DE102010005263A1

DE102010005263A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102010005263A1
Application number: DE102010005263A
Authority: DE
Inventors: Friedrich 33813 Bohner; Jochen 33014 Dörr; Jochem 33154 Grewe; Ulrich 33165 Huschen
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2011-07-21
Also published as: US20120018422A1; CN102189194A

Abstract

Die Vorrichtung (1) umfasst eine das lokal zu verformende Bauteil (2) örtlich fixierende Halterung (6), ein vertikal verlagerbares Umformwerkzeug (12) sowie mindestens eine am Bauteil (2) platzierbare Induktorspule (10). Im Zuge der Verformung wird ein zu verformender Bauteilbereich (4, 5, 15) des Bauteils (2) maximal 1 Minute lokal induktiv auf eine Temperatur zwischen 100°C und 300°C erwärmt und dann mittels des Umformwerkzeugs (12) mechanisch verformt. Die Verformung des Bauteilbereichs (4, 5, 15) kann durch die Induktorspule (10) oder bei vom Bauteil (2) weg verlagerter Induktorspule (10) erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Andererseits richtet sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Für die Herstellung eines rissfreien Bauteils aus einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung muss die Umformung des ausgehärteten Bauteils bei erhöhter Temperatur erfolgen. Das Überschreiten einer bestimmten Temperatur oder ein zu langes Verweilen auf erhöhter Temperatur führt jedoch zu einer unerwünschten Reduzierung der Werkstofffestigkeit, so dass zum Wiederherstellen der ursprünglichen mechanischen Eigenschaft das gesamte Bauteil im Anschluss an die Formgebung nochmals lösungsgeglüht und warm ausgelagert werden muss. Bei einer Erwärmung des gesamten Bauteils kann es in denjenigen Bauteilbereichen, die nicht umgeformt werden, zu einer unerwünschten Verschlechterung der mechanischen Werkstoffeigenschaften kommen. Bei einer lokalen Begrenzung der Wärmeeinbringung auf die umzuformenden Bereiche fließt die lokal erzeugte Wärme schnell in kältere Bauteilbereiche ab, da Aluminiumlegierungen eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die zur Verfügung stehende Zeitspanne für den Transfer des Bauteils von der lokalen Wärmequelle in ein Umformwerkzeug ist somit sehr kurz.
Im Umfang der DE 196 20 196 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung beschrieben, bei welchem eine Umformung des Bauteils gezielt in einem schmalen Bereich entlang einer Linie durchgeführt werden soll (Falzen). Zu diesem Zweck wird mittels eines Strahlwerkzeugs (Laser- oder Elektronenstrahl) linienförmig Wärme in das Bauteil eingebracht. Aufgrund der minimalen linienförmigen Wärmeeinbringung und der guten Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ergibt sich eine schnelle Abkühlung der wärmebeeinflussten Zone, so dass das Bauteil nach Abkühlung etwa wieder den Zustand ”lösungsgeglüht – abgeschreckt” aufweist und somit umformbar ist.
Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil aus einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung in einem gehärteten Zustand, insbesondere im Zustand T6, ohne Rissbildung, ohne Verschlechterung der mechanischen Werkstoffeigenschaften und somit ohne eine zusätzliche Endwärmebehandlung, bestehend aus Lösungsglühen und Warmauslagerung zum Wiederherstellen der ursprünglichen Festigkeits-/Dehnungs-/Duktilitätseigenschaften, einwandfrei herstellen zu können.
Die Lösung des verfahrensmäßigen Teils dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8.
Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe wird in den Merkmalen des Anspruchs 9 gesehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 10 und 11.
Im Zustand T6, also im lösungsgeglühten und vollständig warm ausgelagerten Zustand, besitzen höherlegierte ausscheidungshärtbare Aluminiumknetlegierungen der Legierungsgruppen AlCuMg (2xxx), AlMgSi (6xxx) oder AlZnMg[Cu] (7xxx) eine sehr hohe Festigkeit, mit der eine geringe Verformbarkeit einhergeht. Derartige Legierungen lassen sich folglich bei Raumtemperatur im Zustand T6 sehr schlecht umformen. Es kann leicht zu einer Rissbildung kommen.
Die Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass ein zu verformender Bereich des Bauteils jetzt lokal induktiv auf eine Temperatur zwischen 100°C und 300°C erwärmt und dann mechanisch verformt wird. Die lokale Erwärmung des zu verformenden Bauteilbereichs soll bewusst kurzzeitig durchgeführt werden. Unter einer kurzzeitigen Erwärmung wird im Rahmen der Erfindung ein Zeitraum von maximal 1 Minute verstanden.
Die Erhöhung der Umformtemperatur auf 100°C bis 300°C innerhalb eines Zeitraums von maximal 1 Minute verbessert die Umformeigenschaften von aushärtbaren Aluminiumknetlegierungen deutlich. Es ergeben sich keine negativen Auswirkungen auf die Festigkeit und die Bruchdehnung bzw. Duktilität.
Im Rahmen der Erfindung ist es somit zum Beispiel vorteilhaft möglich, ein Strangpressprofil mit zumindest einem Längskanal abschnittsweise lokal flächig zu erwärmen und dann diesen erwärmten Bauteilbereich mit einer beliebig konfigurierten Prägung zu versehen. Diese Maßnahme kann bei Bedarf mehrmals nacheinander in Längsrichtung des Strangpressprofils durchgeführt werden, so dass am Bauteil eine Vielzahl von Prägungen vorhanden ist.
Es ist ferner mit Vorteil möglich, eine lokale induktive Erwärmung von inneren, bei Bedarf auch äußeren, Längsstegen eines Bauteils, also beispielsweise eines Strangpressprofils mit mehreren Längskanälen, durchzuführen, so dass bei Bedarf diese Längsstege ebenfalls in dem gewünschten Umfang verformt werden können. Dies ist zum Beispiel bei einem Stoßfängerprofil der Fall, welches für die Anbringung einer Abschleppöse lokal geprägt wird.
Vorzugsweise können auch seitliche Flansche von insbesondere Hohlprofilen, wie zum Beispiel Stoßfänger, Längs- und Querträger von Kraftfahrzeugkarosserien, im Rahmen der Erfindung gezielt wärmebehandelt werden. Derartige Flansche können dann ohne Rissbildung in dem gewünschten Umfang verformt werden.
Des Weiteren ist es möglich, Struktur- und/oder Sicherheitsbauteile im Karosseriebau, wie zum Beispiel Türaufprallträger oder A- und B-Säulen erfindungsgemäß zu bearbeiten.
Zur Vermeidung einer lokalen Überhitzung des zu verformenden Bauteilbereichs wird die induktive Erwärmung zweckmäßig im Pulsmodus durchgeführt. Danach erfolgt eine kurzzeitige Ein- und Ausschaltung des Generators mit dem Ergebnis, dass die mittels Wirbelstrom erzeugte Wärme zunächst in kältere Bereiche abfließen kann, bevor induktiv erneut Wärme in den Bauteilbereich eingebracht wird.
Es ist erfindungsgemäß ferner von Vorteil, dass der zu verformende Bauteilbereich mittels einer auf die Größe dieses Bauteilbereichs abgestimmten Induktorspule erwärmt wird. Dadurch wird nur der von der Induktorspule abgedeckte Bauteilbereich aufgrund des Wärmeflusses im Bauteil erhitzt.
Vorteilhaft wird die flächige Erwärmung eines Bauteilbereichs mit einer ringförmigen Induktorspule durchgeführt.
Die lokale Verformung eines insbesondere flächig erwärmten Bauteilbereichs kann mittels eines durch die Induktorspule bewegten Umformwerkzeugs durchgeführt werden, wenn die Erwärmung beendet ist. Die Induktorspule verbleibt also am Bauteil. Die gewünschte Geometrie des Bauteils kann somit unmittelbar im Anschluss an den Erwärmungsprozess ausgeformt werden. Es ist kein Transfer des Bauteils zwischen der induktiven Erwärmungsstation und einem Umformwerkzeug nötig. Auf diese Weise ist der umzuformende Bauteilbereich zu Beginn des Umformprozesses noch nicht allzu stark abgekühlt, da die Zeitspanne für den Wärmefluss in kältere Bauteilbereiche minimiert wird.
Alternativ kann die lokale Verformung des Bauteilbereichs aber auch mittels eines nach der Verlagerung der Induktorspule aus dem erwärmten Bauteilbereich an diesen Bauteilbereich herangeführten Umformwerkzeugs durchgeführt werden. In diesem Fall ist es also nicht erforderlich, dass das Umformwerkzeug durch die Induktorspule bewegt wird. Auch kann das Design der Induktorspule speziell auf die Kontur des schnell zu erwärmenden und zu verformenden Bauteilbereichs optimiert werden.
Ferner kann eine beispielsweise gabelförmig ausgebildete Induktorspule verwendet werden, wenn ein innerer Längssteg eines Bauteils, insbesondere am Ende, lokal erwärmt und verformt werden soll. Die Induktorspule wird dann von der Stirnseite des Bauteils her – den Längssteg umgreifend – herangeführt und nach der Erwärmung des Längsstegs auch wieder in dieser Richtung entfernt.
Auch die seitlichen Flansche eines Bauteils können gegebenenfalls lokal mittels zumindest einer gabelförmigen Induktorspule erwärmt werden.
Nach der lokalen Umformung des Bauteils, gegebenenfalls in mehreren Bereichen gleichzeitig oder auch in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten, kann das Bauteil bei Bedarf weiteren Umformschritten unterworfen werden.
Die bei der Erfindung verwendete Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine das lokal zu verformende Bauteil örtlich fixierende Halterung, ein quer zum Bauteil verlagerbares Umformwerkzeug sowie mindestens eine am Bauteil platzierbare Induktorspule.
Soll beispielsweise ein hohles Bauteil, wie beispielsweise ein Strangpressprofil, hinsichtlich eines Wandabschnitts verformt werden, wird das Bauteil zunächst in der örtlich fixierten Halterung eingespannt. Danach wird der jeweils zu verformende Bauteilbereich mittels einer Induktorspule kurzzeitig, das heißt maximal 1 Minute, erwärmt, die quer zum Bauteil an den zu verformenden Bauteilbereich herangeführt oder auch herangeschwenkt werden kann. Das beliebig verlagerbare Umformwerkzeug, dessen Konfiguration auf die Kontur der gewünschten Umformung des Bauteils abgestimmt ist, wird nach der Erwärmung über den Zeitraum von beispielsweise maximal 1 Minute durch die örtlich oberhalb des erwärmten Bauteilbereichs verbleibende Induktorspule hindurchgeführt und der Bauteilbereich in der gewünschten Weise verformt. Anschließend wird das Umformwerkzeug wieder entfernt, die Verspannung des Bauteils gelöst und das Bauteil soweit relativ zur fixierenden Halterung weiter verlagert, bis der nächste zu verformende Bauteilbereich erreicht ist. Danach erfolgt dort eine Erwärmung mit anschließender Verformung dieses Bauteilbereichs. Die Erwärmung mittels der Induktorspule kann kontinuierlich oder auch im Pulsmodus durchgeführt werden.
Selbstverständlich können auch mehrere, gegebenenfalls unterschiedlich ausgebildete Induktorspulen eingesetzt werden, über welche gleichzeitig mehrere Bereiche eines Bauteils lokal erwärmt und dann umgeformt werden. Hierfür ist das Umformwerkzeug entsprechend ausgebildet.
Die Induktorspule kann nach dem Erwärmen des lokalen Bauteilbereichs aber auch aus dem erwärmten Bereich verlagert werden, so dass erst danach die Verformung mittels eines Umformwerkzeugs durchgeführt wird.
Wenn die Induktorspule ringförmig (kreisförmig oder mehreckig) und/oder zum Beispiel gabelförmig ausgebildet wird, kann der Wärmefluss im Bauteil gezielt für die Erwärmung des jeweils umzuformenden Bereichs genutzt werden. Die Konfiguration der Induktorspule(n) wird speziell an das Umformwerkzeug angepasst.
Mit Hilfe derartiger Induktorspulen können an einem zum Beispiel hohlen Strangpressprofil mit wenigstens einem inneren Längssteg und/oder seitlich abstehenden Flanschen beliebige Abschnitte des Strangpressprofils gezielt lokal erwärmt und anschließend verformt werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Perspektive eine Vorrichtung zum Umformen eines Bauteils und
2 ebenfalls in schematischer Perspektive eine weitere Vorrichtung zum Umformen eines Bauteils.
Mit 1 ist in der 1 eine Vorrichtung zur lokalen Verformung eines Bauteils 2 bezeichnet, das beim Ausführungsbeispiel aus einem hohlen Strangpressprofil aus einer hochfesten ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung besteht.
Das Bauteil 2 weist zwei Längskanäle 3 auf. Die Längskanäle 3 sind mittels eines Längsstegs 4 voneinander getrennt. Außerdem sind am Bauteil 2 zwei über die Längsseiten 9 vorstehende seitliche Flansche 5 vorgesehen.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Halterung 6, an der das Bauteil 2 örtlich fixiert werden kann. Dazu sind an einer Basisplatte 7 der Halterung 6 quer verlagerbare Backen 8 vorgesehen.
Ferner weist die Vorrichtung 1 eine beim Ausführungsbeispiel rechteckig konfigurierte Induktorspule 10 auf, die in Richtung des Doppelpfeils 11 quer verlagerbar ist.
Darüber hinaus bildet ein vertikal verlagerbares Umformwerkzeug 12 mit einem Umformstempel 13 Bestandteil der Vorrichtung 1. Der Umformstempel 13 erzeugt an der Breitseite 14 des Bauteils 2 nicht näher veranschaulichte Prägungen.
Nach dem Einführen des Bauteils 2 in die Halterung 6 und seiner örtlichen Fixierung mittels der Backen 8 wird bei angehobenem Umformwerkzeug 12 zunächst die Induktorspule 10 an einen lokal zu erwärmenden Bauteilbereich 15 herangefahren und dieser Bauteilbereich 15 im Pulsbetrieb maximal 1 Minute auf eine Temperatur zwischen 100°C und 300°C erwärmt. Hierbei kann gegebenenfalls auch mindestens ein Abschnitt eines Flanschs 5 erwärmt werden. Danach wird das Umformwerkzeug 12 in Richtung auf das Bauteil 2 bewegt und mittels des Umformstempels 13 wird die gewünschte Prägung am Bauteil 2 erzeugt. Hierbei verbleibt die Induktorspule 10 am Ort. Das heißt, der Umformstempel 13 wird durch die Induktorspule 10 bewegt. Eine Erwärmung während der Umformung erfolgt jedoch nicht mehr.
Ist die Prägung beendet, wird das Bauteil 2 bei in die obere Ausgangsposition verlagertem Umformwerkzeug 12 nach dem Lösen der Backen 8 in der Halterung 6 bis zum nächsten umzuformenden Bauteilbereich 15a weiter verlagert. Anschließend wird das Bauteil 2 mittels der Backen 8 wieder verspannt, der neu umzuformende Bauteilbereich 15a erwärmt und dann wird eine neue Prägung durchgeführt.
Eine Variante der Verformung kann aber auch darin bestehen, dass nach dem Erwärmen des jeweils umzuformenden Bauteilbereichs 15, 15a mittels der Induktorspule 10 diese gemäß dem Doppelpfeil 11, dem Doppelpfeil 11a oder dem Doppelpfeil 11b aus dem Aktivbereich des Umformwerkzeugs 12 verlagert und danach das Bauteil 2 mittels des Umformwerkzeugs 12 in der gewünschten Weise verformt wird.
Die Vorrichtung 1 kann auch mehrere Induktorspulen 10 aufweisen, mit denen eine darauf abgestimmte Anzahl an Bauteilbereichen 15, 15a usw. gleichzeitig erwärmt wird. Das Umformwerkzeug 12 besitzt dann entsprechend viele Umformstempel 13, die gegebenenfalls unterschiedlich konfiguriert sein und dadurch voneinander abweichende Prägungen an einer Breitseite 14, einem inneren Längssteg 4 und/oder an den Flanschen 5 eines Bauteils 2 erzeugen können.
Im Rahmen der Vorrichtung 1a gemäß der 2 wird mit Hilfe einer gabelförmigen Induktorspule 10a der innere Längssteg 4 eines Bauteils 2 lokal, das heißt endseitig, erwärmt. Diese Maßnahme kann zum Beispiel bei der lokalen Umformung eines als Stoßfängerprofil vorgesehenen Bauteils 2 vorgenommen werden. Hierbei wird das Bauteil 2 für die Anbringung einer Abschleppöse lokal geprägt. Zu diesem Zweck wird die Induktorspule 10a gemäß dem Doppelpfeil 16 an das Bauteil 2 herangeführt, wobei der Längssteg 4 umgriffen wird. Nach der Erwärmung wird die Induktorspule 10a auch wieder in dieser Richtung entfernt.
Ansonsten entspricht die Ausführungsform der 2 derjenigen der 1, so dass von einer nochmaligen Erläuterung Abstand genommen wird.
Die Induktorspulen 10 und 10a können auch gleichzeitig zur Erwärmung der entsprechenden Bauteilbereiche 15, 5 und 4 eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
1a: Vorrichtung
2: Bauteil
3: Längskanäle in 2
4: Längssteg v. 2
5: Flansche v. 2
6: Halterung
7: Basisplatte v. 6
8: Backen v. 6
9: Längsseite v. 2
10: Induktorspule
10a: Induktorspule
11: Doppelpfeil
11a: Doppelpfeil
11b: Doppelpfeil
12: Umformwerkzeug
13: Umformstempel
14: Breitseite v. 2
15: Bauteilbereich
15a: Bauteilbereich
16: Doppelpfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19620196 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (2), das aus einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung besteht, bei welchem ein Bauteilbereich (4, 5, 15) thermisch behandelt und dann verformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verformende Bauteilbereich (4, 5, 15) maximal 1 Minute lokal induktiv auf eine Temperatur zwischen 100°C und 300°C erwärmt und dann mechanisch verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des zu verformenden Bauteilbereichs (4, 5, 15) im Pulsmodus durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verformende Bauteilbereich (4, 5, 15) mittels einer auf die Kontur dieses Bauteilbereichs (4, 5, 15) abgestimmten Induktorspule (10, 10a) erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Erwärmung des zu verformenden Bauteilbereichs (5, 15) mittels einer ringförmigen Induktorspule (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Verformung des Bauteilbereichs (5, 15) mittels eines durch die Induktorspule (10) bewegten Umformstempels (13) als Bestandteil eines Umformwerkzeugs (12) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Erwärmung des zu verformenden Bauteilbereichs (4) mittels einer gabelförmigen Induktorspule (10a) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Verformung des Bauteilbereichs (4, 5, 15) mittels eines nach der Verlagerung der Induktorspule (10, 10a) aus dem erwärmten Bauteilbereich (4, 5, 15) an diesen Bauteilbereich (4, 5, 15) herangeführten Umformwerkzeugs (12) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) nach der lokalen Umformung weiteren Umformschritten unterworfen wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine das lokal zu verformende Bauteil (2) örtlich fixierende Halterung (6), ein quer zum Bauteil (2) verlagerbares Umformwerkzeug (12) sowie mindestens eine am Bauteil (2) platzierbare Induktorspule (10, 10a).
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktorspule (10) ringförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,, dass die Induktorspule (10a) gabelförmig ausgebildet ist.