DE102008051471B4

DE102008051471B4 - Verfahren zur Erwärmung von Blechteilen

Info

Publication number: DE102008051471B4
Application number: DE102008051471A
Authority: DE
Inventors: Michael Braun; Manfred Beck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2028-10-01
Also published as: DE102008051471A1

Abstract

Verfahren zur Erwärmung einer Warmumformung und Presshärtung zu unterziehender Blechteile, insbesondere Blechzuschnitte (1), dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer gewünschten Temperaturverteilung im Blechteil in verschiedenen Bereichen (5, 6) des Blechteils auf induktivem Wege unterschiedliche, auf die Masse (m) und spezifische Wärme (c) der betreffenden Bereiche (5, 6) bezogene Wärmemengen (ΔQ) erzeugt werden, derart, dass in ausgewählten, zur anschließenden Presshärtung vorgesehenen Bereichen eine Endtemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur eingestellt wird, während andere Bereiche unterhalb dieser Temperatur bleiben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung einer Warmumformung oder/und Presshärtung zu unterziehender Blechteile, insbesondere Blechzuschnitte.
Der Warmumformung von Blechteilen geht ein verhältnismäßig langwieriger Erwärmungsprozess voran. Um einer Umformeinrichtung Blechteile in genügend schneller Folge zuzuführen, werden herkömmlich zur gleichzeitigen Erwärmung mehrerer Blechteile geeignete Ofen mit einer längeren Durchlaufstrecke eingesetzt. Die Blechteile erreichen dann jeweils am Ende der Durchlaufstrecke die für die Wormumformung erforderliche Endtemperatur. Die Abmessungen der verwendeten Öfen sind verhältnismäßig groß. Der Erwärmungsprozess erfordert deshalb weit mehr Produktionsfläche als die eigentliche Warmumformung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den zur Warmumformung oder/und Presshärtung von Blechteilen erforderlichen Produktionsaufwand zu verringern und insbesondere ein für die Verarbeitung von Blechteilen in großer Stückzahl geeignetes Erwärmungsverfahren zu schaffen.
Das diese Aufgabe lösende Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer gewünschten Temperaturverteilung im Blechteil in verschiedenen Bereichen des Blechteils auf induktivem Wege unterschiedliche, auf die Masse (m) und spezifische Wärme (c) der betreffenden Bereiche bezogene Wärmemengen erzeugt werden.
Gemäß der Erfindung erfolgt eine ggf. schnelle Erwärmung auf induktivem Wege, wobei die induktive Wärmeerzeugung bereichsweise derart unterschiedlich durchgeführt wird, dass sich eine gewünschte Temperaturverteilung einstellt.
In vielen Fällen wird eine über das gesamte Blechteil gleichmäßige Temperaturverteilung angestrebt, wozu, insbesondere in Randbereichen entsprechend größere Wärmemengen zu erzeugen sind, um die gleiche Temperaturerhöhung wie in Bereichen geringerer Wärmeableitung zu erzielen.
Eine gleichmäßige Temperaturverteilung ist vor allem bei hohem Umformgrad der Blechteile erforderlich. Gleichmäßige Temperaturverteilungen lassen sich bei entsprechender, auf die Masse und spezifische Wärme bezogener Wärmeerzeugung auch in Blechzuschnitten mit unterschiedlichen Materialdicken oder unterschiedlichen Materialien erreichen.
Auf die verschiedenen Bereiche können, ggf. gleichzeitig, mehrere in ihrer Heizleistung unterschiedlich eingestellte Teile einer Induktionsheizeinrichtung einwirken oder/und während eines Durchlaufs des Blechteils durch eine nur einen Teilbereich des Blechteils erfassende Induktionseinrichtung die Heizleistung der Induktionsheizeinrichtung verstellt wird.
In letzterem Fall wird eine gewünschte Temperaturverteilung im Blechteil also dadurch erzeugt, dass ein Induktionsfeld einer Induktionsheizeinrichtung, das nur einen Teil der Gesamtfläche des Blechteils abdeckt, relativ zum Blechteil unter Erfassung unterschiedlicher Bereiche des Blechteils bewegt und während der Bewegung die Wärmeerzeugungsleistung entsprechend der gewünschten Temperaturverteilung verändert wird.
In den verschiedenen Bereichen des Blechteils kann ferner Wärme entsprechend einer gewünschten Zeitfunktion des Temperaturanstiegs in diesen Bereichen erzeugt werden, wobei der Anstieg auf eine gewünschte Endtemperatur z. B. zwischen zwei vorgegebenen Zeitgrenzen abgeschlossen ist. Die Einhaltung bestimmter Temperaturzeitfunktionen ist insbesondere in Verbindung mit dem Presshärten von Bedeutung. Die Erwärmung des Blechteils kann ferner mit stufenweise steigender Temperatur erfolgen. Insbesondere bei der Bearbeitung von Blechteilen mit Überzügen kommt eine stufenweise Aufheizung in Betracht, um Zeiträume zu schaffen, in denen zwischen dem Überzug und der Unterlage eine Haftung bzw. Verbindung des Überzugs gewährleistende Diffusion stattfinden kann.
Während es möglich wäre, die Erwärmung der umzuformenden Blechteile nur zum Teil auf induktivem Wege durchzuführen, erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der gesamte Aufheizvorgang auf die für die Warmumformung erforderliche Endtemperatur durch Induktion. Alternativ könnte z. B. nur einer von mehreren Erwärmungsschritten auf induktivem Wege erfolgen. Gegebenenfalls kann eine Kombination mehrerer unterschiedlicher Erwärmungsverfahren, darunter z. B. eine konduktive Erwärmung, vorteilhaft sein.
Mehrere Induktionsheizeinrichtungen können hintereinander oder/und übereinander angeordnet werden. Insbesondere kann die Erwärmung mit stufenweise steigender Temperatur durch mehrere, ggf. unterschiedliche solche Induktionsheizeinrichtungen erfolgen.
Die Induktionsheizeinrichtung kann platzsparend in das Umformwerkzeug integriert oder wenigstens im Einbauraum für die Umformpresse angeordnet werden. Vorteilhaft geht auf dem Weg zur Umformpresse keine Wärme verloren.
Zweckmäßig wird die Induktionsheizeinrichtung mit einer wärmeisolierenden Umhausung versehen, durch welche die Wärmeabgabe und damit die erforderliche Wärmeerzeugung gering gehalten werden können.
Zweckmäßig wird das erwärmte Blechteil auf dem Wege zum Umformwerkzeug wärmeerhaltenden Maßnahmen, z. B. Wärmeisolation oder -zufuhr, ausgesetzt, um die erreichte Endtemperatur zu halten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung zur Erläuterung der bereichsweisen Aufheizung eines Blechzuschnitts,
2 einen Blechzuschnitt mit unterschiedlichen Materialstärken,
3 unterschiedliche Ausführungsbeispiele für die Aufteilung eines Blechzuschnitts in unterschiedliche Erwärmungsbereiche,
4 eine Anordnung hintereinander geschalteter induktiver Aufheizeinrichtungen,
5 eine Anordnung übereinander angeordneter induktiver Aufheizeinrichtungen, und
6 eine weitere Anordnung übereinander angeordneter induktiver Aufheizeinrichtungen zum stufenweisen Aufheizen von Blechteilen.
Ein in 1 gezeigter Blechzuschnitt 1 dient der Herstellung einer B-Säule einer Fahrzeugkarosserie durch Warmumformung.
Die Erwärmung des Blechzuschnitts 1 erfolgt mit Hilfe einer (schematisch dargestellten) Induktionseinrichtung 2. Die Induktionseinrichtung weist zwei voneinander getrennt einstellbare Induktionsfelder 3 und 4 auf, welche auf verschiedene Bereiche 5 und o des Blechzuschnitts 1 einwirken. Durch die Induktionsheizeinrichtung 2 werden in den Bereichen 5 und 6 Spannungen induziert, die Wirbelströme erzeugen, welche über den elektrischen Widerstand des Blechmaterials in Wärme umgesetzt werden.
Die beschriebene Einteilung in getrennt voneinander einstellbare Induktionsfelder ist wohl gemerkt nur beispielhaft. Anzahl und Geometrie solcher Felder können variieren. Die verschiedenen Felder und Einstellmöglichkeiten unterschiedlicher Wärmeerzeugungsleistungen können auf unterschiedliche Weise realisiert sein, z. B. durch unterschiedliche Abstände zwischen dem Blechteil und den Felderzeugungsspulen, unterschiedliche Feldwechselfrequenzen, unterschiedliche Erzeugungsströme und dergleichen.
Geometrisch bedingt unterliegen die Bereiche 5 und 6 des Blechzuschnitts 1 unterschiedlicher Wärmeabgabe durch Ableitung und Abstrahlung. Würde nur ein einziges, gerade die Gesamtfläche des Blechzuschnitts 1 abdeckendes Induktionsfeld verwendet, so unterlägen die Bereiche 5 und 6 auch unterschiedlicher Wärmeaufnahme. Die Induktionsfelder 3 und 4 der Induktionsheizeinrichtung 2 sind unterschiedlich eingestellt, so dass in den Bereichen 5 und 6 (bezogen auf deren Masse m und spezifische Wärme c) unterschiedliche Wärmemengen ΔQ erzeugt werden. Der Unterschied zwischen den erzeugten Wärmemengen ist unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wärmeabgänge z. B. gerade so bemessen, dass sich in beiden Bereichen 5 und 6 nach einer Zeit t die gleiche Temperaturerhöhung ΔT ergibt, sich in dem Blechzuschnitt 1 also eine homogene Temperaturverteilung einstellt.
Wie aus 2 hervorgeht, kann sich die Blechstärke in den Bereichen 5 und 6 unterschiedlich sein (z. B. bei Verwendung von Tailored Blanks oder Tailored Rolled Blanks). Entsprechend unterschiedlich ist die zu erwärmende Masse m dieser Bereiche. Auch im Material und dementsprechend in den C-Werten könnte ein Unterschied bestehen. Bei 7 ergibt sich in letzterem Fall dann ein mehr oder weniger ausgeprägter Übergangsbereich, in dem die erreichte Temperatur von der gleichmäßigen Temperatur in den übrigen Bereichen etwas abweicht.
Gemäß 3b könnte die Grenze zwischen verschiedenen Blechmaterialien z. B. auch bei 8 verlaufen.
3a zeigt nochmals die Bereichsaufteilung gemäß 1.
Aus den 3c bis 3f gehen verschiedene Beispiele für die Aufteilung des Blechzuschnitts 1 in verschiedene Bereiche hervor. Entsprechend diesen verschiedenen Bereichen sind die Induktionsfelder der verwendeten Induktionseinrichtung aufgeteilt. In den verschiedenen Bereichen kann Wärme in solchem Umfang erzeugt werden, dass sich eine gewünschte Temperaturverteilung im Blechzuschnitt ergibt. Zum Beispiel ist es möglich, in ausgewählten, zur anschließenden Presshärtung vorgesehenen Bereichen eine Endtemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur einzustellen, während andere Bereiche unterhalb dieser Temperatur bleiben. Auch in höchstfesten oder höher festem Material können durch vorgewählte Temperaturverteilungen unterschiedliche Festigkeitsgrade des umgeformten Materials erreicht werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 3g erfolgt eine Aufheizung auf Austenitisierungstemperatur, ausgenommen in einer Zone 9 und/oder einer Zone 10, wo die Temperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur bleibt. Bei einer anschließenden Presshärtung werden in den betreffenden Bereichen unterschiedliche Festigkeiten erreicht.
Umgekehrt könnten bei dem Ausführungsbeispiel von 3g nur die Zonen 9 und 10 auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur aufgeheizt werden, so dass bei einer anschließenden Presshärtung gezielt in diesen Bereichen größere Festigkeiten erreicht werden. Dies könnte die Verstärkung durch ein zusätzliches Blechbauteil in den betreffenden Bereichen (Patchworkverfahren) überflüssig machen. Auch können erwärmungshemmende Maßnahmen, z. B. durch Abdeckung. Isolierung und Kühlung, wie sie bei Wärmezuführung von außen erforderlich wären, entfallen.
Gemäß 4 kann eine stufenweise Aufheizung der Blechteile durch hintereinander angeordnete Induktionsheizeinrichtungen 11 bis 14 erreicht werden. Die Blechteile verlassen die mehrstufige Heizanlage vorzugsweise im Arbeitstakt einer nachgeordneten Umformpresse. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist jede der Induktionsheizeinrichtungen 11 bis 14 die gleiche Aufteilung in unterschiedliche Feldbereiche auf. Die Aufteilung kann auch von Heizeinrichtung zu Heizeinrichtung verschieden sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 5 sind mehrere (als solche nicht gezeigte) Induktionsheizeinrichtungen platzsparend übereinander angeordnet. Die Aufheizzeiten der einzelnen Aufheizeinrichtungen sind vorzugsweise so bemessen, dass dem Arbeitstakt einer nachgeordneten Umformpresse entsprechend aufgeheizte Blechzuschnitte entnommen werden können. Zweckmäßig erfolgt die Aufheizung entsprechend einer vorgegebenen Zeitfunktion des Temperaturanstiegs.
Gemäß 6 erfolgt eine stufenweise Aufheizung von Blechzuschnitten 1 durch vier übereinander angeordnete Aufheizeinrichtungen. Die Zuschnitte werden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von oben nach unten zur jeweils nächsten Aufheizeinrichtung befördert. Es werden nur eine Zufuhrstation und eine Entnahmestation benötigt. Auch hier erfolgt die Aufheizung entsprechend einer vorgegebenen, ggf. für einen Presshärtungsprozess erforderlichen Zeitfunktion des Temperaturanstiegs. Vorzugsweise sind auch hier die Blechteile im Arbeitstakt einer nachgeordneten Umformpresse entnehmbar.

Claims

Verfahren zur Erwärmung einer Warmumformung und Presshärtung zu unterziehender Blechteile, insbesondere Blechzuschnitte (1), dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer gewünschten Temperaturverteilung im Blechteil in verschiedenen Bereichen (5, 6) des Blechteils auf induktivem Wege unterschiedliche, auf die Masse (m) und spezifische Wärme (c) der betreffenden Bereiche (5, 6) bezogene Wärmemengen (ΔQ) erzeugt werden, derart, dass in ausgewählten, zur anschließenden Presshärtung vorgesehenen Bereichen eine Endtemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur eingestellt wird, während andere Bereiche unterhalb dieser Temperatur bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die verschiedenen Bereiche (5, 6), ggf. gleichzeitig, mehrere in ihrer Heizleistung unterschiedlich eingestellte Teile (3, 4) einer Induktionsheizeinrichtung (2) einwirken oder/und während eines Durchlaufs des Blechteils (1) durch eine jeweils nur einen Teilbereich des Blechteils erfassende Induktionsheizeinrichtung die Heizleistung der Induktionsheizeinrichtung verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den verschiedenen Bereichen (5, 6) unterschiedliche, auf die Masse (m) und spezifische Wärme (c) bezogene Wärmemengen (ΔQ) erzeugt werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Blechteil (1) zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den verschiedenen Bereichen (5, 6) Wärme entsprechend einer gewünschten Zeitfunktion des Temperaturanstiegs in diesen Bereichen (5, 6) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Blechteils (1) innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums erfolgt und vorzugsweise zwischen einer vorgegebenen oberen und einer vorgegebenen unteren Zeitgrenze abgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Blechteils (1) mit stufenweise steigender Temperatur erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus unterschiedlichem Material bestehende oder/und unterschiedliche Materialstärken aufweisende Blechteile unter Erzeugung einer, ggf. gleichmäßigen, Temperaturverteilung erwärmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung auf eine zur Warmumformung oder/und Presshärtung geeignete Endtemperatur ausschließlich oder nur in einem von mehreren Erwärmungsschritten auf induktivem Wege erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Induktionsheizeinrichtungen (11–14) hintereinander oder/und übereinander angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mit stufenweise steigender Temperatur durch mehrere, ggf. unterschiedliche Induktionsheizeinrichtungen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizeinrichtung in das Umformwerkzeug integriert oder im Einbauraum für das Umformwerkzeug angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizeinrichtung mit einer wärmeisolierenden Umhausung versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erwärmte Blechteil auf dem Weg zum Umformwerkzeug wärmeerhaltenden Maßnahmen, z. B. einer Wärmeisolierung oder -zufuhr, unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung in den verschiedenen Bereichen nacheinander durch mehrere hinter- oder/und übereinander angeordnete Induktionsheizeinrichtungen (11–14) erfolgt.