DE102009040322B4

DE102009040322B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Lagern eines gegossenen Kraftfahrzeugbauteils während einer Wärmebehandlung

Info

Publication number: DE102009040322B4
Application number: DE200910040322
Authority: DE
Inventors: Ngoc Boi Tran; Jan Gaugler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-09-05
Filing date: 2009-09-05
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2029-09-06
Also published as: DE102009040322A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lagern eines gegossenen Kraftfahrzeugbauteils (10), welches eine gewölbte Form mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärke aufweist, während einer sich an das Gießen anschließenden Wärmebehandlung, wobei eine bevorzugte Lagerungsposition des Kraftfahrzeugbauteils (10), in der geometrische Deformationen des Bauteils (10) infolge der Wärmebehandlung am geringsten sind, aus einer Mehrzahl aus möglichen Lagerungspositionen des Kraftfahrzeugbauteils (10) durch rechnerische Bestimmung ermittelt wird, wobei bei der rechnerischen Bestimmung von einer Lagerungsposition mit mindestens drei Lagerstellen (22, 24, 26) ausgegangen wird, an denen das Bauteil (10) gelagert wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine entsprechende Vorrichtung, welche ein erstes Lagerelement zum Aufhängen des Kraftfahrzeugbauteils (10) an einer ersten Lagerstelle (22), ein zweites Lagerelement zum Abstützen des Kraftfahrzeugbauteils (10) an einer zweiten Lagerstelle (24) und wenigstens ein weiteres Lagerelement zum Abstützen des Kraftfahrzeugbauteils (10) an einer weiteren Lagerstelle (26) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lager eines gegossenen Kraftfahrzeugbauteils, welches eine gewölbte Form mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärke aufweist, während einer sich an das Gießen anschließenden Wärmebehandlung.
Bei einer Anzahl von Legierungen ist es nötig, nach dem Gießen eine Wärmebehandlung durchzuführen, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Dehnung und Streckgrenze, zu erhalten. Dabei muss ein Kompromiss zwischen Festigkeit und Dehnung des Materials gefunden werden. Das Material wird auf eine bestimmte Temperatur, beispielsweise zwischen 450 und 500°C, erhitzt, welche über eine bestimmte Zeitdauer gehalten wird. Der erreichte Zustand wird dann durch rasche Abkühlung eingefroren. In einem Gussverfahren hergestellte Kraftfahrzeugbauteile werden für die anschließende Wärmebehandlung auf Stahlgestellen gelagert. Durch die Art der Lagerung im Wärmebehandlungsgestell, die gewählten Ofenparameter, wie Temperatur und Haltezeit, sowie die Abkühlbedingungen beim Abschrecken können bei einem ungünstig kompensierten Bauteileigengewicht erhebliche irreversible geometrische Deformationen auftreten, welche Maßabweichungen gegenüber der Sollgeometrie, das heißt Bauteilverzüge, bedeuten. Das Richten der Bauteile auf die erforderlichen Maßtoleranzen verursacht enorme Nacharbeitskosten.
Es ist bekannt, Federbeinaufnahmen für Kraftfahrzeuge aus einer Aluminiumlegierung zu gießen. In diesem Zusammenhang sei auf die DE 10 2005 043 948 A1 verwiesen, die eine Tragstruktur für eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs mit Federbeinaufnahmen offenbart, die als einstückige, räumlich geformte Aluminiumgussteile hergestellt sind und bevorzugt durch Stanznieten und/oder Verschrauben und/oder Kleben mit den angrenzenden Trägerteilen fest verbunden sind.
An Federbeinaufnahmen, die bestimmte geometrische Funktionselemente, wie zum Beispiel eine integrierte Fahrwerksanbindung, aufweisen, werden sehr enge Toleranzanforderungen gestellt. Daher sind bei aus nicht prinzipkonformer Lagerung folgenden Bauteilverzügen aufwendige und teure Nacharbeitsprozesse erforderlich. Zum anderen haben Federbeinaufnahmen eine gewölbte Form mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärke, was bei der Lagerung zu berücksichtigen ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verzugsarme Wärmebehandlung von Kraftfahrzeugbauteilen, welche eine gewölbte Form mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärke aufweisen, zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Lagern eines gegossenen Kraftfahrzeugbauteils während einer Wärmebehandlung gemäß Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung zum Lagern eines gegossenen Kraftfahrzeugbauteils während einer Wärmebehandlung gemäß Anspruch 8.
Die Erfindung nutzt eine rechnerische Bestimmung, vorzugsweise eine Finite-Elemente-Simulation, um eine günstige Lagerungsposition für eine verzugsarme Wärmebehandlung von in Gussverfahren gegossenen Kraftfahrzeugbauteilen zu ermitteln. In einer günstigen Lagerungsposition wird das Kraftfahrzeugbauteil einerseits statisch bestimmt gelagert, andererseits wird das Bauteileigengewicht durch geeignete Wahl der Abstützungsrandbedingungen an vorzugsweise drei Lagerpunkten zum größten Teil kompensiert, so dass die geringsten geometrischen Deformationen infolge der Wärmebehandlung auftreten. Vorzugsweise handelt es sich bei den Kraftfahrzeugbauteilen um Federbeinaufnahmen, insbesondere aus Aluminiumlegierungen, wobei die Erfindung besonders vorteilhaft auf Federbeinaufnahmen mit integrierter Fahrwerksanbindung anwendbar ist.
Für Kraftfahrzeugbauteile, welche eine gewölbte Form mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärke aufweisen, wie beispielsweise Federbeinaufnahmen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine erste Lagerstelle als Lagerstelle zum Aufhängen des Kraftfahrzeugbauteils und mindestens zwei weitere Lagerstellen als Lagerstellen zum Abstützen des Kraftfahrzeugbauteils zu bestimmen. Diese Lagerung hat den Vorteil, dass das Bauteileigengewicht zum größten Teil kompensiert wird und dadurch im Prozess sehr geringe geometrische Deformationen verursacht werden. Die Maßhaltigkeit der Bauteile nach der Wärmebehandlung wird im Vergleich zu anderen Lagerungspositionen erheblich verbessert. Für eine statisch bestimmte Lagerung, in der sowohl die drei translatorischen als auch die drei rotatorischen Freiheitsgrade des Bauteils begrenzt sind, sind mindestens drei Lagerstellen notwendig. Ein Kriterium für die Auswahl der einer Lagerungsposition des Bauteils zugeordneten Lagerstellen ist deren Grundsteifigkeit. Für eine verzugsarme Wärmebehandlung ist außerdem zu beachten, dass die Lagerung so erfolgt, dass möglichst wenig Spannungen entstehen, wenn sich das Bauteil während der Wärmebehandlung ausdehnt. Es ist daher erstrebenswert, eine statisch bestimmte Lagerung mit möglichst wenig Auflagepunkten zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Lagern eines gegossenen Kraftfahrzeugbauteils während einer Wärmebehandlung umfasst ein erstes Lagerelement zum Aufhängen des Kraftfahrzeugbauteils an einer ersten Lagerstelle, ein zweites Lagerelement zum Abstützen des Kraftfahrzeugbauteils an einer zweiten Lagerstelle und wenigstens ein weiteres Lagerelement zum Abstützen des Kraftfahrzeugbauteils an einer weiteren Lagerstelle, wobei die Anordnung der Lagerelemente durch rechnerische Bestimmung so ermittelt ist, dass geometrische Deformationen des mittels der Anordnung von Lagerelementen gelagerten Kraftfahrzeugbauteils infolge der Wärmebehandlung im Vergleich zu anderen Anordnungen aus einer Mehrzahl von möglichen Anordnungen am geringsten sind. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgestellten Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten in entsprechender Weise für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Federbeinaufnahme mit integrierter Fahrwerksanbindung;
2 eine Draufsicht auf die Rückseite der Federbeinaufnahme; und
3 eine Darstellung der bevorzugten Lagerstellen zur verzugsarmen Wärmebehandlung der Federbeinaufnahme.
1 ist eine Darstellung einer Federbeinaufnahme 10 mit integrierter Fahrwerksanbindung. Eine Federbeinaufnahme 10 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist aus einer Aluminiumlegierung gegossen. Sie besitzt eine kompakte gewölbte Form mit einem Federbeindom 12. Wie aus der Figur zu ersehen ist, setzt sich die Federbeinaufnahme 10 aus einer Vielzahl von Teilflächen zusammen, wobei die Teilflächen unterschiedliche Wandstärken aufweisen. Am Federbeindom 12 sind Gewindedome 14 ausgebildet, die nach außen davon abstehen. Außerdem ist in 1 ein Durchbruch 16 zu erkennen, der in die gegossene Federbeinaufnahme 10 gefräst ist und später zum Beispiel zu einer Kabeldurchführung ausgebildet werden soll.
2 zeigt die Rückansicht der Federbeinaufnahme 10 in Draufsicht. Neben dem Federbeindom 12 und dem Durchbruch 16 sind von dieser Seite auch die integrierten Anbindungen 18 an ein nicht dargestelltes Fahrwerk zu erkennen, die an die Federbeinaufnahme 10 angegossen sind.
3 zeigt die Federbeinaufnahme 10 schließlich in der bevorzugten Lagerungsposition, wobei die Lagerstellen 22, 24 und 26 eingezeichnet sind. Die erste Lagerstelle 22 befindet sich in dem Durchbruch 16. Dort ist die Federbeinaufnahme 10 an einem nicht dargestellten Gestell so aufgehängt, dass alle drei translatorischen Freiheitsgrade begrenzt sind. Dies ist in 3 durch drei Pfeile angedeutet, die auf die Lagerstelle 22 zeigen. Die zweite Lagerstelle 24 befindet sich an einer Stelle, an der der Gewindedom 14 von der Federbeinaufnahme 10 abragt. Indem für die zweite Lagerstelle 24 ein Ort der Federbeinaufnahme 10 gewählt wird, an dem zwei einen Winkel, vorzugsweise von 90°, einschließende Teilflächen der Federbeinaufnahme 10 aneinandergrenzen, ist es möglich, die Federbeinaufnahme 10 an dieser Stelle so abzustützen, dass dadurch zwei rotatorische Freiheitsgrade begrenzt werden. Dies ist in 3 durch zwei Pfeile angedeutet, die auf die Lagerstelle 24 zeigen. So bleibt nur noch ein rotatorischer Freiheitsgrad zu begrenzen, was an der Lagerstelle 26 erfolgt und durch einen Pfeil angedeutet ist, der auf die Lagerstelle 26 zeigt.
Die Lagerung der Federbeinaufnahme 10 erfolgt mittels eines Gestells, an dem Lagerelemente so befestigt sind, dass die Lagerstellen 22, 24 und 26 der Federbeinaufnahme 10 dadurch abgestützt werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Lagervorrichtung sind die Lagerelemente als Rundstifte ausgebildet. Es wäre aber auch denkbar, Konturbleche zu verwenden. Ein Rundstift zum Aufhängen der Federbeinaufnahme 10 an der Lagerstelle 22 weist außerdem eine Nut zur Aufnahme der Lagerstelle 22 auf, um eine Begrenzung aller drei translatorischen Freiheitsgrade zu erreichen. Ein Rundstift zum Abstützen der zweiten Lagerstelle 24 ist so ausgebildet, dass seine Mantelfläche die Seitenfläche des Gewindedoms 14 abstützt, während seine flache Stirnseite eine Teilfläche des Federbeindoms 12, von der der Gewindedom 14 abragt, abstützt. Das Lagerelement für die dritte Lagerstelle 26 ist schließlich als Rundstift ausgebildet, dessen Stirnseite, die flach oder abgerundet sein kann, die Lagerstelle 26 abstützt.
Im Folgenden wird nun unter Verweis auf die Figuren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Vor Beginn der Serienfertigung wird eine bevorzugte Lagerungsposition für die Federbeinaufnahme 10 während einer sich an das Gießen des Bauteils anschließenden Wärmebehandlung ermittelt. Dies geschieht bevorzugt durch Finite-Elemente-Simulation. Dazu wird für eine Auswahl an möglichen Lagerungspositionen der Federbeinaufnahme 10 zu jeder Lagerungsposition ein Finite-Elemente-Modell zur Beschreibung des Kraftfahrzeugbauteils bereitgestellt. Danach werden anhand der Finite-Elemente-Modelle Finite-Elemente-Analysen durchgeführt, um zu ermitteln, für welche Lagerungsposition die geometrischen Deformationen der Federbeinaufnahme 10 infolge der Wärmebehandlung am geringsten sind. Das Ergebnis kann durch Versuche, in denen Wärmebehandlungen an in verschiedenen Positionen gelagerten Federbeinaufnahmen vorgenommen werden und anschließend die geometrischen Deformationen gemessen werden, überprüft werden.
Es hat sich gezeigt, dass eine Federbeinaufnahme, insbesondere mit integrierter Fahrwerksanbindung, durch Aufhängen an einer ersten Lagerstelle 22 und Abstützen an zwei weiteren Lagerstellen 24 und 26 besonders verzugsarm wärmebehandelt werden kann. Dabei wird, um das Aufhängen der Federbeinaufnahme 10 zu ermöglichen, an der ersten Lagerstelle ein Durchgangsloch in die Federbeinaufnahme 10 eingebracht. Dieses Loch wird in einem Bereich ausgeführt, der für einen Durchbruch in der Federbeinaufnahme 10 vorgesehen ist, wobei Durchbrüche in einem gegossenen Kraftfahrzeugbauteil normalerweise erst nach der Wärmebehandlung gefräst werden. Das Durchgangsloch wird kleiner als der vorgesehene Durchbruch ausgeführt und erst nach der Wärmebehandlung wird der Durchbruch bis zu seiner vollen Größe ausgefräst.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hängt die Federbeinaufnahme 10 nahezu mit ihrem gesamten Gewicht an der ersten Lagerstelle 22. Die beiden weiteren Lagerstellen 24 und 26, an denen die Federbeinaufnahme 10 zusätzlich abgestützt wird, sind aber erforderlich, um eine statisch bestimmte Lagerung der Federbeinaufnahme 10 zu erreichen. Indem die Lagerung der Federbeinaufnahme 10 an den Lagerstellen 22, 24 und 26 so ausgeführt wird, dass eine Ausdehnung der Federbeinaufnahme 10 während der Wärmebehandlung so wenig wie möglich eingeschränkt wird, wird die Erzeugung von Spannungen in der Federbeinaufnahme vermieden, so dass die Dehnung nach der Abkühlung größtenteils wieder zurückgeht und ein Kriechen, das durch Verspannungen verursacht wird und zu bleibenden geometrischen Deformationen führt, vermieden wird.

Claims

Verfahren zum Lagern eines gegossenen Kraftfahrzeugbauteils (10), welches eine gewölbte Form mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärke aufweist, während einer sich an das Gießen anschließenden Wärmebehandlung, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: a) Ermitteln einer bevorzugten Lagerungsposition des Kraftfahrzeugbauteils (10), in der geometrische Deformationen des Bauteils (10) infolge der Wärmebehandlung am geringsten sind, aus einer Mehrzahl von möglichen Lagerungspositionen des Kraftfahrzeugbauteils (10) durch rechnerische Bestimmung, wobei bei der rechnerischen Bestimmung von einer Lagerungsposition mit mindestens drei Lagerstellen (22, 24, 26) ausgegangen wird, an denen das Bauteil (10) gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine erste Lagerstelle (22) als Lagerstelle zum Aufhängen des Kraftfahrzeugbauteils (10) und mindestens zwei weitere Lagerstellen (24, 26) als Lagerstellen zum Abstützen des Kraftfahrzeugbauteils (10) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die erste Lagerstelle (22) aus Bereichen des Kraftfahrzeugbauteils (10) ausgewählt wird, die für nach der Wärmebehandlung auszuführende Durchbrüche vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt: b) Einbringen eines Durchgangslochs (16) zum Aufhängen des Kraftfahrzeugbauteils (10) an der ersten Lagerstelle (22).
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt: c) Aufhängen des Kraftfahrzeugbauteils (10) an der ersten Lagerstelle (22) dergestalt, dass dadurch eine Begrenzung aller drei translatorischen Freiheitsgrade des Kraftfahrzeugbauteils (10) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt: d) Abstützen des Kraftfahrzeugbauteils (10) an einer zweiten Lagerstelle (24) dergestalt, dass dadurch eine Begrenzung von zwei rotatorischen Freiheitsgraden des Kraftfahrzeugbauteils (10) erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) folgende Teilschritte umfasst: a1) Auswählen der möglichen Lagerungspositionen des Kraftfahrzeugbauteils (10), a2) Bereitstellen je eines Finite-Elemente-Modells zur Beschreibung des Kraftfahrzeugbauteils (10) für jede mögliche Lagerungsposition, a3) Durchführen von Finite-Elemente-Analysen anhand der Modelle zum Ermitteln der bevorzugten Lagerungsposition des Kraftfahrzeugbauteils (10) aus den möglichen Lagerungspositionen.
Vorrichtung zum Lager eines gegossenen Kraftfahrzeugbauteils (10), welches eine gewölbte Form mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärke aufweist, während einer sich an das Gießen anschließenden Wärmebehandlung, gekennzeichnet durch: – ein erstes Lagerelement zum Aufhängen des Kraftfahrzeugbauteils (10) an einer ersten Lagerstelle (22), – ein zweites Lagerelement zum Abstützen des Kraftfahrzeugbauteils (10) an einer zweiten Lagerstelle (24), und – wenigstens ein weiteres Lagerelement zum Abstützen des Kraftfahrzeugbauteils (10) an einer weiteren Lagerstelle (26), wobei die Anordnung der Lagerelemente in der Lagervorrichtung durch rechnerische Bestimmung so ermittelt ist, dass geometrische Deformationen des mittels der Anordnung von Lagerelementen gelagerten Kraftfahrzeugbauteils (10) infolge der Wärmebehandlung im Vergleich zu anderen Anordnungen aus einer Mehrzahl von möglichen Anordnungen am geringsten sind.