DE102009051822B3

DE102009051822B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Blechformteilen

Info

Publication number: DE102009051822B3
Application number: DE102009051822A
Authority: DE
Inventors: Karl Michael Bader; Patrick Freudenberg
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Blechformteilen aus höherfestem Stahl und partiell unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften, bei dem eine Platine auf eine Temperatur erhitzt wird, die größer als eine Ac-Temperatur ist, wobei diese so erhitzte Platine anschließend einem Umformwerkzeug zugeführt und in diesem umgeformt und abgeschreckt wird, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass partielle Zonen des Blechformteiles durch Temperatursteuerung nur vergütet sind. Zur Schaffung eines einfacheren und effizienteren Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Platinen (22) nach der Erhitzung in einer dem Umformwerkzeug (16) vorgeschalteten Förderanlage (14) mit oberen und/oder unteren, kühlbaren Förderrollen (24, 26) partiell auf eine definierte Temperatur, insbesondere auf eine Temperatur unterhalb der Ac-Temperatur, abgekühlt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Blechformteilen aus zum Beispiel höherfestem Stahl, Aluminium, Magnesium oder dergleichen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Vorrichtung zum Herstellen von Blechformteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Aus der DE 197 43 802 C2 ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem Platinen aus höherfestem Vergütungsstahl in einem Durchlaufofen auf Austenitisierungstemperatur oberhalb Ac₃ erhitzt, über eine Fördereinrichtung einem Pressenwerkzeug zugeführt und bei gleichzeitiger Umformung abgeschreckt (gehärtet) werden. Sodann werden in einer nachgeschalteten, beheizbaren Fördereinrichtung die Blechformteile partiell auf eine Temperatur unterhalb Ac3 wieder erhitzt und langsam abgekühlt. Das so, im sogenannten indirekten Verfahren, hergestellte Blechformteil weist gehärtete, eine hohe Festigkeit aufweisende Bereiche und vergütete Zonen geringerer Härte und höherer Duktilität auf.
Weiter ist aus der DE 102 08 216 C1 ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten metallischen Bauteils mit Bereichen unterschiedlicher Duktilität bekannt, bei dem eine Platine oder ein vorgeformtes Formbauteil in einer Erwärmungseinrichtung auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt wird und anschließend über einen Transportweg einem Härteprozess zugeführt wird, wobei während des Transportes Teilbereiche der Platine oder des Formbauteils, die im Endbauteil eine höhere Duktilität aufweisen sollen, abgekühlt werden. Konkret handelt es sich hierbei um eine längsgeteilte Vorrichtung, bei der die unterschiedlichen Bauteilbereiche auf der Kühlstrecke mittels eines Abschottbleches so abgeschottet werden, dass nur derjenige Bauteilbereich abgekühlt wird, der eine höhere Duktilität aufweisen soll. Zur Abkühlung sind konkret ortsfeste Düsen vorgesehen, die beabstandet oberhalb und unterhalb des abzukühlenden Bauteilbereichs angeordnet sind. Konkrete Ausführungen zum Transport des aufgeheizten Bauteils bzw. wie das Bauteil in der Kühlstrecke und im Ofenbereich gehandhabt wird, sind dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein im Ablauf einfaches und effizientes Verfahren aufzuzeigen, mittels dem Blechformteil mit partiell unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften hergestellt werden können. Ferner soll eine besonders zweckmäßige Vorrichtung zum Herstellen von Blechformteilen bzw. zur Durchführung eines derartigen Verfahrens geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die zum Beispiel von einem Coil abgelängte Platine nach der Erhitzung in einer dem Umformwerkzeug vorgeschalteten Förderlanlage mit wenigstens einer oberen und/oder unteren, kühlbaren Förderrolle partiell auf eine definierte Temperatur, insbesondere auf eine Temperatur unterhalb Ac₃, abgekühlt wird. Somit gelingt es, das gewünschte Temperaturspektrum zur Herstellung gehärteter Bereiche und vergüteter Zonen im direkten Verfahren schon auf der noch nicht umgeformten Platine abzubilden und in dem nachgeschalteten Umformwerkzeug, bevorzugt einer Presse, umzuformen und abzukühlen. Das Werkzeug kann komplett oder zur Beeinflussung der Abkühlgeschwindigkeiten nur teilweise gekühlt sein. Maßgeblich ist, dass der in der Platine gewünschte Temperaturgradient während der Beförderung der Platine von der Wärmequelle zur Presse gezielt eingestellt wird und nach dem Umformen und Abkühlen in der Presse die erforderlichen, mechanischen Eigenschaften aufweist. Nachfolgende Prozessschritte zur Beeinflussung der Festigkeitseigenschaften des Blechformteiles können entfallen.
Insbesondere können die partiellen Zonen auf eine Temperatur von unterhalb Ac₁ abgekühlt werden, um bei entsprechend geringerer Abkühlgeschwindigkeit ein weicheres, bainitisches Gefüge auszubilden. In dem gekühlten Umformwerkzeug wird dann das Blechformteil auf ca. 300°C bis 100°C Endtemperatur abgekühlt.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Blechformteile aus einem Vergütungstahl der Bezeichnung 22MnB5 hergestellt und/oder zunächst auf eine Temperatur von über AC₃ erhitzt werden und dass in der Förderanlage die partiellen Zonen auf ca. 400 bis 600°C abgekühlt werden.
Zur weiteren Beeinflussung der gewünschten Temperaturgradienten der Platine in der Förderanlage wird ferner vorgeschlagen, dass zumindest einzelne Förderrollen der Förderanlage, die an zu härtenden Bereichen der Platine anlaufen, beheizt sind. Damit ist sichergestellt, dass anschließend im gekühlten Umformwerkzeug noch die gewünschte Austenitisierungstemperatur von oberhalb Ac₃ anliegt und durch schnelle Abkühlung im Umformwerkzeug sich eine martensitische Gefügestruktur ausbildet.
Die gekühlten und/oder beheizten Förderrollen können durch eine geeignete Anpresskraftsteuerung zusätzlich eine Blechdickenreduzierung partieller Zonen der Platine bewirken. Damit kann das Blechformteil in einem einheitlichem Prozessschritt mit der Einstellung der spezifischen Festigkeitseigenschaften noch weitgehender an mechanische Beanspruchungsprofile angepasst werden.
Eine besonders zweckmäßige Vorrichtung zum Herstellen von Blechformteilen, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, weist einen Durchlaufofen zur homogenen Erhitzung der Platine auf, die dann mittels der temperierbaren Förderanlage einer Tiefziehpresse zugeführt, in dieser umgeformt und gleichzeitig abgekühlt wird. Erfindungsgemäß weist die Förderanlage in vorteilhafter Weise zur Einstellung der Temperaturgradienten und Temperaturen der Platine mehrere obere und/oder untere Förderrollen auf. Bevorzugt sind von diesen Förderrollen einige, jeweils zusammenwirkende, obere und untere Förderrollen an einen Kühlkreislauf angeschlossen.
Insbesondere können die gekühlten Förderrollen rohrförmige Antriebswellen aufweisen, die an einen externen oder internen Kühlkreislauf mit entsprechenden Wärmetauschern und/oder einer Temperatursteuerung angeschlossen sind.
Des Weiteren können zwischen den gekühlten Förderrollen liegende Bereiche der jeweiligen Antriebswellen zurückgesetzt bzw. im Durchmesser kleiner ausgeführt sein, insbesondere wenn in Förderrichtung streifenförmige Zonen entsprechend abgekühlt werden sollen. Zusätzlich können die Antriebswellen höhenverstellbar ausgeführt sein, um durch Abheben und Zustellen der Förderrollen beliebige Temperaturmuster zu erstellen.
Schließlich können die gekühlten und/oder beheizbaren oberen und unteren Förderrollen der Förderanlage mit deren Antriebswellen mit einer Anpresskraft-Steuereinrichtung ausgeführt sein, um zusätzlich unterschiedliche Blechdicken durch Walzen partieller Bereiche herzustellen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der anliegenden Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Fertigungsstraße zum Herstellen von Blechformteilen unterschiedlicher Festigkeit, mit einem Durchlaufofen, einer Förderanlage und einer Tiefziehpresse,
2 eine Draufsicht auf die die Fertigungsstraße gemäß 1 durchlaufenden Platinen mit Abbildung der Temperaturspektren während der Wärmebehandlung,
3 eine weitere Abbildung einer Temperaturverteilung einer Platine zur Herstellung einer B-Säule der Karosserie eines Kraftfahrzeuges,
4 ein ZTU Diagramm des zur Herstellung der B-Säule gemäß 3 verwendeten Vergütungsstahles der Bezeichnung 22MnB5, und
5 eine skizzenhafte, teilweise Darstellung der Förderanlage zum Fördern und Walzen der Platinen mit einer kühlbaren Förderrolleneinheit.
Die nur teilweise dargestellte Fertigungsstraße 10 zum Herstellen von Blechformteilen aus höherfestem Stahl weist einen zum Beispiel gasbeheizten Durchlaufofen 12, eine vereinfacht dargestellte Förderanlage 14 und eine Tiefziehpresse 16 mit einem vertikal beweglichen Matrize 18 und einem gestellfesten Stempel 20 auf.
In der Fertigungsstraße 10 werden von einem Coil (nicht dargestellt) abgelängte Platinen 22 aus einem Vergütungsstahl der Bezeichnung Mn22B5 zunächst in dem Durchlaufofen 12 einheitlich auf eine Temperatur von oberhalb Ac₃ (vergleiche auch 2 und 4) bzw. ca. 950°C aufgeheizt. Über innere Rollenführungen 12a werden die Platinen 22 dabei in bekannter Weise im Durchlaufofen 12 kontinuierlich weiter befördert.
Die aus dem Durchlaufofen 12 austretenden, erhitzten Platinen 22 durchlaufen dann die Förderanlage 14, die an definierten Stellen obere und untere eine Einheit bildende Förderrollen 24, 26 (es ist der Einfachheit halber nur eine Einheit 24, 26 dargestellt) aufweist.
Die Förderrollen 24, 26 sind an einen Kühlkreislauf (5), welcher mit flüssigen Medien arbeitet und eine Temperatursteuerung angeschlossen, so dass die von den Förderrollen 24, 26 beaufschlagten, partiellen Zonen 22a (2, mittleres Bild) in einer definierten Abkühlgeschwindigkeit auf eine Temperatur von < Ac₁ bzw. von ca. 600 bis 400°C abgekühlt werden.
In diesem Temperaturzustand werden die Platinen 22 ohne Zeitverzögerung der Tiefziehpresse 16 zugeführt und in dieser umgeformt. Die Presswerkzeuge (nicht dargestellt) der Tiefziehpresse sind aktiv gekühlt bzw. beheizt und bewirken somit ein schnellen Abkühlen (Abschrecken) der erhitzten Platinen 22 zur Ausbildung gehärteter Bereiche 22b martensitischen Gefüges und weicherer Zonen 22a bainitischen Gefüges.
Während die gekühlten Förderrollen 24, 26 wie vorbeschrieben eine Abkühlung partieller Zonen 22a der Platinen 22 steuern, können weitere Förderrollen 24, 26 vorgesehen sein, die beheizt sind und die an den Bereichen 22b der Platinen 22 anlaufen und diese auf einer Temperatur von ca. 920°C halten.
Die gekühlten und gegebenenfalls beheizten Förderrollen 24, 26 können höheneinstellbar in der Förderanlage 14 angeordnet sein, um durch entsprechendes Abheben von Bereichen der Platinen 22 definierte Temperaturmuster zu erzeugen.
Ferner können die Förderrollen 24, 26 mit einer Anpresssteuerung ähnlich einer Walzanlage versehen sein, um zusätzlich zu der partiellen Temperatursteuerung auch unterschiedliche Blechdicken der Platinen 22 herzustellen.
Die 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer zum Beispiel B-Säule (Mittelpfosten) einer Karosserie eines Kraftfahrzeuges als Blechformteil 28, dessen unterer Abschnitt 28a als Anschluss zu einem Schweller weicher bzw. mit höherer Duktilität als dessen oberer, an einen Dachrahmen der Karosserie anschließender Bereich 28b ausgeführt ist. Auch lässt sich dadurch zum Beispiel eine oben hart – mittig weiche – unten harte (hart und weich als Begriffe jeweils zueinander relativ gesehen) Säulenausgestaltung, zum Beispiel einer B-Säule, eines Holms generell, um nur einige Beispiele zu nennen, realisieren. Das heißt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine flexible Ausgestaltung von Blechformteilen hinsichtlich deren Struktur möglich ist.
Dazu wird mittels gekühlter Förderrollen 24, 26 der Förderanlage 14 (1) der Bereich 22a der entsprechenden Platine 22 wie vorbeschrieben auf ca. 600 bis 400°C bei einer definierten Abkühlgeschwindigkeit herabgekühlt und in diesem Temperaturzustand der Tiefziehpresse 16 zugeführt, in dieser zu dem Blechformteil 28 umgeformt und auf 150°C abgekühlt.
Das ZTU Diagramm der 4 zeigt anhand der Kurven 22a, 22b die bei definierten Abkühlzeiten (Abszisse) für den verwendeten Stahl Mn22B5 erzielbaren, unterschiedlichen Gefügeausbildungen.
So wird die martensitische Gefügeausbildung (M) mit hohen Festigkeitseigenschaften dadurch erzielt, dass die Bereiche 22b der Platine 22 bzw. 28b des Blechformteiles 28 aus dem Temperaturbereich T von > Ac₃ bzw. von ca. 920°C in der Tiefziehpresse 16 mit hoher Abkühlgeschwindigkeit auf eine Temperatur von ca. 150°C abgeschreckt werden.
Die partiellen Zonen 22a bzw. 28a werden mit geringerer Abkühlgeschwindigkeit (siehe Diagramm) auf eine Temperatur T von < Ac₁ bzw. auf 600 bis 400°C vorabgekühlt und in der Tiefziehpresse 16 auf die Endtemperatur von ca. 150°C abgekühlt, wobei sich ein bainitisches Gefüge geringerer Festigkeit aber höherer Duktilität ausbildet. Ms steht im Diagramm für Martensitstarttemperatur.
Die 5 schließlich zeigt in raumbildlicher Darstellung teilweise die an den Durchlaufofen 12 anschließende Förderanlage 14 mit einer Einheit von oberen und unteren Förderrollen 24, 26, die auf Antriebswellen 30 geringeren Durchmessers ausgebildet sind.
Die Förderanlage 14 weist ein Gestell 32 auf, an dem die Antriebswellen 30 drehbar gelagert und in nicht dargestellter Weise angetrieben sind und somit die Platinen 22 kontinuierlich zur Tiefziehpresse 16 fördern.
Die Antriebswellen 30 tragen im Ausführungsbeispiel gemäß 5 lediglich beispielhaft drei Förderrollen 24 bzw. 26, so dass drei streifenförmige Zonen 22a (schraffiert angedeutet) wie vorbeschrieben abkühlbar sind. An dieser Stelle sei ausdrücklich erwähnt, dass grundsätzlich auch mehrere Förderrollen hintereinander angeordnet werden können.
Dazu sind die Antriebswellen 30 hohl ausgeführt und an einen nur angedeuteten Kühlkreislauf 34 angeschlossen, der u. a. einen Wärmetauscher 36, ein Steuerventil 38 zur Temperatursteuerung und eine Umwälzpumpe 40 aufweist und eine gezielte Abkühlung und Abkühlungsgeschwindigkeit bzw. das gewünschte Temperaturspektrum der Platine 22 bereitstellt.
Die Antriebswellen 30 mit den Förderrollen 24, 26 können ähnlich einer Walzanlage so stark angepresst werden, dass auch eine definierte Blechdickenreduzierung der partiellen Zonen 22a der Platine 22 herstellbar ist. Gleiches gilt für zum Beispiel induktiv oder konduktiv beheizte Förderrollen 24, 26 (nicht dargestellt), die an den eine höhere Temperatur aufweisenden Bereichen 22b der Platinen 22 anlaufen.
Durch gezieltes Abheben der gekühlten Förderrollen 24, 26 von der Platine 22 können die dargestellten, streifenförmigen Bereiche 22a bei Bedarf auch beliebig unterbrochen werden. Den Vorschub der Platinen 22 können dann gegebenenfalls auch untemperierte, weitere Förderrollen bewirken.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Blechformteilen mit partiell unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften, bei dem eine Platine auf eine Temperatur erhitzt wird, die größer als eine Ac₃-Temperatur ist, wobei diese so erhitzte Platine anschließend einem Umformwerkzeug zugeführt und in diesem umgeformt und abgeschreckt wird, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass partielle Zonen des Blechformteiles durch Temperatursteuerung nur vergütet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (22) nach der Erhitzung in einer dem Umformwerkzeug (16) vorgeschalteten Förderanlage (14) mit wenigstens einer, bezüglich der Platine oberen und/oder unteren, kühlbaren Förderrolle (24, 26) partiell auf eine definierte Temperatur, insbesondere auf eine Temperatur unterhalb der Ac₃-Temperatur, abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die partiellen Zonen (22a; 28a) auf eine Temperatur unterhalb einer Ac₁-Temperatur abgekühlt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechformteile (28) aus einem Vergütungsstahl der Bezeichnung 22MnB5 hergestellt sind und/oder zunächst auf eine Temperatur von über Ac₃ erhitzt werden und dass in der Förderanlage die partiellen Zonen (28a) auf ca. 600 bis 400°C abgekühlt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlten oberen und/oder unteren Förderrollen (24, 26) höhenverstellbar angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Förderrollen (24, 26) der Förderanlage (14), die an zu härtenden Bereichen (22b) der Platine (22) anlaufen, beheizt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlten und/oder beheizten Förderrollen (24, 26) durch Anpresskraftsteuerung zusätzlich eine Blechdickenreduzierung bewirken.
Vorrichtung mit einem Durchlaufofen zur Erhitzung von Platinen und mit einer Förderanlage zum Transport der erhitzten Platinen sowie mit einer Tiefziehpresse zur Umformung und Abkühlung der Platinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderanlage (14) mehrere, bezogen auf die Platine (22) obere und/oder untere gekühlte Förderrollen (24, 26) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil von zusammenwirkenden, oberen und unteren Förderrollen (24, 26) flüssigkeitsgekühlt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderrollen (24, 26) rohrförmige Antriebswellen (30) aufweisen, die an einen Kühlkreislauf (34), insbesondere einen Kühlflüssigkeitskreislauf, mit entsprechenden Wärmetauschern (36) und/oder mit einer Temperatursteuerung (38) angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Förderrollen (24, 26) liegende Bereiche der jeweiligen Antriebswellen (30) zurückgesetzt und/oder im Durchmesser kleiner ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen und/oder unteren Förderrollen (24, 26) der Förderanlage (14) mit deren Antriebswellen (30) mit einer Anpresskraft-Steuereinrichtung ausgeführt und/oder gekoppelt sind.