DE102011007590A1

DE102011007590A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Gleitziehbiegen

Info

Publication number: DE102011007590A1
Application number: DE102011007590A
Authority: DE
Inventors: Dr. Süße Dietmar; Stefan Mütze; Prof. Dr. Behrens Bernd-Arno; Jürgen Rosenberger
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: DE102011007590B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung höchstfester, warm umgeformter Profilbauteile mittels Gleitziehbiegen. Erfindungsgemäß wird das umzuformende Material dabei vor dem Umformen bereichsweise gezielt auf Temperaturen zwischen der Umform- und der Solidustemperatur des Materials erwärmt. Nach der Umformung erfolgt eine gezielte bereichsweise Abkühlung des Materials, wodurch in Kombination die Materialeigenschaften, insbesondere Härte und Duktilität des Materials, gezielt eingestellt werden können. Weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das umzuformende Material mittels mindestens einer Transporteinrichtung durch ein Umformwerkzeug geführt und dabei umgeformt wird. Die Vorrichtung weist weiterhin mindestens eine Erwärmungseinrichtung und mindestens eine Abkühlungseinrichtung zur gezielten erfindungsgemäßen gezielten bereichsweisen Erwärmung bzw. Abkühlung des Materials auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gleitziehbiegen.
Die Bedeutung von individuellen Lösungen, bspw. für spezielle Kundenwünsche, hat in der gesamten Industrie zugenommen. Die Herstellung von Kleinstserien, Losgröße 1 sowie „rapid prototyping” sind daher keine Ausnahmen mehr, sondern fester Bestandteil industrieller Fertigung.
Das Gleitziehbiegen, ein Verfahren zum Biegeumformen mit geradliniger Werkzeugbewegung nach DIN 8586, ist ein für kleine Stückzahlen besonders geeignetes Umformverfahren. Beim Gleitziehbiegen erfolgt ein Biegen von Blechstreifen oder Bändern zu Profilen durch Ziehen durch mindestens ein Formwerkzeug. Die Formwerkzeuge sind dabei in der Regel zweiteilig aus einer Matrize und einem komplementären Stempel ausgebildet, wobei sich zwischen diesen Werkzeughälften der Ziehspalt befindet. Dieser Ziehspalt weist ein Querschnittsprofil auf, das von einem planen Spalt an der Eintrittsöffnung zu Zielprofilform an der Austrittsöffnung übergeht. Dadurch erfolgt bei Durchzug eines Bandmaterials durch den Ziehspalt dessen fortschreitende Umformung zum Zielprofil.
Die EP 0 908 251 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Gleitziehbiegen von Bändern zu Profilen mit einem mehrstufigen sowie in zwei Hälften auseinanderfahrbaren Umformwerkzeug. Weiterhin weist das Umformwerkzeug einen Ziehspalt auf, der ausgehend von einem geraden Schlitz im Eintrittsbereich in Vorschubrichtung in die für das Band angestrebte Endform übergeht. Die Führung als auch das Umformen des Bandes werden dabei durch das Zusammenfahren der Hälften des Umformwerkzeuges verursacht.
Die DE 10 2005 031 437 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Umformen, insbesondere zum Gleitziehbiegen, eines bandförmigen Werkstücks. Das bandförmige Werkstück wird dabei mittels Antriebsrollen kontinuierlich durch ein Umformwerkzeug gezogen und umgeformt. Die zweiteilige Ausgestaltung des Umformwerkzeugs, wobei mindestens eine Hälfte des Umformwerkzeugs um eine senkrecht zur Ziehrichtung angeordnete Drehachse schwenkbar ist, erlaubt das Umformen von Bandmaterial zu gekrümmten Profilen.
Die Druckschrift DE 10 2006 008 237 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Gleitziehbiegen, insbesondere ein aus einer Matrize und einem Stempel bestehendes Umformwerkzeug. Das Umformwerkzeug ist dabei zumindest bereichsweise um eine parallel zur Ziehrichtung angeordnete Drehachse schwenkbar ausgestaltet. Dadurch kann die Querschnittsgeometrie des zwischen Matrize und Stempel befindlichen Ziehspaltes verändert werden. Dies ermöglicht die Herstellung von Profilen mit komplexen Geometrien.
Die DE 2813636 A1 hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Profilen aus Metall zum Gegenstand. Die Aufgabe der Erfindung ist dabei insbesondere die Herstellung von Profilen mit variabler Wanddicke. Gelöst wird diese Aufgabe durch die geeignete Kombination von Kalt- und Warmformprozessen.
In der DE 10 2007 057 855 B3 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils aus einer von Bandmaterial abgetrennten metallischen Platine offenbart. Dabei werden verschiedene Bereiche der Platine in einem mehrere Temperaturzonen aufweisenden Ofen unterschiedlich temperiert. Die eigentliche Umformung der Platine in ein Formbauteil erfolgt in einem anschließenden Warmformprozess.
Derartige Verfahren zum Gleitziehbiegen haben bisher kaum Einzug in die industrielle Fertigung gehalten, insbesondere da sich diese, aus dem Stand der Technik bekannten, Verfahren durch einen hohen Werkzeugverschleiß auszeichnen. Dieser Verschleiß resultiert vor allem aus den hohen Kontaktdrücken und hohen Relativbewegungen, denen die Werkzeugflächen während des Durchzugs des Materials durch das Umformwerkzeug ausgesetzt sind.
Die Zugfestigkeit eines Materials, die zur Umformung aufzubringende Arbeit sowie die Druckbelastung der Umformwerkzeuge können durch Erwärmung des Materials vermindert werden. Die Wärmebehandlung während des Gleitziehbiegens begünstigt jedoch ein Abreißen des Bandmaterials und erhöht zudem den thermischen Verschleiß. Daher wird Gleitziehbiegen in der Regel als Kaltformverfahren durchgeführt.
Ein weiterer Nachteil bekannter Verfahren zur Warmformgebung ist, dass häufig Verzunderungen des zu bearbeitenden Materials oder der sekundär erhitzten Werkzeuge auftreten. Dieser Oxidationsverschleiß tritt bei der Reaktion von atmosphärischem Sauerstoff mit den Oberflächenbereichen stark erhitzter Metalle auf. In bekannten Verfahren können daher oft nur speziell beschichtete Werkstoffe verarbeitet werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein kostengünstiges, schnelles Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung höchstfester, warm umgeformter Profilbauteile mittels Gleitziehbiegen vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Hauptanspruchs und des Anspruches 9. Vorzugsweise Weiterbildungen sind in rückbezogenen Unteransprüchen dargelegt.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Gleitziehbiegen wird ein Material, insbesondere Metalle, deren Legierungen oder organische Verbindungen, mittels Durchzug durch ein oder mehrere Umformwerkzeuge umgeformt. Die zur Umformung nötige Zugkraft wird dabei durch eine den Umformwerkzeugen nachfolgende Zugeinrichtung aufgebracht. Abhängig von der Art dieser Zugeinrichtung und des Materials kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Gleitziehbiegen sowohl kontinuierlich, bspw. als fortlaufende Bearbeitung eines bandförmigen Materials, oder diskontinuierlich, bspw. als abschnittsweise Bearbeitung einzelner Zuschnitte, durchgeführt werden.
Vor der Umformung des Materials erfolgt zunächst dessen bereichsweise Erwärmung. In einer Erwärmungseinrichtung werden gezielt bestimmte lokale Bereiche des Materials auf eine bestimmte Temperatur erwärmt.
Die Erwärmung des Materials erfolgt dabei in allen Bereichen auf Temperaturen zwischen der Umform- und der Solidustemperatur des verwendeten Materials. Dabei ist die Umformtemperatur die Temperatur bei und oberhalb der das Material in eine beliebig vorgebbare Raumform umformbar ist und unterhalb welcher das Material in dieser Raumform verbleibt. Die Solidustemperatur bezeichnet die Temperatur bis zu der das Material vollständig in fester Phase vorliegt.
In diesem Temperaturbereich ist die Zugfestigkeit der Materialen, insbesondere metallischer, deutlich verringert und somit deren Umformbarkeit in einem Gleitziehbiegeverfahren deutlich erhöht. Gleichzeitig sind in diesem Temperaturbereich umformprozessbedingte Eigenspannungen, die Gefahr des Abreißen des Materials beim Gleitziehbiegen sowie die Heißrissbildung gering. Somit kann nach der bereichsweise gezielten Erwärmung des Materials, auf Temperaturen zwischen dessen Umform- und der Solidustemperatur, erfindungsgemäß dessen Umformung in einem Gleitziehbiegeverfahren durchgeführt werden.
Nach dem Umformen wird das Material, das immer noch Bereiche unterschiedlicher Temperatur aufweist, einer Abkühlungseinrichtung zugeführt. Dort erfolgt die bereichsweise Abkühlung des umgeformten Materials auf bestimmte Zieltemperaturen. Durch dieses Abschrecken des Materials wird dessen Gefüge verändert und es kommt zu einer bereichsweisen Änderung der Festigkeitseigenschaften des Materials. Unter bereichsweise versteht man dabei beliebig lokalisierbare Bereiche des Materials.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich für alle Materialien, die mittels Gleitziehbiegen umformbar sind. Besonders geeignet sind bandförmige Materialien, aber auch Zuschnitte.
Durch die bereichsweise gezielte Erwärmung und Abkühlung des Materials erfolgen in den verschiedenen Bereichen unterschiedliche Änderungen des Gefüges. Daraus resultiert ein umgeformtes Bauteil mit bereichsweise verschiedenen Materialeigenschaften, insbesondere bereichsweise unterschiedlicher Härte bzw. Duktilität.
Durch die Kombination und Koordination von Gleitziehbiegen und bereichsweise verschiedener Härtung des Materials können kostengünstig Bauteile erzeugt werden, deren Festigkeit an ihre Form angepasst ist. Somit ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Anpassung der Festigkeitseigenschaften eines Bauteils an dessen Verwendung sowie die Herstellung solcher Bauteile in einem einzigen Arbeitsgang möglich.
Bevorzugt wird die gezielte bereichsweise Erwärmung bzw. Abkühlung durch eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung koordiniert. Diese kontrolliert die bereichsweise gezielte Erwärmung und Abkühlung derart, dass gewünschte Temperaturverteilungen im Material erzeugt werden. Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials, sowohl in Bezug auf die Bearbeitungsgeschwindigkeit als auch in Hinblick auf die Anordnung bzw. Beabstandung der Erwärmungselemente, zu berücksichtigen. Besonders bevorzugt koordiniert die Steuer- bzw. Regeleinrichtung auch die Erwärmung und Abkühlung mit der Umformung des Materials. Dabei wird unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit die bereichsweise Erwärmung des Materials so koordiniert, dass bei der danach folgenden Umformung eine gewünschte Temperaturverteilung im Material vorliegt. Weiterhin bevorzugt koordiniert die Steuer- bzw. Regeleinrichtung die Abkühlung derart, dass die gezielte Abkühlung von Bereichen des Materials in Abhängigkeit der zuvor erfolgten gezielten Erwärmung derselben erfolgt.
Mittels der Steuerung bzw. Regelung von bereichsweise gezieltem Erwärmen, Umformen und Abkühlen durch die Steuer- bzw. Regeleinrichtung können diese drei Verfahrensabschnitte erfindungsgemäß aufeinander abgestimmt werden. Bevorzugt erlaubt die Steuer- bzw. Regeleinrichtung die Identifikation eines bestimmten, zuvor gezielt erwärmten Bereiches in den nachfolgenden Verfahrensabschnitten des Umformens und Abkühlen. Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, die Formgebung und die Einstellung der Festigkeitseigenschaften des Materials zu koordinieren. Dafür stehen der Steuer- bzw. Regeleinrichtung besonders bevorzugt verschiedene Detektoren zur Identifizierung und Kontrolle, bzw. zur Bestimmung der Temperatur, bestimmter Bereiche des Materials zur Verfügung. Als Detektoren kommen bevorzugt Temperaturmessgeräte, bspw. Pyrometer, sowie bildgebende Detektoren, wie Kameras, insbesondere Infrarotkameras, zum Einsatz. Zudem werden weitere Verfahrensparameter, wie bspw. Bearbeitungsgeschwindigkeit und Ziehkraft, durch die Steuer- bzw. Regeleinrichtung erfasst und kontrolliert.
Besonders bevorzugt erfolgt die Erwärmung des Materials in der Erwärmungseinrichtung durch induktive, konduktive, autogene oder konvektive Erwärmung oder Infraroterwärmung.
Besonders bevorzugt erfolgt die Erwärmung induktiv, d. h. mittels Erzeugung von Wirbelströmen im Material durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfelds. Die Erwärmung erfolgt dabei direkt im Material, so dass die Wärmeleitung im Material für die Einstellung einer gewünschten Temperaturverteilung eine untergeordnete Rolle spielt. Die Form der Erwärmungszonen wird dabei maßgeblich durch die Form der induktiven Erwärmungseinrichtungen, der Induktoren, eingestellt.
Bei den weiterhin bevorzugten Erwärmungseinrichtungen erfolgt der Wärmeeintrag an der Oberfläche des Materials. Bei der Einstellung einer gewünschten Temperaturverteilung im Material ist dabei die Wärmeleitung im Material besonders zu beachten. Abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Transportgeschwindigkeit muss in der Erwärmungseinrichtung die Temperatur und der Eintragsort derart eingestellt werden, dass bei der darauf folgenden Umformung die gewünschte Temperaturverteilung im Material vorliegt.
Die Erwärmungseinheiten sind dabei so angeordnet, bzw. bestehen aus so angeordneten Erwärmungselementen, dass die Temperaturverteilung im Material durch Erwärmung an einer Vielzahl von Punkten gezielt eingestellt werden kann. Besonders bevorzugt ist diese Anordnung derart, dass eine Erwärmung von verschiedenen Seiten des Materials, an Punkten entlang und quer zur Transportrichtung erfolgt. Die Erwärmung des Materials kann dabei kontinuierlich beim Durchlauf des, insbesondere bandförmigen, Materials oder diskontinuierlich, bei der Bearbeitung von Zuschnitten, erfolgen.
Durch die Erwärmung des Materials und dessen somit verminderter Zugfestigkeit kommt es bei der nachfolgenden Umformung durch Gleitziehbiegen vorteilhaft zu einer geringeren Druckbelastung der verwendeten Umformwerkzeuge.
Bevorzugt werden Umformwerkzeuge zum Gleitziehbiegen verwendet, die aus mindestens zwei zueinander verschiebbaren Teilen bestehen. Dadurch können sowohl Profilteile mit konstanten als auch mit veränderlichen Querschnitten, insbesondere veränderlichen Profilhöhen, erzeugt werden. Besonders bevorzugt sind zusätzlich ein oder mehrere Teile des Umformwerkzeugs schwenkbar gelagert und somit zur Herstellung gekrümmter Profilteile geeignet. Besonders bevorzugt erfolgt die Steuerung bzw. Regelung der beweglichen Umformwerkzeuge durch die Steuer- bzw. Regeleinrichtung derart, dass eine gezielte bereichsweise Umformung des zuvor gezielt bereichsweise erwärmten Materials erfolgt.
Der Umformung durch Gleitziehbiegen schließt sich die bereichsweise gezielte Abkühlung des Materials in einer Abkühlungseinrichtung an. Diese besteht aus einer geeigneten Anordnung von Abkühlungseinheiten zur Abkühlung des Materials durch Kontakt mit gasförmigen oder fluiden Kühlmedien, wie bspw. Stickstoff bzw. Ölen, oder mittels direktem Kontakt mit Abkühlkörpern, bspw. Metallkörpern.
Die Abkühlungseinheiten sind dabei so angeordnet, oder bestehen aus so angeordneten Abkühlungselementen, dass die Temperaturverteilung im Material durch Abkühlung an einer Vielzahl von Punkten gezielt eingestellt werden kann. Besonders bevorzugt ist diese Anordnung derart, dass eine Abkühlung von verschiedenen Seiten des Materials, an Punkten entlang und quer zur Transportrichtung erfolgt. Die Abkühlung des Materials kann dabei kontinuierlich beim Durchlauf des, insbesondere bandförmigen, Materials oder diskontinuierlich, bei der Bearbeitung von Zuschnitten, erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die bereichsweise Abkühlung zumindest teilweise bereits in den Umformwerkzeugen. Dafür sind geeignete, kühlbar ausgestaltete Umformwerkzeuge zu verwenden.
Besonders bevorzugt wird auch die bereichsweise gezielte Abkühlung des Materials durch die Steuer- bzw. Regeleinrichtung koordiniert. Dadurch werden insbesondere zuvor gezielt erwärmte Bereiche, in Abhängigkeit von der Temperatur auf die diese zuvor erwärmt wurden, gezielt abgekühlt.
Vorteilhaft ist mit der Abkühlungseinrichtung ein schnelles Abkühlen des Materials möglich. Dadurch ist insbesondere bei der Verwendung metallischer Materialien vorteilhaft ein Einstellen der Festigkeitseigenschaften, insbesondere ein Härten, des Materials möglich. Dazu muss das zuvor gezielt erwärmte und umgeformte Material in einer bestimmten Zeit schnell auf eine bestimmte Zieltemperatur abgekühlt werden.
Weiterhin bevorzugt schließt sich einem Härtungsschritt des umgeformten Materials eine langsame Abkühlung der zuvor gehärteten oder anderer Bereiche an, wodurch die Duktilität dieser Bereiche erhöht wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit vorteilhaft möglich, Bauteile mit Bereichen hoher Härte sowie angrenzenden Bereichen hoher Verformbarkeit herzustellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt während der Umformung des Materials durch Gleitziehbiegen eine Applikation von Schmierstoffen direkt in den Umformwerkzeugen. Dadurch kann insbesondere der mechanische Verschleiß der Umformwerkzeuge und des Materials verringert werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt während der Umformung des Materials durch Gleitziehbiegen eine Kühlung der Umformwerkzeuge. Dazu sind bevorzugt die Umformwerkzeuge kühlbar ausgestaltet. Dadurch kann insbesondere der thermische Verschleiß der Werkzeuge verringert werden. Weiterhin kann somit die bereichsweise gezielte Abkühlung des Materials, zumindest teilweise, schon während des Umformens durch Gleitziehbiegen erfolgen.
Besonders bevorzugt erfolgt während des Gleitziehbiegens der Einsatz von Schmierstoffen, die gleichzeitig zur Kühlung der Werkzeuge beitragen. Dadurch kann vorteilhaft sowohl mechanischer als auch thermischer Werkzeugverschleiß minimiert werden.
Bevorzugt erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren die kontinuierliche Umformung eines bandförmigen Materials. Bevorzugt folgt in dieser Ausgestaltung des Verfahrens auf das bereichsweise gezielte Abkühlen ein Trennen des bandförmigen Materials in einzelne Zuschnitte. Dadurch können einzelne Bauteile, die im bandförmigen Verbund hergestellt wurden, freigestellt werden. Ebenfalls bevorzugt ist eine Teilung in weitere Halbzeuge zur späteren Weiterverarbeitung, die eine einfachere Lagerung als bandförmiges Material zulassen. Diese Lagerung erfolgt bevorzugt bei einer bestimmten Temperatur.
Bevorzugt erfolgen vor oder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren des Gleitziehbiegens mit vorheriger bereichsweise gezielter Erwärmung und anschließender bereichsweise gezielter Abkühlung weiter Umformungen in Warm- oder Kaltumformverfahren.
In einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das umzuformende Material mittels einer Transportvorrichtung der Erwärmungs- und Abkühlungseinrichtung sowie den Umformwerkzeugen zugeführt. Bei der bevorzugten Umformung bandförmigen Materials, bei der das bandförmige Material mittels einer Haspel zur Verfügung gestellt wird, ist der Vorschub der Haspel besonders bevorzugt zum Transport des Materials ausreichend. Im weiterhin bevorzugten Fall der Bearbeitung von zugeschnittenem Material sind andere Antriebe oder Vorschubeinrichtungen vorgesehen.
Bevorzugt können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch „Tailored Banks”, d. h. homogenes oder aus verschiedenen Einzelmaterialien zusammengesetztes Material gleicher oder verschiedener Dicke, sowie „Tailored Rolled Banks” eingesetzt werden.
Die Transportvorrichtung führt das Material in Transportrichtung zuerst mind. einer Erwärmungseinrichtung, anschließend ein oder mehreren Umformwerkzeugen zum Gleitziehbiegen und danach mind. einer Abkühlungseinrichtung zu. Bevorzugt können in Transportrichtung vor der Erwärmungseinrichtung oder nach der Abkühlungseinrichtung weitere Umformwerkzeuge zum Kalt- oder Warmumformen angeordnet sein.
Um Unregelmäßigkeiten des Materials zu minimieren, erfolgt bevorzugt eine Richtung desselben bspw. mit Walzrichtmaschinen. Dadurch kann vorteilhaft der Verschleiß der Umformwerkzeuge zusätzlich minimiert sowie die Qualität der Endprodukte erhöht werden.
Besonders bevorzugt weisen die Erwärmungs- und Abkühlungseinrichtung verschiedene Elemente zur erfindungsgemäßen, gezielten Erwärmung bzw. Abkühlung von einzelnen Bereichen des Materials auf. Dabei sind die Erwärmungs- und Abkühlungseinrichtung so ausgestaltet, dass eine gezielte Erwärmung bzw. Abkühlung an einer Vielzahl von Punkten des Materials vorgenommen werden kann. Besonders bevorzugt sind die Erwärmungs- und Abkühlungseinrichtung so ausgestaltet, dass eine Erwärmung bzw. Abkühlung des Materials an verschiedenen Seiten, an Punkten entlang und quer zur Transportrichtung erfolgt. Bei der oberflächlichen Erwärmung bzw. Abkühlung des Materials ist insbesondere die Wärmeleitung im Inneren bei der Einstellung einer gewünschten Wärmeverteilung im Material zu beachten.
Besonders bevorzugt erfolgt die bereichsweise gezielte Erwärmung des Materials durch induktive Erwärmung. Dabei erfolgt die Erwärmung bestimmter Volumenbereiche des Materials mittels der gezielten Durchdringung des Materials mit magnetischen Wechselfeldern. Diese Felder werden von mit Wechselstrom durchflossenen Spulen erzeugt, wobei die geometrische Form der Spulen und deren Abstand vom Material maßgeblich die Form der erwärmten Volumenbereiche im Material bestimmt.
Die Umformung des Materials durch Gleitziehbiegen erfolgt bevorzugt mit einem oder mehreren direkt oder beabstandet hintereinander angeordneten Umformwerkzeugen, die mehrteilig ausgestaltet sind. Diese Teile des Umformwerkzeugs sind dabei derart zueinander verschiebbar, dass das Querschnittprofil des Ziehspalts verändert werden kann. Das ermöglicht vorteilhaft die Erzeugung von Bauteilen mit veränderlichen Querschnitten, insbesondere veränderlichen Profilhöhen.
Weiterhin bevorzugt ist eine drehbare Ausgestaltung der einzelnen Teile des Umformwerkzeuges. Durch eine Rotationsbewegung einer oder mehrerer Teile kann ebenfalls der Querschnitt des Ziehspaltes verändert werden. Das ermöglicht insbesondere die vorteilhafte Erzeugung von gekrümmten Bauteilen im erfindungsgemäßen Verfahren. Die Umformwerkzeuge weisen dabei einen Ziehspalt auf, dessen Querschnitt sich in Transportrichtung vom Querschnitt des Materials fortschreitend hin zum Querschnitt des Zielprofils verändert.
Bevorzugt wird die zur Umformung durch Gleitziehbiegen erforderliche Ziehkraft durch eine, dem Umformwerkzeug in Transportrichtung nachgeordnete Zugeinrichtung aufgebracht. Dabei erfolgt die Einbringung der Ziehkraft, insbesondere bei der Umformung bandförmiger Materialien, bevorzugt kontinuierlich mittels rotierender Antriebswalzen oder translatorischer Greiferantriebe oder mittels Feldinduktion über einen Linearmotor. Bei der abschnittsweisen Umformung von zugeschnittenem Material erfolgt die Einbringung der nötigen Ziehkraft besonders bevorzugt diskontinuierlich mittels Seiltrieb, Kettentrieb, Zahnstangen, Linearantrieben, Spindeltrieben, Schneckentrieben oder Hydraulikzylinder mit Klemmbacken oder mittels Feldinduktion über einen Linearmotor.
Bei der Umformung kommt es durch die erfindungsgemäße bereichsweise gezielte Erwärmung des Materials und dessen somit verminderter Zugfestigkeit zu einer geringeren Druckbelastung der Werkzeuge. Gleichzeitig sind diese durch den Kontakt mit dem erwärmten Material höheren Temperaturen ausgesetzt als in bekannten Verfahren. Besonders bevorzugt bestehen die Umformwerkzeuge daher aus temperaturfesten Keramiken. Diese halten vorteilhaft besonders starken Druckbelastungen stand und sind somit zum Gleitziehbiegen besonders geeignet. In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung sind die Umformwerkzeuge aus Schnellarbeitsstählen gefertigt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein nahezu verzunderungsfreier Umformprozess zur Verfügung gestellt. Für die bereichsweise gezielte Erwärmung, Umformung und Abkühlung ist eine schnelle Verarbeitung des Materials nötig, da sich, bedingt durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials, die Temperaturen der Bereiche mit der Zeit einander angleichen. Daher werden die Abstände zwischen der Erwärmungs-, Umform- sowie Abkühlungseinheit sehr gering gehalten. Dementsprechend kommt es, in Abhängigkeit von der Transportgeschwindigkeit, nur zu wenig Kontakt zwischen dem erwärmten Material und der Atmosphäre.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform sind die Umformwerkzeuge so ausgestaltet, dass der Ziehspalt mit einem nicht reaktiven Löschgas gefüllt werden kann. Durch das geringe Volumen des Ziehspaltes ist dies selbst bei nicht abgedichtetem Ziehspalt vorteilhaft mit geringem Löschgaseinsatz einstellbar. Das Löschgas verhindert dabei die Verzunderung des bereichsweise gezielt erwärmten Materials.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorteilhaft die Herstellung von Bauteilen mit an deren Verwendung angepassten Eigenschaften ermöglicht. Die koordinierte bereichsweise gezielte Erwärmung und Abkühlung ermöglicht die vorteilhafte Herstellung von Bauteilen mit gradiertem Härte- bzw. Festigkeitsverlauf. Durch die bereichsweise gezielte Erwärmung werden bei dem zwischengeschalteten Gleitziehbiegen vorteilhaft umformprozessbedingte Eigenspannungen sowie die Druckbelastung der Werkzeuge und somit deren Verschleiß minimiert. Zudem erlaubt die Anpassung von Formgebung und Festigkeitseigenschaften des Materials die Erzeugung hochspezialisierter Bauteile. Es können so bspw. Bauteile für den Automobilbau erzeugt werden, die an Ihre Verwendung sowie Form angepasste Festigkeitseigenschaften aufweisen. Dabei können bspw. Bereiche eines Bauteils, die dem Stoßfang dienen, hochfest ausgebildet sein. Andere Bereiche desselben Bauteils hingegen, die zur Verbindung an andere Bauteile dienen, können ausreichend elastisch ausgebildet sein.
Anhand beigefügter Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele erläutert.
Dabei zeigen:
1 die schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
2 den Querschnitt eines Umformwerkzeugs zum Gleitziehbiegen
In der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt ein bandförmiges Material 1, hier Mangan-Bohr-Stahl 22MnB5, mit einer Dicke von 1 mm und einer Bandbreite von 140 mm in Form eines Coils 2 vor. Mittels einer Haspel 3 wird das bandförmige Material 1 vom Coil 2 abgewickelt und in Transportrichtung 8 mit einer Transportgeschwindigkeit von 0,25 m/s bewegt.
Anschließend durchläuft das bandförmige Material 1 kontinuierlich eine Erwärmungseinrichtung 4, wobei es bereichsweise gezielt auf Temperaturen zwischen Austenitisierungstemperatur AC1 und Endtemperatur der Austenitisierung AC3, bei Mangan-Bohr-Stahl 22MnB5 also auf Temperaturen von 800°C–950°C, erwärmt wird. Die Erwärmungseinrichtung 4 weist dabei eine geeignete, in den Figuren nicht näher dargestellte Anordnung von Erwärmungseinheiten auf, um verschiedene Bereiche des bandförmigen Materials gezielt zu erwärmen. Dabei erfolgt für etwa 30 s bis 40 s die gezielte Erwärmung des bandförmigen Materials 1 von mindestens zwei Seiten durch die Erwärmungseinrichtung 4.
Durch die bereichsweise gezielte Erwärmung kommt es in den erwärmten Bereichen dieses Werkstoffes zu einer Austenitbildung. Nachfolgend wird das bereichsweise gezielt erwärmte bandförmige Material einem Gleitziehbiege-Umformwerkzeug 5 zugeführt. Zum Durchzug durch das Gleitziehbiege-Umformwerkzeug 5 ist der von der Haspel aufgebrachte Vorschub nicht ausreichend. Daher wird das bandförmige Material von einer zusätzlichen Zugeinrichtung unter Aufbringung einer Ziehkraft F von etwa 20 kN in Transportrichtung 8 in Bewegung versetzt.
Mittels des Durchzugs durch den Ziehspalt 11 des Gleitziehbiege-Umformwerkzeugs 5 gemäß 2 wird das bandförmige Material 1 zum Zielprofil 6, insbesondere einem U-Profil umgeformt. Dabei können die zwei Hälften des Gleitziehbiege-Umformwerkzeugs 5 quer zur Transportrichtung 8 zueinander verschoben werden. Dadurch verändert sich der Querschnitt des Ziehspalts 11 derart, dass die beiden Außenbereiche des bandförmigen Materials 1 in geringerem Maße nach oben gebogen werden. Dadurch wird das bandförmige Material 1 zu einem Zielprofil 6 mit geringerer Profilhöhe umgeformt.
Durch die Verschiebung der Hälften des Gleitziehbiege-Umformwerkzeugs 5 während des kontinuierlichen Durchzugs des bandförmigen Materials 1 durch das Gleitziehbiege-Umformwerkzeug 5 ist die Herstellung eines Zielprofils 6 mit veränderlicher Profilhöhe möglich. In Transportrichtung 8 hinter dem Gleitziehbiege-Umformwerkzeug 5 ist in geringem Abstand eine Abkühlungseinrichtung 7 angebracht. Durch diese wird das Zielprofil bereichsweise gezielt auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Abkühlungseinrichtung 7 weist dabei eine geeignete Anordnung von Abkühlungseinheiten auf, um verschiedene Bereiche durch Aufbringung eines geeigneten Kühlmediums 10 des Zielprofils gezielt abzukühlen. Dabei erfolgt die gezielte Abkühlung des Zielprofils durch die Abkühlungseinrichtung 7 von mindestens zwei Seiten sowie in einem Zeitraum von 10 s bis 100 s. Durch das bereichsweise gezielte Abkühlen, das sogenannte Abschrecken, kommt es bei diesem Werkstoff zu einer grundsätzlichen Festigkeitserhöhung durch Härtung. Optional wird im Zuge einer gezielt gesteuerten langsameren Abkühlung bereichsweise seine Duktilität erhöht.
Bezugszeichenliste

1: bandförmiges Material
2: Coil
3: Haspel
4: Erwärmungseinrichtung
5: Gleitziehbiege-Umformwerkzeug
6: Zielprofil
7: Abkühleinrichtung
8: Transportrichtung
9: Kaltumformwerkzeug
10: Kühlmedium
11: Ziehspalt

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

EP 0908251 A1 [0004]
DE 102005031437 A1 [0005]
DE 102006008237 A1 [0006]
DE 2813636 A1 [0007]
DE 102007057855 B3 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 8586 [0003]

Claims

Verfahren zum Gleitziehbiegen, wobei ein Material (1) mittels Durchzug durch ein oder mehrere Umformwerkzeuge (5), umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (1) vor dem Umformen derart bereichsweise, auf Temperaturen zwischen der Umform- und der Solidustemperatur des Materials (1) erwärmt, sowie nach dem Umformen derart bereichsweise gezielt abgekühlt wird, dass die Materialeigenschaften gezielt bereichsweise eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen und bereichsweise gezielte Erwärmen sowie Abkühlen durch eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung koordiniert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Materials durch induktive, konduktive, Infrarot-, Ultraschall, autogene oder konvektive Erwärmung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Materials (1) durch Kontakt mit gasförmigen oder flüssigen Kühlmedien (10), z. B. Stickstoff oder Ölen, oder durch direkten Kontakt mit Abkühlkörpern, z. B. gekühlten Metalloberflächen, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (1) Metalle, deren Legierungen oder organische Verbindungen, vorliegend als Band oder Zuschnitt, sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während des Umformens des Materials (1) ein Auftrag von Schmierstoffen auf das Material (1) und/oder die Umformwerkzeuge (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das umgeformte, bandförmige Material (1) nach der Umformung in Einzelzuschnitte getrennt und/oder bei einer bestimmten Temperatur gelagert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Kaltumformungen und/oder Warmumformungen vor der Erwärmung und/oder nach der Abkühlung des Materials erfolgen.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mittels mindestens einer Transporteinrichtung (8) das umzuformende Material (1) zur Umformung durch mindestens ein Umformwerkzeug (5) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Erwärmungseinrichtung (4) und mindestens eine Abkühleinrichtung (7) aufweist, so dass vor, während oder nach dem Umformprozess unter Einbeziehung der Transportgeschwindigkeit das umzuformende Material (1) derart gezielt bereichsweise erwärmt und abgekühlt wird, so dass die Materialeigenschaften gezielt bereichsweise eingestellt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Umformwerkzeug (5) zwischen Erwärmungs- (4) und Abkühleinrichtung (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformwerkzeuge (5) aus zueinander verschiebbaren und/oder schwenkbaren Teilen bestehen und/oder direkt oder beabstandet hintereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (8) eine Haspel (3) ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Transportrichtung (8) dem Umformwerkzeug (5) eine Zugeinrichtung zur Erzeugung der zur Umformung benötigten Ziehkraft nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Zugeinrichtung zur kontinuierlichen Krafteinbringung als rotierende Antriebswalze oder translatorischer Greiferantrieb ausgebildet ist oder mittels Feldinduktion über einen Linearmotor erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Zugeinrichtung zur diskontinuierlichen Krafteinbringung als Seiltrieb, Kettentrieb, Zahnstange, Linearantrieb, Schneckentriebe, Spindeltriebe, Locheingriff, Klemmbacken oder Hydraulikzylinder ausgebildet ist oder mittels Feldinduktion über einen Linearmotor erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformwerkzeuge (5) aus Keramik oder Schnellarbeitsstählen gefertigt sowie als verstellbare und/oder kühlbare Umformwerkzeuge (5) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen Erwärmungs-, Umform-, und Abkühlungseinheit so gering wie technisch möglich sind und/oder der Ziehspalt (11) mit Löschgas befüllbar ist.