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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Bauteils nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein monolithisches Bauteil nach dem Anspruch 11. Schließlich betrifft die Erfindung eine Werkzeug zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15. Insbesondere aber betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung von Nockenwellen, Antriebswellen, Ausgleichswellen oder Getriebewellen.
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Nach dem Stand der Technik werden gebaute Nockenwellen u. a. mit dem IHU-Verfahren (Innenhochdruckumformung) hergestellt, dabei werden Nockenringe, Lageringe etc. während des Umformprozesses kraft- und formschlüssig gefügt.
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Neuere Entwicklungen zeigen, dass durch vollständige Ausformung der Nockenkontur bzw. der Lagerringe auf ein Fügen verzichtet werden kann, wodurch die erforderliche Anzahl von Einzelteilen an der Nockenwelle deutlich reduziert werden kann.
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Problematisch ist der Verschleißschutz, der durch eine nachträgliche Wärmebehandlung (Härten, Nitrieren) bzw. durch geeignete Verschleißschutzschichten wie Hartmetall oder Keramik realisiert werden kann. Nachteil dieser Vorgehensweise ist der erhebliche Wärmeeintrag nach dem Umformen (Verzug, Gefügeänderungen, thermische Spannungen, etc.) sowie die hohen Kosten dieser Verfahrenskombinationen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Bauteils anzugeben, durch das das Bauteil effizient hergestellt werden kann, und ein entsprechendes Bauteil sowie ein Werkzeug zur Realisierung des Verfahrens bzw. zur Herstellung des Bauteils.
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Ein Verfahren zur Lösung der genannten Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Danach wird ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Bauteils nach dem Presshärteverfahren vorgeschlagen, bei dem das Bauteil auf eine Ausgangstemperatur erhitzt wird um in einem Umformwerkzeug umgeformt zu werden, wobei das Bauteil während oder nach dem Umformen abgekühlt wird und wenigstens eine definierte Bauteilhärte eingestellt wird. Mit einer definierten Bauteilhärte kann das fertige Bauteil entsprechend den Vorgaben, die an ein solches Bauteil gestellt werden, genau eingestellt werden. Es lassen sich hierdurch komplexere und damit auch auf den Einsatz abgestimmte Bauteile realisieren. Es ist vorgesehen mit dem Presshärten eine Oberflächenhärte von wenigstens 45 HRC und mehr herzustellen, insbesondere aber mehr als 50 HRC.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Bauteil unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten unterzogen zur Realisierung unterschiedlicher Härtewerte, wobei insbesondere lokal unterschiedliche Härtewerte in dem Bauteil eingestellt werden. Durch die bereichsweise unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften (gradierte Festigkeitseigenschaften) kann das Bauteil einerseits Lasten weiterleiten und andererseits gezielt Aufprallenergie absorbieren.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel werden in dem Umformwerkzeug unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten realisiert, wobei vorzugsweise die Abkühlgeschwindigkeit durch entsprechende Temperierung einer Werkzeugoberfläche durch lokale Kühlung bzw. Erwärmung erfolgt. Es wurde herausgefunden, dass durch unterschiedlich starkes Abkühlen des Bauteils lokal unterschiedliche Härtegrade erzielt werden. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn das Bauteil vor Einsetzen in das Umformwerkzeug gleichmäßig erwärmt wurde.
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Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform wird das Bauteil vor Einbringen in das Umformwerkzeug unterschiedlich stark erhitzt. Dabei werden vorzugsweise Bereiche des Bauteils mit hoher Festigkeit über eine Austenittemperatur erhitzt und Bereiche des Bauteils mit geringerer Festigkeit bis unterhalb der Austenittemperatur. Das Bauteil kann mittels Induktion schnell auf bestimmte Temperaturen erhitzt werden, wobei sich durch die partielle Anregung des Werkstoffs bereichsweise unterschiedliche Temperaturen erzielen lassen. Dabei können auch annähernd homogene Übergänge zwischen den einzelnen Temperaturbereichen erzielt werden. Aufgrund der nur partiellen Erwärmung kann das so hergestellte Bauteil nur im entsprechend erwärmten Bereich gehärtet werden. Mittels der induktiven Erwärmung in Verbindung mit einer Roboterführung können Bauteile mit gleichen Eigenschaften hergestellt werden. Das Bauteil kann einerseits in einem Heizofen erhitzt werden, in dem es annähernd gleichmäßig verteilt temperiert wird. Andererseits kann das Bauteil mittels Induktion oder lokal angeordneten Heizelementen erhitzt werden, durch die sich eine partielle Temperaturverteilung erzielen lässt.
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Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass zur Kühlung des Bauteils bzw. des Werkzeugs flüssige oder gasförmige Kühlmedien eingesetzt werden, die in das Werkzeug über entsprechende Kanäle eingeleitet werden. Bei dem erfinderischen Verfahren wird die Abkühlung des Bauteils vorzugsweise über die Kühlung des Umformwerkzeugs erreicht. Hierzu werden Kühlkanäle in dem Werkzeug mit einem Kühlmedium beaufschlagt, die dem Werkzeug bzw. mittelbar dem Bauteil Wärme entziehen. Hohe Festigkeitswerte in dem Bauteil werden mittels des Presshärteverfahrens durch hinreichend hohe Abkühlgeschwindigkeiten erzielt. Dabei vollzieht sich in dem Bauteil eine teilweise bzw. vollständige Gefügeumwandlung. Da das Bauteil zumindest teilweise austenitisiert wird, erfolgt durch die Abkühlung eine Umwandlung vorzugsweise in Martensit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Bauteil nach dem Innenhochdruckumformverfahren hergestellt und dazu mit einem gasförmigen oder flüssigen Umformmedium von innen beaufschlagt. Mit dem Innenhochdruckumformen lassen sich in geeigneter Weise Leichtbauelement herstellen, die im Karosseriebau eingesetzt werden könne, insbesondere Hohlraumprofile bzw. geschlossene Profile.
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Nach einer Weiterbildung wird eine Bauteil-Innenkontur des Bauteils gekühlt. Zur Aushärtung des Bauteils bzw. zum schnelleren Abkühlen des Bauteils wird das Bauteil zusätzlich zur Abkühlung über die Bauteiloberfläche durch das Werkzeug noch von innen gekühlt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Bauteil-Innenkontur durch Nutzung einer adiabatischen Entspannung des Umformmediums nach einem Ende einer Umformungssequenz zusätzlich zu kühlen. Ein Merkmal der Erfindung ist es, die Bauteil-Innenkontur über das Umformmedium zu kühlen, welches zum Umformen während des Innenhochdruckumformvorgangs in das Umformwerkzeug eingebracht wurde. Hierbei wird vor allem ein gasförmiges Umformmedium verwendet, was demnach in dem Umformwerkzeug nach dem Umformprozess vorläufig verbleibt. Das Verfahren wird durch den Verzicht auf eine direkte Kühlung einer Innenseite des Bauteils mit einem flüssigen Kühlmedium beschleunigt, wobei sich mit dem heruntergekühlten Umformmedium gute Ergebnisse des Presshärtens erzielen lassen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Bauteil-Innenkontur mittels einer Durchleitung eines gasförmigen und/oder flüssigen Kühlmediums nach dem Ende der Umformsequenz gekühlt. Zusätzlich zur adiabatischen Kühlung kann es notwendig sein, die Innenseite des Bauteils zusätzlich mit einem Kühlmedium zu kühlen. Alternativ wird die Innenseite auch ausschließlich mit einem Kühlmedium gehärtet.
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Gemäß einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel wird das Umformwerkzeug unterschiedlich stark erhitzt, vorzugsweise werden unterschiedliche Bereiche mittels elektrischen und/oder induktiven Heizelementen unterschiedlich stark erhitzt. Dabei ist darauf zu achten, wesentliche homogene Temperaturübergänge zu erzielen, damit beim Presshärten keine zu großen Festigkeitssprünge im Bauteil auftreten.
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Weiterhin wird die Erfindung durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Das Bauteil wird mit wenigstens einem der vorhergehenden Verfahrensmerkmale hergestellt.
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Nach einer Weiterbildung weist das Bauteil eine dreidimensionale Form auf, insbesondere eine wenigstens zum Teil geschlossene Hohlform auf. Alternativ kann es sich bei dem Bauteil auch um eine geschlossene Hohlform handeln. Mit der vorliegenden Erfindung wird es demnach erstmals möglich sein auch dreidimensionale Bauteile bzw. Hohlkörper als Leichtbauelemente mit dem Presshärteverfahren zu Härten.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Bauteil nach Fertigstellung wenigstens eine definierte Härte von 45 HRC oder mehr auf, wobei insbesondere das Bauteil lokal unterschiedliche Härtegrade aufweist. Mittels der eingesetzten Metalllegierung des Bauteils lassen sich unterschiedlich hohe Festigkeiten erzielen, die vorzugsweise bei über 50 HRC liegen sollten, besonders bevorzugt bei 56, 57 HRC oder mehr.
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Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Bauteil ein monolithisches Bauteil, insbesondere eine Nockenwelle, eine Antriebswelle, eine Ausgleichswelle oder eine Getriebewelle.
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Ferner wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 15 gelöst. Danach ist eine solche Vorrichtung ein Werkzeug zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils nach dem Innenhochdruckumformverfahren, aufweisend wenigstens zwei Werkzeughälften zur Aufnahme des Bauteils, wobei in einen Aufnahmebereich zwischen den zwei Werkzeughälften zusätzlich ein Umformmedium einbringbar ist, und wobei das Bauteil, zwischen den zwei Werkzeughälften angeordnet, kühlbar ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft vorgesehen, das Innenhochdruckumformverfahren mit dem Presshärteverfahren zu kombinieren und ein entsprechendes Umformwerkzeug bereit zustellen. In das Werkzeug wird zum Umformen des Bauteils vorzugsweise ein gasförmiges Umformmedium eingebracht, das zusätzlich auch zur Kühlung des Bauteils dienen kann, nachdem eine Umformsequenz beendet ist. Beim Absenken des im Inneren des Umformwerkzeugs aufgebauten Drucks wird ein Aufnahmeraum für das Bauteil noch verschlossen gehalten, wodurch sich eine adiabatische Entspannung in dem Umformmedium einstellt. Es ist somit vorgesehen, keinen Druckausgleich mit der Umgebung sofort nach dem Umformprozess durchzuführen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine Werkzeughälfte kühlbar, wobei vorzugsweise beide Werkzeughälften kühlbar sind, zur Kühlung des Bauteils, wobei das Werkzeug lokal unterschiedlich stark kühlbar ist. Das Bauteil selbst ist vornehmlich durch das Werkzeug kühlbar und zwar auf einer Oberseite. Das Werkzeug wird aktiv durch ein Kühlmedium, welches in Kanälen in dem Werkzeug geführt ist, gekühlt, wodurch sich auch das Bauteil abkühlt. Es können gasförmige oder flüssige Kühlmedien zum Einsatz kommen.
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Weitere Ausführungsbeispiele sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
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1 einen Schnitt durch eine schematische Darstellung des Umformwerkzeugs mit rohrförmigen Halbzeug zu Prozessbeginn,
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2 einen Schnitt durch eine schematische Darstellung des Umformwerkzeugs mit umgeformten Hohlkörper zum Ende der Ausformung, und
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3 einen Schnitt durch eine schematische Darstellung des Umformwerkzeugs nach Prozessende.
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In den 1 bis 3 ist ein Werkzeug 10 zur Herstellung eines Hohlkörpersegments dargestellt, das in einer Schnittansicht gezeigt ist. Das Werkzeug 10 weist ein Werkzeugoberteil 11 und Werkzeugunterteil 12 auf, die beide einen Aufnahmebereich 13 für ein Bauteil 14 bilden. Das Werkzeugoberteil 11 und das Werkzeugunterteil 12 bilden dabei einen Teil einer Presse, durch die das Bauteil 14 in eine gewünschte Form umgeformt wird.
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Die Werkzeughälften 11, 12 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel Ausformbereiche 15 auf, in die nach einem Umformprozess Teile des Bauteils 14 hineinragen. Die Ausformbereiche 15 können unterschiedliche Geometrien aufweisen, je nach Verwendungszweck des Bauteils 14. In den 1 bis 3 sind die Ausformbereiche 15 jeweils in den Werkzeughälften 11, 12 im Schnitt dargestellt. Es ist zusätzlich vorgesehen, dass Ausformbereiche 15 über einen Umfang des Aufnahmebereiches 13 des Werkzeugs 10 verteilt angeordnet sind. Dabei können Ausformbereiche 15 auch jeweils anteilig in einem Werkzeugoberteil 11 und Werkzeugunterteil 12 vorgesehen sein. In nicht dargestellten Ausführungsformen kann auf die Ausformbereiche 15 verzichtet werden.
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Weiterhin weisen die Werkzeughälften 11, 12 Kühlkanäle 16 auf, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. Die Kühlkanäle 16 dienen der Kühlung der Werkzeughälften 11, 12. Weiterhin ist es vorgesehen, die Kühlkanäle 16 gleichmäßig über eine Längserstreckung des Werkzeugs 10 anzuordnen, so dass die Werkzeughälften 11, 12 gleichmäßig gekühlt werden. In einer alternativen Ausführungsform sind die Kühlkanäle 16 nur partiell in der Längserstreckung des Werkzeugs 10 angeordnet. Dadurch werden Bereiche der Werkzeugoberteile 11 und Werkzeugunterteile 12 unterschiedlich stark durch das Kühlmedium gekühlt. Die Kühlkanäle 16 können entweder quer zu einer Längserstreckung des Werkzeugs 10, wie in den 1 bis 3 dargestellt, angeordnet sein, oder aber auch parallel dazu oder schräg. Je nach Bedarf der partiellen Kühlleistung durch das Kühlmedium sind die Kühlkanäle 16 innerhalb der Werkzeughälften 11, 12 angeordnet.
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Der Aufnahmebereich 13 kann zusätzlich zu den Ausformbereichen 15 auch Prägebereiche 17 aufweisen, die in den Aufnahmebereich 13 einragen. Diese Prägebereiche 17 werden sich nach einem Umformprozess in dem Bauteil 14 abdrücken.
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Es ist vorgesehen, den Aufnahmebereich 13 mit einem Umformmedium zu beaufschlagen. In der dargestellten Vorrichtung eines Umformwerkzeugs 10 wird ein rohrförmiges Bauteil 14 in dem Aufnahmebereich 13 angeordnet, so dass das Umformmedium in das Bauteil 14 eingebracht wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Umformmedium Stickstoff verwendet, aber auch andere Umformmedien, wie inertes Edelgas oder Luft sind denkbar. Im Weiteren können auch für alternative Ausführungsformen flüssige Umformmedien verwendet werden.
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Die 1 zeigt den Zustand zu Prozessbeginn, in dem das rohrförmige Halbzeug 14 innerhalb des Aufnahmebereiches 13 angeordnet ist, wobei das Halbzeug eine wesentliche zylindrische Form aufweist.
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In der 2 ist ein Ende einer Ausformung dargestellt, bei dem das rohrförmige Halbzeug 14 in ein umgeformtes Hohlkörpersegment übergegangen ist. Durch Beaufschlagung des Halbzeugs 14 durch das gasförmige Umformmedium hat das Hohlkörpersegment 14 die Kontur des Aufnahmebereiches 13 zusammen mit den Ausformbereichen 15 und den Prägebereich 17 angenommen.
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3 zeigt das Werkzeug 10 mit ungeformtem Bauteil 14 zu einem Prozessende, bei dem ein Innenraum des Bauteils 14 Umgebungsdruck aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein als direktes Verfahren bekanntes Presshärten, das sich zu einem indirekten Verfahren lediglich durch die Anzahl der Prozessschritte beim Umformen unterscheidet. Das Presshärten wird in der vorliegenden Erfindung in einen Innenhochdruckumform-Prozess (IHU) integriert. Demnach werden die in dem IHU-Verfahren umgeformten Bauteile direkt pressgehärtet, wobei die beiden Verfahrensabschnitte in einer Prozessanordnung durchgeführt werden.
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Für den nachgelagerten Verfahrensschritt des Presshärtens ist es erforderlich, dass das Bauteil 14 vorgewärmt wird. Hierzu kann das entsprechende Halbzeug in einem Ofen auf entsprechende Temperatur erwärmt werden. Zur Realisierung des Härtens sind hier Temperaturen zwischen 800°C und 1000°C erforderlich, je nach Höhe der Austenittemperatur der Bauteilelegierung. Es ist zudem üblich, das Bauteil stärker als notwendig zu erwärmen, d. h. ca 30–40°C über die Austenit-Temperatur bei der eine Gefügeumwandlung bereits stattgefunden hat. Alternativ zur Ofenerwärmung kann das Halbzeug auch durch induktive Erwärmung erhitzt werden, wodurch die Aufheizzeit erheblich reduziert werden kann. Zusätzlich lässt sich mit der induktiven Erwärmung eine Erwärmung mit partiell unterschiedlichen Temperaturen erzielen. Durch die partielle Erwärmung lassen sich gradierte Festigkeitseigenschaften im Bauteil einstellen, worauf im Folgenden noch genauer eingegangen wird. Bei der Ofenerwärmung wird demnach auch das Halbzeug lediglich gleichmäßig erwärmt, wodurch sich vordergründig keine gradierte Festigkeitseigenschaften erzielen lassen. Hierauf wird weiter unten noch genauer eingegangen.
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Nach Überführen des Halbzeugs in das Werkzeug 10 wird dieses geschlossen, um den eigentlichen Umformprozess zu starten. Hierbei wird das Bauteil 14 seitlich von Axialstempeln umschlossen, über die das Umformmedium in das umzuformende Bauteil 14 eingebracht wird. Die eigentliche Umformung erfolgt durch die Wirkung eines erzeugten Innendruckes. Dabei wird durch gleichzeitiges axiales Nachführen von Material der Umformprozess unterstützt, wobei durch einen abschließenden Kalibrierschritt das Bauteil seine endgültige Kontur erhält. Beim Kalibrieren liegt ein ungefährer Kalibrierdruck von 70 MPa an.
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Schon in einer Endphase des Umformprozesses wird das Bauteil 14 passiv gekühlt, indem die Werkzeughälften 11, 12 aktiv gekühlt werden. Durch die aktive Kühlung der Werkzeughälften 11, 12 wird dem Bauteil Wärme entzogen, so dass das Bauteil kontrolliert abgeschreckt wird. Zu Beginn der Abkühlung des Bauteils 14 ist der Umformprozess noch nicht abgeschlossen, wodurch das Bauteil noch im geschlossenen Werkzeug pressgehärtet wird.
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Beim Abkühlen erfolgt bei hinreichend hoher Abkühlgeschwindigkeit eine teilweise bzw. vollständige Gefügeumwandlung in Martensit, wodurch die Bauteilfestigkeit und Härte erheblich gesteigert werden kann. Nach dem eigentlichen Umformprozess, zu dessen Ende bereits die Kühlung des umgeformten Bauteils begonnen hat, wird der Innendruck in der Presse reduziert, wobei nach wie vor das Werkzeug 10 geschlossen bleibt. Hierdurch erfolgt eine adiabatische Entspannung des Umformmediums bzw. Wirkmediums, wodurch eine Bauteil-Innenkontur zusätzlich gekühlt wird, da sich hierbei das Umformmedium selbst abkühlt. Nach Ende des Umformprozesses und Reduzierung des Innendrucks erfolgt demnach eine zweiseitige Kühlung des Bauteils 14, einerseits durch die Kühlung der Werkzeughälften 11, 12 und andererseits durch das temperaturreduzierte Umformmedium. Es kann somit bewusst auf ein zusätzliches Kühlmedium verzichtet werden, das durch die Bauteil-Innenkontur geleitet werden muss.
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Nach Ende des Umformprozesses und des Presshärteverfahrens wird das Werkzeug 10 geöffnet, wobei die Axialstempel ebenfalls in ihre Ausgangsposition zurückgenommen werden. Hierbei hat das Bauteil 14 in dem gekühlten Umformwerkzeug 10 eine Temperatur von ungefähr unter 200°C. Als Wirkmedium bzw. Umformmedium wird vorzugsweise Stickstoff verwendet, wobei aber auch inerte Edelgase oder Luft zum Einsatz kommen können, die aber Nachteile gegenüber Stickstoff aufweisen. Inerte Edelgase sind teuer und bei der Verwendung von Luft ist eine Oxidation des Bauteils nicht auszuschließen.
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Mit dem vorliegenden Verfahren ist es zusätzlich möglich, gradiertre Festigkeitseigenschaften des Bauteils einzustellen. Diese Gradierung lässt sich durch zwei verschiedene Schritte erzielen. Einerseits kann im Falle eines gleichmäßig erwärmten Bauteils 14 der Abkühlprozess mit Ende des Umformvorgangs regional unterschiedlich stark durchgeführt werden. Es ist bekannt, die Härte des Bauteils über die Abkühlgeschwindigkeit einzustellen, so dass bei unterschiedlicher Länge des Abkühlprozesses unterschiedliche Härtegrade auftreten. Hierzu kann das Werkzeug 10 unterschiedlich stark gekühlt werden, so dass regional unterschiedliche Härtegrade in dem Bauteil 14 auftreten. Das Werkzeug 10 selbst weist hierfür Kühlkanäle auf, die mit flüssigen oder gasförmigen Kühlmedien beschickt werden können. Je nach Notwendigkeit unterschiedlicher Härtegrade des Bauteils werden einzelne Kühlkanäle unterschiedlich stark gekühlt.
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Die Einstellung gradierter Festigkeitseigenschaften kann alternativ auch durch die Vorerwärmung des Bauteils 14 erfolgen. Bei der induktiven Erwärmung können einzelne Bereiche des Bauteils 14 unterschiedlich stark angeregt werden, so dass Bereiche mit einer erforderlichen hohen Festigkeit über eine Austenittemperatur erhitzt werden und Bereiche mit einer geringen Festigkeit nur auf eine Temperatur erwärmt werden, die unterhalb der Austenittemperatur liegt.
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Bei solchen vorgewärmten Bauteilen ist die Ausgangstemperatur unterschiedlich stark ausgeprägt, so dass die Abkühlgeschwindigkeit gleichmäßig gestaltet werden kann. Durch die unterschiedlich starke Temperierung des Bauteils lassen sich im Wesentlichen homogene Festigkeitsübergänge zwischen einzelnen Bereichen des Bauteils 14 erzielen.
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Mit der Kombination des IHU-Verfahrens und des Presshärteverfahrens lassen sich vor allem geometrisch komplizierte Bauteile fertigen, wie z. B. geschlossene oder zumindest teilweise geschlossene Hohlräume. Solche Hohlräume sind beispielsweise Nockenwellen, Antriebswellen, Ausgleichswelsen, Getriebewellen o. dgl., wobei diese Wellen Leichtbauteile sind. Hierdurch lässt sich eine Gewichtsreduzierung der einzelnen Bauteile erzielen mit gleichzeitiger Erhöhung der Festigkeitseigenschaften.
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Für das IHU-Verfahren sind zusätzlich auch elektrische und/oder induktive Heizelemente in dem Werkzeug 10 vorgesehen. Hierdurch kann das Werkzeug einerseits vorgewärmt werden und andererseits lässt sich somit auch das Bauteil selbst erwärmen. Weiterhin kann mit den Heizelementen auch der Abkühlprozess des Bauteils gesteuert werden.
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Vom Presshärten ebener Bleche ist bekannt, dass bei diesem Verfahren entsprechend geeignete Werkstoffe (Bor-Mangan-legierte Stähle) nach vorgelagerter Austenitisierung (durch Erwärmung) noch im erwärmten Zustand umgeformt und dann im geschlossenen Werkzeug abgekühlt werden. Dabei erfolgt bei hinreichend hoher Abkühlgeschwindigkeit eine teilweise bzw. vollständige Gefügeumwandlung in Martensit. Dabei können die Bauteilfestigkeit und Härte erheblich gesteigert werden.
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Durch Applikation des Presshärteverfahrens auf die temperierte, wirkmedienbasierte Umformung können damit auch komplexe, rohrförmige Bauteile hergestellt werden und dabei in Abhängigkeit des Ausgangswerkstoffes neben komplexer Geometrien Härtewerte von deutlich über 50 HRC erreicht werden. Damit ist dieses Verfahren primär zur Herstellung monolithischer Leichtbaunockenwellen, aber auch sekundär für weitere Antriebs-, Ausgleichs- oder Getriebewellen geeignet, ohne zusätzliche nachträgliche Maßnahmen zum Verschleißschutz durchführen zu müssen.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Herstellung der monolithischen Leichtbaunockenwelle nach einem Presshärteverfahren mit Wirkmedien, wobei ein rohrförmiges Halbzeug aus einem Bor-Mangan legiertem Stahl bzw. einer anderweitig geeigneten Stahlsorte außerhalb eines Werkzeuges auf Austenitisierungstemperatur erwärmt wird. Anschließend wird das Halbzeug in das Werkzeug eingelegt und durch kombinierte Ausformung erforderlicher Formkonturen, insbesondere Nocken- und/oder Lagerkonturen, umgeformt, wobei durch gleichzeitige bzw. nachfolgende Abkühlung in demselben Umformwerkzeug innerhalb eines Prozessschrittes eine definierte Bauteilhärte eingestellt wird.
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Vorzugsweise werden lokal veränderlichen Härtewerten durch unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten im Werkzeug realisiert, wobei die Regulierung der Abkühlgeschwindigkeit durch entsprechende Temperierung der Werkzeugoberfläche durch lokale Kühlung bzw. Erwärmung erfolgt.
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Alternativ oder zusätzlich werden lokal veränderlichen Härtewerten durch eine lokal veränderlichen Bauteilerwärmung realisiert, wobei der Bereiche mit hoher erforderlicher Härte durch entsprechende Erwärmung über Austenitisierungstemperatur nach Abkühlung ein martensitisches Gefüge ausbilden, während die übrigen Bereiche nur auf Temperaturen unterhalb Austenitisierungstemperatur erwärmt werden, so dass bei der Umformung und Abkühlung im Werkzeug keine Gefügeumwandlung erfolgen kann.
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Durch vorzugsweisen Einsatz von flüssigen und gasförmigen Kühlmedien, welche durch entsprechende Bohrungen im Werkzeug geleitet werden und dabei lokal oder im gesamten Werkzeug die erforderlichen Oberflächentemperaturen einstellen, wird eine Kühlung erzielt.
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Durch Einsatz von elektrischen und/oder induktiven Heizelementen werden Werkzeugbereiche vorzugsweise erwärmt.
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Die Bauteil-Innenkontur wird vorzugsweise durch Nutzung der adiabatischen Entspannung des gasförmigen Wirkmediums nach Ende der Umformsequenz zusätzlich gekühlt.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Bauteil-Innenkontur mittels Durchleitung von gasförmigen und/oder flüssigen Kühlmedien nach Ende der Umformsequenz zusätzlich gekühlt.
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Vorzugsweise wird eine Rohform durch den beschriebenen Presshärtevorgang hergestellt, und eine Finalkontur wird durch einen nachfolgenden Schleifprozess entsprechend der erforderlichen Toleranzen erzeugt.
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Vorzugsweise werden Anbauteile bzw. Endstücke im Umformprozess form- und/oder kraftschlüssig gefügt.
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Das zuvor erläuterte Verfahren wird vorzugsweise für die Herstellung von Nockenwellen, insbesondere von Leichtbaunockenwelle, verwendet. Andere Anwendungen liegen beispielsweise in der Herstellung von Antriebswellen, Ausgleichswellen oder Getriebewellen.
