DE102010055946A1

DE102010055946A1 - Verfahren zum Herstellen eines Metallformteils

Info

Publication number: DE102010055946A1
Application number: DE201010055946
Authority: DE
Inventors: Jürgen 72108 Ehrenpfort; Martin Dipl.-Ing. 71069 Grünbaum; Ngoc Bao Dipl.-Ing. 70193 Lam Phan; Kathleen Dipl.-Ing. 99831 Siefert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Ehrenpfort Juergen De; Gruenbaum Martin Dipl-Ing De; Klaus Kathleen Dr De; Phan Ngoc Bao Lam Dipl-Ing De
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2011-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metallformteils (26), umfassend folgende Schritte: Einlegen des Metallblechs (10) in ein Umformwerkzeug (14); Teilumformen des Metallblechs (10) bei Raumtemperatur zu einem teilumgeformten Metallblech (20); zumindest partielles Kältebehandeln des teilumgeformten Metallblechs (20); und anschließendes Endumformen des teilumgeformten Metallblechs (20) zu dem Metallformteil (26).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metallformteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Das Umformen von Metallblechen zu Metallformteilen, welche beispielsweise als Karosserieteile für die Fahrzeugindustrie genutzt werden, ist in verschiedensten Formen bekannt. Zum einen werden diese Metallformteile durch Kaltumformen hergestellt, wobei bei diesem Verfahren eine Formänderung des Metallblechs bei gleich bleibender Masse und Stoffzusammensetzung erfolgt. Mit diesem Verfahren können allerdings je nach Blechgüte nur geringe Umformgrade erreicht werden. Aus diesem Grund werden unter anderem auch Halbwarm- und Warmumformverfahren verwendet, da durch diese Verfahren der Umformgrad im Vergleich zum Kaltumformen gesteigert werden kann.
Aus der DE 10 2008 032 911 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils als bekannt zu entnehmen. Bei diesem Verfahren erfolgt zunächst eine Teilumformung des Aluminiumblechs, danach eine Warmauslagerung des teilumgeformten Aluminiumblechs und schließlich das Umformen des teilumgeformten Aluminiumblechs zu dem Aluminium-Formteil. Durch die Wärmebehandlung, welche üblicherweise bei einer Temperatur von 300°C erfolgt, werden Kaltverfestigungen, die beim ersten Teilumformprozess im Werkstück auftreten, reduziert. Somit kann durch dieses Verfahren insgesamt ein höherer Umformgrad erreicht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Metallformteils der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem ein hoher Umformgrad auf eine besonders energieeffiziente Weise erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines Metallformteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren zum Herstellen eines Metallformteils der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem besonders energieeffizient ein hoher Umformgrad erreicht wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Zunächst wird das Metallblech in ein Umformwerkzeug, beispielsweise ein Presswerkzeug, eingelegt. Im Anschluss erfolgt ein Teilumformen des Metallblechs zu einem teilumgeformten Metallblech. Das Teilumformen erfolgt bei Raumtemperatur. Hierbei handelt es sich um das bereits eingangs erwähnte Kaltumformverfahren. Danach erfolgt eine zumindest partielle Kältebehandlung des teilumgeformten Metallblechs. Durch die Kältebehandlung werden die Materialeigenschaften des Metallblechs verändert und somit ein weiterer Umformschritt ermöglicht. Anschließend erfolgt das Endumformen des Metallblechs zu dem Metallformteil. Das Kältebehandeln des Metallblechs erfolgt üblicherweise bei einer Temperatur unter –78°C. Dies ist diejenige Temperatur, bei welcher Trockeneis sublimiert, also in einen gasförmigen Zustand übergeht. Um das Metallteil auf diese Temperatur abzukühlen, ist aufgrund der geringen Temperaturdifferenz ein verhältnismäßig geringer Energiebedarf notwendig. Somit ist das Verfahren energieeffizient und ermöglicht zudem einen hohen Umformgrad.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es dabei vorgesehen, dass bei der Kältebehandlung das komplette Metallblech gekühlt wird. Somit kann das Metallblech während der Kältebehandlung komplett in einer entsprechenden Kühlvorrichtung oder einer Kältekammer angeordnet werden. Auf diese Weise kann das Kältebehandeln einfach ausgeführt werden und die Prozesskosten somit reduziert werden.
Dabei hat es sich als weiter vorteilhaft gezeigt, dass die Kältebehandlung bei einer Temperatur unter –78°C, insbesondere zwischen –100°C und –200°C erfolgt. Die Kältebehandlung des Metallblechs kann beispielsweise mit Trockeneis, welches aus festem Kohlenstoffdioxid besteht und bei einer Temperatur von etwa –78°C sublimiert, erfolgen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Metallblech in flüssigem Stickstoff bei einer Temperatur von –200°C zu kühlen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Metallblech nach der Kältebehandlung und vor dem nachfolgendem Umformschritt auf Raumtemperatur erwärmt wird. Durch die Erwärmung des Metallblechs auf Raumtemperatur können gegebenenfalls die Umformeigenschaften des Metallblechs verbessert werden. Somit können Fertigungstoleranzen, welche beim anschließenden Umformprozess infolge der unterschiedlichen Temperaturen des Metallblechs und des Umformwerkzeugs oder durch die geänderten Materialeigenschaften des abgekühlten Metallblechs auftreten können, verhindert werden.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass das Metallblech aus einer Aluminium-Guss-Legierung besteht. Beispiele hierfür sind Legierungen von Aluminium und Silizium, wobei die Legierung ebenso Anteile von Kupfer, Magnesium, Zink oder dergleichen enthalten kann. Aluminium-Guss-Legierungen besitzen üblicherweise den Vorteil, dass sie über eine hohe Festigkeit verfügen und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
Weiterhin vorteilhaft ist es, dass das Metallblech aus einer Aluminium-Knet-Legierung besteht. Diese Legierungen, welche beispielsweise die Legierungselemente Magnesium, Silizium, Kupfer, Zink oder dergleichen enthalten können, weisen meist eine hohe Duktilität auf. Diese Aluminium-Knet-Legierungen werden aufgrund ihrer geringen Dichte und ihrer hohen Festigkeit bevorzugt für den Kraftfahrzeugbau verwendet.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist es dabei vorgesehen, dass das Metallblech aus einer Magnesium-Basis-Legierung besteht. Diese Legierungen, welche üblicherweise Bestandteile aus Aluminium, Mangan, Silizium, oder Zink enthalten, zeichnen sich insbesondere durch ihr geringes Gewicht und ihre hohe Belastbarkeit aus.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass das Metallblech aus einer Titan-Basis-Legierung besteht. Diese Legierungen zeichnen sich ebenfalls durch ihre hohe Festigkeit und ihr geringes Gewicht aus.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
1 in einer schematischen Perspektivansicht das Besprühen des Metallblechs mit einem Schmierstoff;
2 in einer schematischen Seitenansicht das Teilumformen des Metallblechs zu einem teilgeformten Metallblech;
3 in einer schematischen Seitenansicht das Reinigen des Metallblechs in einem Reinigungsbad;
4 in einer schematischen Seitenansicht das zumindest partielle Kältebehandeln des teilumgeformten Metallblechs;
5 in einer schematischen Seitenansicht ein weiteres Besprühen des Metallblechs mit Schmierstoff; und in
6 in einer schematischen Seitenansicht das Endumformen des Metallblechs zu dem Metallformteil.
In der Zusammenschau der 1 bis 6 sind jeweils schematisch die Teilschritte des Verfahrens zum Herstellen eines Metallformteils 26 dargestellt. Die einzelnen Schritte werden im Folgenden näher erläutert.
In 1 ist in einer schematischen Perspektivansicht ein Metallblech 10 dargestellt, welches mit einem Schmierstoff, insbesondere mit einem Ziehöl, mittels eines Sprühkopfs 12 besprüht wird. Durch die Verwendung des Ziehöls wird der spätere Umformprozess erleichtert.
Bei dem Metallblech 10 ist es insbesondere vorgesehen, dass dies aus einer Leichtmetalllegierung besteht. Beispiele hierfür sind Alu-Guss-Legierungen, Alu-Knet-Legierungen, Magnesium-Basis-Legierungen, Titan-Basis-Legierungen oder dergleichen. Diese Legierungen zeichnen sich durch ihre hohe Festigkeit sowie ihre gute Umformbarkeit aus.
2 zeigt das Metallblech 10, welches sich in einem Umformwerkzeug 14, in diesem Beispiel ein Presswerkzeug, befindet. Das dargestellte Umformwerkzeug 14 bzw. Presswerkzeug weist einen Pressstempel 16 auf, mittels welchem das Metallblech 10 in einen Formhohlraum 18 gepresst wird. Hierbei wird das Metallblech 10 nur bis zu einem bestimmten Umformgrad umgeformt, so dass ein teilumgeformtes Metallblech 20 entsteht.
Im Folgenden wird das teilumgeformte Metallblech 20 in ein Reinigungsbad 22 gebracht. In diesem Reinigungsbad 22 wird der Schmierstoff von dem teilumgeformten Metallblech 20 wieder entfernt. Dieser Reinigungsschritt erfolgt, da sich Bestandteile des Schmiermittels infolge der späteren Kältebehandlung an dem teilumgeformten Metallblech 20 ablagern könnten. Dieser Reinigungsschritt kann wie in 3 dargestellt in einem entsprechenden Reinigungsbad 22 erfolgen, es ist aber ebenso denkbar, das teilumgeformte Metallblech 20 mit einer entsprechenden Reinigungslösung zu besprühen oder manuell zu reinigen. Diese Reinigung kann gegebenenfalls auch entfallen, wie weiter unten beschrieben wird.
Im nächsten Schritt des Verfahrens gemäß 4 wird das teilumgeformte Metallblech 20 kältebehandelt. Die Kältebehandlung erfolgt üblicherweise bei einer Temperatur unter –100°C, insbesondere zwischen einer Temperatur von –78°C und –200°C. Für die Kältebehandlung kann beispielsweise Trockeneis oder flüssiger Stickstoff verwendet werden. Diese Kältebehandlung wird durchgeführt, um die lokalen Einwirkungen, vor allem die Verfestigungen, welche infolge des ersten Umformschrittes entstanden sind, innerhalb des teilumgeformten Metallblechs 20 zu reduzieren. Somit kann im anschließenden Endumformen des teilumgeformten Metallblechs 20 ein höherer Umformgrad erreicht werden.
Die Kältebehandlung des teilumgeformten Metallblechs 20 kann wie in 4 dargestellt in einer speziellen Kältekammer 24 erfolgen. In diesem Fall erfolgt eine Kältebehandlung des kompletten teilumgeformten Metallblechs 20. Es ist aber ebenso vorgesehen, das teilumgeformte Metallblech 20 nur partiell bzw. bereichsweise zu kühlen. Dies kann insbesondere an den Stellen erfolgen, welche infolge des ersten Umformschrittes mechanisch am meisten belastet wurden. Das partielle Kühlen des teilumgeformten Metallblechs 20 kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass entsprechende Behältnisse bzw. Rohre an dem teilumgeformten Metallblech 20 angeordnet werden, in welchen sich ein Kühlmedium befindet bzw. welche von dem Kühlmedium durchströmt werden. Ebenso ist es beispielsweise vorgesehen, dass ein fester Kühlstoff, beispielsweise Trockeneis, an den entsprechenden Bereichen des teilumgeformten Metallblechs 20 angeordnet wird.
Wie in 5 dargestellt, wird im Anschluss das teilumgeformte Metallblech 20 erneut mit dem Schmierstoff mittels des Sprühkopfs 12 besprüht. Hierbei ist es aber auch vorgesehen, dass das teilumgeformte Metallblech 20 nach der Kältebehandlung zuvor nochmals auf Raumtemperatur erwärmt wird.
Es kann beispielsweise auch ein Schmiermittel vorgesehen werden, welches von dem Prozess der Kältebehandlung nicht beeinflusst wird oder Rückstände an dem Metallblech 10 zurücklässt. Somit würde der Reinigungsschritt gemäß 3 und das nochmalige Besprühen des teilumgeformten Metallblechs 20 mit dem Schmiermittel gemäß 5 entfallen. Auf diese Weise können die einzelnen Schritte des Verfahrens reduziert werden und somit die Herstellungskosten gesenkt werden.
Im Anschluss wird das teilumgeformte Metallblech 20 wiederum in ein Umformwerkzeug 14 eingelegt. Hierbei erfolgt das Endumformen des teilumgeformten Metallblechs 20 zu mittels des Pressstempels 16 zu dem Metallformteil 26.
Das Verfahren zum Herstellen eines Metallformteils 26 wurde anhand des oben beschriebenen Verfahrens erläutert. Ebenso sind diverse Abwandlungen dieses Verfahrens möglich, bei denen durch eine zusätzliche Kältebehandlung des Metallblechs 10 bzw. des teilumgeformten Metallblechs 20 ein höherer Umformgrad erreicht wird. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass bei der Kältebehandlung ein Temperaturunterschied aufgebracht werden muss, welcher üblicherweise geringer ist als der Temperaturunterschied, welcher bei einer entsprechenden Wärmebehandlung des Metallblechs 10 bzw. des teilumgeformten Metallblechs 20 erforderlich wäre. Somit ist mit diesem Verfahren ein energieeffizientes Umformen eines Metallblechs 10 möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008032911 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Metallformteils (26), umfassend folgende Schritte: – Einlegen des Metallblechs (10) in ein Umformwerkzeug (14); – Teilumformen des Metallblechs (10) bei Raumtemperatur zu einem teilumgeformten Metallblech (20); – zumindest partielles Kältebehandeln des teilumgeformten Metallblechs (20); und – anschließendes Endumformen des teilumgeformten Metallblechs (20) zu dem Metallformteil (26).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kältebehandlung das komplette Metallblech (10) bzw. das teilumgeformte Metallblech (20) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältebehandlung bei einer Temperatur unter –78°C, insbesondere zwischen –100°C und –196°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilumgeformte Metallblech (20) nach der Kältebehandlung und vor dem nachfolgenden Umformschritt auf Raumtemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (10) aus einer Aluminium-Guss-Legierung oder einer Aluminium-Knet-Legierung besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (10) aus einer Magnesium-Basis-Legierung besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (10) aus einer Titan-Basis-Legierung besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (10) vor dem ersten Umformschritt mit einem kältebeständigen Schmierstoff benetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (10) vor dem ersten Umformschritt einer zumindest partiellen Kältebehandlung unterzogen wird.