verhinderung von Verzug des Blechbauteils (100) beim Schneidvorgang angeordnet sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in unmittelbarer Nähe der Matrize (210) ein Wärmespeicher (500) zur Speicherung wenigstens eines Teiles der aus dem SPF-Werkzeug an die Umgebung abgegebenen Wärme angeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren eine Wärmepumpe (600) aufweist zur Aufnahme von Restwärme aus dem SPF-Prozess und zum Eintrag von Wärme in ein Blechbauteil (100).
Verwendung eines mit dem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellten Blechbauteils (100) als Karosseriebauteil.