DE102010011762A1

DE102010011762A1 - Verfahren zur Kontrolle mechanischer Bauteileigenschaften thermomechanisch umgeformter Blechbauteile

Info

Publication number: DE102010011762A1
Application number: DE201010011762
Authority: DE
Inventors: Christoph Steins; Bernhard Tabeling; Markus Pellmann; Prof. Dr. Rostek Wilfried; Frank Stelzer
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2011-09-22

Abstract

Verfahren zur Kontrolle mechanischer Bauteileigenschaften thermomechanisch umgeformter Blechbauteile (5) mit folgenden Schritten: a) thermographische Erfassung der Temperatur und Temperaturverteilung eines auf eine Umformtemperatur erwärmten Blechs (3); b) Warmumformung des Blechs (3) zu einem Blechbauteils (5); c) flächige thermographische Erfassung der Temperatur und Temperaturverteilung des warm umgeformten Blechbauteils (5); d) Die Messwerte, die nach der Umformung erfasst worden sind, werden mittels eines mathematischen Algorithmus zur Bestimmung von Werkstoffwerten umgerechnet und mit Referenzwerten verglichen, wobei dem mathematischen Algorithmus neben den thermographischen Messwerten vor der Umformung wenigstens ein weiterer Eingangsparameter zugrunde liegt, ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Parametern: Werkstoff des Blechs (3), Beschichtung des Blechs (3), Geometrie des Blechs (3), Werkstoff des Umformwerkzeugs (2), Beschichtung des Umformwerkzeugs (2), Zuhaltezeit des Umformwerkzeugs (2), Temperatur und Temperaturverteilung des Umformwerkzeugs (2), Kühlleistung und Kühlleistungsverteilung des Umformwerkzeugs (2), Flächenpressung während der Umformung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle mechanischer Bauteileigenschaften thermomechanisch umgeformter Blechbauteile mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
In einem Warmformprozess hergestellte Bauteile müssen hinsichtlich ihrer mechanischen Kennwerte kontrolliert werden, um zu überprüfen, ob die Bauteile die angestrebten Materialeigenschaften besitzen. Bei Warmumformungsverfahren wird die für eine Umformung vorgesehene Ausgangsplatine aus einem umwandelbaren Stahlwerkstoff zunächst in einer Erwärmungseinrichtung auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt. Anschließend erfolgt der schnelle Transfer der erwärmten Metallplatine in ein Umformwerkzeug. Beim Schließen des Umformwerkzeugs findet zum einen die Umformung der Metallplatine zur vorgesehenen Bauteilkontur statt, zum anderen erfolgt aufgrund des Kontaktes der Metallplatine mit dem Umformwerkzeug und durch Strahlungsaustausch eine rasche Abkühlung des Werkstücks. Nach dem vollständigen Schließen am Ende des Umformprozesses wird das Umformwerkzeug noch weiterhin mit dem eingelegten Werkstück geschlossen gehalten, um eine Abkühlung auf die angestrebte Bauteilendtemperatur zu erreichen. Anschließend wird das Werkzeug geöffnet und das fertige Werkstück entnommen. Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit in der Metallplatine während des Umform- und Härteprozesses innerhalb des Werkzeugs kommt es zu einer starken Festigkeitszunahme des Werkstoffs in Folge eines Härteprozesses.
Die Vorgänge während des Umformprozesses können durch physikalische Messmethoden nur sehr schwer analysiert werden. Daher werden nach der Umformung mechanische Proben aus dem fertigen Bauteil herausgeschnitten und zum Beispiel einer Härtemessung oder einer Zugprüfung zugeführt. Diese Vorgehensweise ist sehr zeit- und kostenaufwendig und führt zwangsläufig zur Zerstörung des Bauteils.
Ein weiterer Nachteil ist, dass die Zeit zwischen der Probenentnahme und dem Prüfungsergebnis teilweise relativ lang ist, was dazu führen kann, dass während der Prüfzeit eventuell Teile produziert werden, die nicht den Qualitätsanforderungen entsprechen. Um den Ausschuss zu reduzieren wird angestrebt, die Prüfungszeit so kurz wie möglich zu halten.
Insbesondere bei der Warmumformung von ultrahochfestem Stahl, zum Beispiel zur Herstellung armierender Beplankungen zum Schutz von Fahrzeuginsassen, besteht die Gefahr, dass aufgrund der großen Wanddicken eine unvollständige Durchhärtung des Stahlwerkstoffs erfolgt. Hieraus resultiert letztendlich die Gefahr einer verminderten Beschussständigkeit. Gerade bei der Herstellung armierender Beplankungen kommt es auf eine rasche Überprüfung der Bauteilfestigkeit an, um die angestrebte Bauteilqualität garantieren zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei einem durch einem Warmformprozess hergestellten Blechbauteils die mechanischen Kennwerte mit möglichst kurzer Prüfzeit und hinreichender Genauigkeit zu bestimmen, um eine Entscheidung zu treffen, ob es sich um ein Gutteil oder um ein Ausschussteil handelt.
Diese Aufgabe ist bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren greift auf thermographische Untersuchungen der Bauteiloberfläche zurück. Thermographieuntersuchungen werden in einer Vielzahl von zivilen und militärischen Anwendungen eingesetzt, um schnell eine flächenhafte Temperaturverteilung bzw. ein Temperaturprofil zur Verfügung zu stellen. Mit geeigneten Kameras ist eine schnelle und vor allen Dingen berührungslose Erfassung der Temperatur und Temperaturverteilung möglich.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, zunächst eine thermographische Erfassung der Temperatur und Temperaturverteilung eines auf eine Umformtemperatur erwärmten Blechs vorzunehmen. Diese Messung erfolgt mit dem Ziel, einen Eingangsparameter für einen mathematischen Algorithmus zur Verfügung zu stellen, mit dessen Hilfe letztlich die Werkstoffeigenschaften des umgeformten Blechbauteils berechnet werden.
An die Erwärmung und thermographische Untersuchung des Blechs schließt sich die Warmumformung des Blechs zu einem Blechbauteil an. Warmumformung bezeichnet das Umformen von Metallen bei einer Arbeitstemperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur. Unter dem Begriff Warmumformen wird im Sinne der Erfindung auch das Presshärten verstanden, bei welchem das Blechbauteil innerhalb des Umformwerkzeugs eine Wärmebehandlung erfährt. Während des Kontakts des umgeformten Blechs mit dem partiell oder vollständig gekühlten Umformwerkzeug wandelt sich der bei der Erwärmung gebildete Austenit in Martensit um. Durch diese Gefügeumwandlung entstehen Bauteile höchster Festigkeit. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass bei einer nur partiellen Vergütung auch vorkommen kann, dass es im Werkzeug Bereiche vorgesehen sind, die nicht gekühlt werden oder sogar beheizt werden, um am Bauteil Bereiche unterschiedlicher Härte zu schaffen.
Im Anschluss an die Warmumformung wird das umgeformte Blechbauteil aus dem Umformwerkzeug entnommen. Es erfolgt eine flächige thermographische Erfassung der Temperatur und Temperaturverteilung des warm umgeformten Blechbauteils. An dieser Stelle ist der eigentliche Messvorgang abgeschlossen. Eine Probenentnahme zur klassischen Überprüfung mittels Härteprüfung und Zugprüfung kann entfallen. Gegebenenfalls kann diese zusätzliche Prüfung zur Kalibrierung oder auch zur Verifikation der ausgewerteten Messergebnisse durchgeführt werden.
Die Berechnung der Werkstoffeigenschaften erfolgt durch einen mathematischen Algorithmus, welchem neben den thermographischen Messwerten vor und nach der Umformung wenigstens ein weiterer Eingangsparameter zugrunde liegt, ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Parametern:
Werkstoff des Blechs, Beschichtung des Blechs, Geometrie des Blechs, Werkstoff des Umformwerkzeugs, Beschichtung des Umformwerkzeugs, Zuhaltezeit des Umformwerkzeugs, Temperatur und Temperaturverteilung des Umformwerkzeugs, Kühlleistung und Kühlleistungsverteilung des Umformwerkzeugs und Flächenpressung während der Umformung.
Diese errechneten Werte, insbesondere die Festigkeit wird mit Referenzwerten verglichen, die den Zielvorgaben entsprechen.
Dieser Vergleich mit den Referenzwerten erfolgt rechnerisch innerhalb sehr kurzer Zeit. Anhand dieses Vergleichs kann eine Entscheidung getroffen werden, ob die Abweichungen von den Referenzwerten außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegen. Wird der Toleranzbereich verlassen, wird das Bauteil als nicht in Ordnung klassifiziert und aussortiert. Liegt die Abweichung von dem Referenzwert innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereiches, wird das Bauteil als in Ordnung klassifiziert.
Der entscheidende Vorteil des Verfahrens ist, dass das Messergebnis durch die rechengestützte Datenverarbeitung sofort zur Verfügung steht und bei Ausschussteilen unmittelbar, das heißt ohne durch die Prüfung bedingte Zeitverzögerung, auf den Produktionsprozess Einfluss genommen werden kann. Insbesondere kann die Temperaturführung so eingestellt werden, dass die fertigen Bauteile innerhalb der vorgegebenen Toleranzwerte liegen. Natürlich kann auch die Zuhaltezeit des Umformwerkzeugs modifiziert werden. Auch kann die Kühlleistung und Kühlleistungsverteilung des Umformwerkzeugs angepasst werden.
In einer Verfeinerung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die nach der Umformung thermographisch erfassten und umgerechnete Messwerte mit unterschiedlichen Parametersätzen verglichen werden. Wie bereits erwähnt, ist die Entnahmetemperatur eine Funktion von verschiedenen Parametern, wie zum Beispiel der Zuhaltezeit, der Flächenpressung bzw. den Kontaktverhältnissen zwischen Werkzeug und Werkstück während der Umformung, des Bauteilwerkstoffes, der Werkzeug- und Werkstückbeschichtung und des Werkzeugkühlkonzepts. Aus dem Zusammenspiel dieser Parameter ergibt sich, dass ein Abgleich für jede Fertigungskombination zu erstellen ist, um Referenzwerte festzulegen. Die Kontrolle des mathematischen Algorithmus kann durch einen Abgleich mit empirischen Messwerten erfolgen.
Mit dieser Methode ist eine zerstörungsfreie 100%-Kontrolle der Produktion möglich. Selbst wenn mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konventionelle Methoden nicht vollständig ersetzt werden können, kann dennoch ein Beitrag dazu geleistet werden, die Kosten und den Aufwand für die Bauteilprüfung deutlich zu verringern, da mit der flächenhaften thermographisch ermittelten Temperatur des umgeformten Blechbauteils die lokale Festigkeit mathematisch bestimmbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere bei der Serienherstellung von Strukturbauteilen von Kraftfahrzeugen, die in einem Umformvorgang warm umgeformt und gleichzeitig martensitisch gehärtet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den rein schematisch dargestellten Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels erläutert.
1 zeigt eine Umformpresse 1 mit geöffnetem Werkzeug 2. Zwischen den Werkzeughälften befindet sich ein zuvor auf eine Umformtemperatur, das heißt auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur, erwärmtes Blech 3. Die Temperatur des Blechs wird thermographisch mittels einer Messeinrichtung 4 erfasst. Die so erfassten Messwerte werden zwischengespeichert. Nach der Umformung wird das fertige Blechbauteil 5 aus der Umformpresse 1 entnommen und nochmals thermographisch mittels einer Messeinrichtung 6 vermessen. Während bei der Messung vor der Umformung eine punktuelle Erfassung der Temperatur des Blechs 3 ausreichen kann, um auf die gesamte Temperatur des Blechs 3 zurückzuschließen, erfolgt bei der Thermographie nach der Entnahme eine flächige Erfassung, um die Temperaturverteilung zu analysieren.
Die Temperaturverteilung des umgeformten Bauteils 5 nach Entnahme aus der Umformpresse 1 wird einer Datenverarbeitungsanlage zugeführt. Aus der Temperaturverteilung werden mittels eines mathematischen Algorithmus Werkstoffkennwerte berechnet. Diese bestimmen sich in Abhängigkeit von der Umformtemperatur des Blechs 3 vor der Umformung und weiteren Parametern des Herstellungsprozesses, insbesondere des Werkstoffs des Blechs, der Beschichtung des Blechs, der Geometrie (insbesondere der Dicke) des Blechs, des Werkstoff des Umformwerkzeugs, der Beschichtung des Umformwerkzeugs, der Zuhaltezeit des Umformwerkzeugs, der Temperatur und Temperaturverteilung des Umformwerkzeugs, der Kühlleistung und Kühlleistungsverteilung des Umformwerkzeugs sowie der Flächenpressung und den Kontaktverhältnissen während der Umformung.
Anhand des Vergleichs der errechneten Werte mit den Referenzwerten wird geprüft, ob die errechneten Werte in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen. Wenn dieser Toleranzbereich verlassen wird, wird das entsprechende Blechbauteil 5 als Ausschuss deklariert und aussortiert. Dann wird ein oder es werden mehrere Verfahrensparameter geändert, um den Herstellungsprozess so einzustellen, dass nachfolgend gefertigte Bauteile innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegen.
Bezugszeichenliste

1: Umformpresse
2: Werkzeug
3: Blech
4: thermographische Messeinrichtung
5: Blechbauteil
6: thermographische Messeinrichtung

Claims

Verfahren zur Kontrolle mechanischer Bauteileigenschaften thermomechanisch umgeformter Blechbauteile (5) mit folgenden Schritten: a) thermographische Erfassung der Temperatur und Temperaturverteilung eines auf eine Umformtemperatur erwärmten Blechs (3); b) Warmumformung des Blechs (3) zu einem Blechbauteils (5); c) flächige thermographische Erfassung der Temperatur und Temperaturverteilung des warm umgeformten Blechbauteils (5); d) Die Messwerte, die nach der Umformung erfasst worden sind, werden mittels eines mathematischen Algorithmus zur Bestimmung von Werkstoffwerten umgerechnet und mit Referenzwerten verglichen, wobei dem mathematischen Algorithmus neben den thermographischen Messwerten vor der Umformung wenigstens ein weiterer Eingangsparameter zugrunde liegt, ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Parametern: Werkstoff des Blechs (3), Beschichtung des Blechs (3), Geometrie des Blechs (3), Werkstoff des Umformwerkzeugs (2), Beschichtung des Umformwerkzeugs (2), Zuhaltezeit des Umformwerkzeugs (2), Temperatur und Temperaturverteilung des Umformwerkzeugs (2), Kühlleistung und Kühlleistungsverteilung des Umformwerkzeugs (2), Flächenpressung während der Umformung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der Umformung thermographisch erfassten und mittels des mathematischen Algorithmus umgerechneten Messwerte mittels unterschiedliche Parametersätzen bestimmt und mit weiteren Referenzwerten verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bei einer zu großen Abweichung der nach der Umformung erfassten und umgerechneten Messwerte von den Referenzwerten wenigstens eines Parametersatzes ein Blechbauteil (5) als nicht in Ordnung klassifiziert und aussortiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der Umformung thermographisch erfassten und umgerechneten Messwerte unter Berücksichtigung der Eingangsparameter dazu verwendet werden, eine Festigkeitsverteilung des umgeformten Blechbauteils (5) zu berechnen.