DE102011118491A1 - Method of manufacturing components by hot stamping of printed circuit boards - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Warmumformung von Platinen, insbesondere aus Stahl, bei dem die Platine zunächst zugeschnitten wird, anschließend auf Umformtemperatur erwärmt und danach einem Warmumformvorgang unterzogen wird. Dabei wird in die Platine bei Raumtemperatur, also vor dem Erwärmen auf Umformtemperatur, eine steifigkeitserhöhende, die Blechdicke nicht vermindernde Struktur eingebracht.The invention relates to a method for producing components by hot forming of blanks, in particular made of steel, in which the blank is first cut, then heated to the forming temperature and then subjected to a hot forming process. In this case, a stiffness-increasing structure which does not reduce the sheet thickness is introduced into the board at room temperature, that is to say before it is heated to the forming temperature.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Warmumformung von Platinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for the production of components by hot forming of printed circuit boards according to the preamble of
Unter Bauteil wird im Folgenden ein aus einer Blechplatine durch Umformen mittels eines Umformwerkzeuges hergestelltes Bauteil verstanden. Als Blechwerkstoffe kommen alle warmumformbaren Werkstoffe in Betracht, insbesondere aber Stahl.In the following, a component is understood to be a component produced from a sheet metal blank by forming by means of a forming tool. As sheet materials are all thermoformable materials into consideration, but especially steel.
Der heiß umkämpfte Automobilmarkt zwingt die Hersteller ständig nach Lösungen zur Senkung des Flottenverbrauches unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und Insassenschutzes zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle andererseits aber auch ein möglichst günstiges Verhalten der einzelnen Bauteile bei hoher statischer und dynamischer Beanspruchung im Betrieb wie auch im Crashfall.The hotly contested automotive market is forcing manufacturers to constantly seek solutions to reduce fleet consumption while maintaining the highest possible comfort and occupant safety. On the one hand, the weight saving of all vehicle components plays a decisive role, on the other hand, but also a most favorable behavior of the individual components with high static and dynamic stress during operation as well as in the event of a crash.
Dieser Notwendigkeit versuchen die Vormaterial-Lieferanten dadurch Rechnung zu tragen, dass durch die Bereitstellung hoch- und höchstfester Stähle die Wanddicken reduziert werden können bei gleichzeitig verbessertem Bauteilverhalten bei der Fertigung und im Betrieb. Derartige Stähle müssen daher vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dehnfähigkeit, Zähigkeit, Energieaufnahme und Verarbeitbarkeit beispielsweise durch Kaltumformen, Schweißen und/oder Korrosionsbeständigkeit genügen.Pre-material suppliers are trying to meet this need by reducing their wall thicknesses by providing high-strength and ultra-high-strength steels while at the same time improving component behavior during production and operation. Such steels must therefore meet comparatively high requirements in terms of strength, ductility, toughness, energy absorption and processability, for example by cold forming, welding and / or corrosion resistance.
Für die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit kommen metallische Überzüge aus Zink, Aluminium oder entsprechende Legierungen auf Basis von Zink oder Aluminium, die weitere Legierungselemente wie Mg oder Si enthalten können, in Frage oder auch Beschichtungen auf organischer Basis.For the improvement of the corrosion resistance, metallic coatings of zinc, aluminum or corresponding alloys based on zinc or aluminum, which may contain other alloying elements such as Mg or Si, may be used or also organic-based coatings.
Neben den beschriebenen allgemeinen Anforderungen sind für höchstfeste Stähle beispielhaft folgende mechanischen Kennwerte zu erreichen:
In der Vergangenheit sind für den Anwendungsbereich der crash- und gewichtsoptimierten Bauteile meist konventionelle Stähle mit relativ großer Blechdicke, wasservergütete hochfeste Feinkornstähle und Mehrphasenstähle eingesetzt worden.Conventional steels with a relatively large sheet thickness, water-quenched high-strength fine-grained steels and multiphase steels have been used in the past for the field of application of the crash and weight-optimized components.
Konventionelle Stähle haben den Nachteil, dass eine Festigkeitssteigerung oft mit einer Reduzierung des Umformvermögens verbunden ist und sich dadurch komplexere Geometrien mit Werkstoffen höherer Festigkeit nicht realisieren lassen.Conventional steels have the disadvantage that an increase in strength is often associated with a reduction of the forming capacity and thus can not realize more complex geometries with materials of higher strength.
Als eine Alternative wurden lufthärtbare Stahlwerkstoffe entwickelt, die allein durch die Abkühlung des Stahls an Luft, beispielsweise nach einer Wärmebehandlung des Bauteils, die geforderten Werkstoffeigenschaften erreichen ohne die Nachteile der bekannten Stähle aufzuweisen. Der Luftvergütungszustand wird bei diesen Stählen mittels einer Wärmebehandlung nach der Kaltumformung bzw. Formgebung eingestellt.As an alternative, air-hardenable steel materials have been developed which achieve the required material properties solely by cooling the steel in air, for example after a heat treatment of the component, without having the disadvantages of the known steels. The air quenching state is set in these steels by means of a heat treatment after cold working or shaping.
Aus den Schriften
Die Herstellung von Bauteilen, die durch Abschreckung von presshärtbaren Stählen in einem Umformwerkzeug hergestellt werden, ist aus der
Nach neuen Erkenntnissen haben sich lufthärtbare Stähle ebenfalls hervorragend durch Warmumformung zu Bauteilen umformen lassen. Der Vorteil gegenüber dem aus der
Bei Versuchen zur Warmumformung von Blechplatinen hat sich jedoch herausgestellt, dass es große Probleme beim Handling von großformatigen Platinen (z. B. 1000 × 2000 mm2) mit geringer Blechdicke, von z. B. < 1 mm, gibt speziell dann, wenn diese vor der Umformung auf Umformtemperatur erwärmt werden. Durch die dann sehr geringe Eigensteifigkeit der Platine kommt es zu starken Durchbiegungen, die einen sicheren Transport zum Umformwerkzeug sehr erschweren, so dass aufwändige Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Arbeitssicherheit zu gewährleisten und Beschädigungen der Platine zu vermeiden.In attempts to hot forming of sheet metal blanks, however, been found that there are great problems in the handling of large boards (eg., 1000 × 2000 mm 2) with low sheet thickness, of,. B. <1 mm, are especially when they are heated to forming temperature before forming. Due to the then very low rigidity of the board it comes to strong deflections, which make a safe transport to the forming tool very difficult, so that expensive measures must be taken to the To ensure occupational safety and to avoid damage to the board.
Grundsätzlich ist es bekannt zur Erhöhung der Steifigkeit größere Blechdicken zu verwenden; dies führt jedoch zu Gewichtserhöhungen der Bauteile und steht damit dem Wunsch nach Gewichtsreduzierung entgegen.Basically, it is known to increase the rigidity to use larger sheet thicknesses; However, this leads to weight increases of the components and is thus contrary to the desire for weight reduction.
Zur Verbesserung der Bauteileigenschaften, wie beispielsweise der Erhöhung der Steifigkeit oder Verbesserung des Schwingverhaltens von kaltumgeformten Bauteilen, ist es z. B. aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Warmumformung von Platinen, insbesondere aus Stahl, anzugeben, mit dem das Handling besonders dünner bzw. auch großer Platinen mit geringer Wanddicke deutlich verbessert wird und mit dem zusätzlich die Eigenschaften des warmumgeformten Bauteils hinsichtlich eines optimierten Bauteilgewichtes und einer erhöhten Steifigkeit und Festigkeit verbessert werden.The invention has for its object to provide a method for the production of components by hot forming of blanks, especially steel, with the handling of very thin or even large boards with low wall thickness is significantly improved and with the additional properties of the hot-formed component be improved in terms of optimized component weight and increased rigidity and strength.
Nach der Lehre der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem in die Platine bei Raumtemperatur, d. h. vor dem Erwärmen auf Umformtemperatur, eine steifigkeitserhöhende aber die Blechdicke nicht vermindernde Struktur eingebracht wird.According to the teachings of the invention, this object is achieved by a method in which in the board at room temperature, d. H. before heating to forming temperature, a stiffness-increasing but not decreasing the sheet thickness structure is introduced.
Diese Struktur kann erfindungsgemäß vor, während oder nach dem Platinenschnitt mit entsprechenden Werkzeugen erzeugt werden. Vorteilhaft wird die Platine jedoch aus einem bereits mit einer Struktur versehenem Stahlband geschnitten, so dass die Platine schon nach dem erfolgten Schnitt eine deutlich höhere Steifigkeit aufweist.This structure can be produced according to the invention before, during or after the blanking cut with appropriate tools. Advantageously, however, the board is cut from a steel strip already provided with a structure, so that the board already has a significantly higher rigidity after the cut has been made.
Die eingebrachten Strukturen können wie in
Bei einer Blech- bzw. Platinendicke von 1 mm werden also Strukturen eingebracht, die eine Blechüberhöhung (Wellenberg) bzw. Vertiefung (Wellental) von mindestens 1 mm aufweisen.In the case of a sheet metal or platinum thickness of 1 mm, therefore, structures are introduced which have a sheet metal superelevation (wave crest) or depression (wave crest) of at least 1 mm.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Platine aus einem Blech oder Stahlband mit konstanter Dicke aber auch aus einem flexibel mit über Länge und/oder Breite unterschiedlicher Dicke gewalztem Blech oder Stahlband geschnitten werden. Ebenso wäre es denkbar erst eine Platine zu schneiden, danach durch Walzen unterschiedliche Dicken innerhalb der Platine einzustellen und erst dann die Struktur zu prägen.In an advantageous embodiment of the invention, the board can be cut from a sheet or steel strip with a constant thickness but also from a flexible rolled over length and / or width of different thickness sheet or steel strip. Likewise, it would be conceivable first to cut a board, then set by rolling different thicknesses within the board and only then to shape the structure.
Die Strukturen können sich auf der gesamten Platinenfläche befinden oder aber lokal in wenigen Platinenbereichen. Die Lage und die geometrische Ausführung der Strukturen können gezielt den geforderten Endansprüchen an das Bauteil angepasst werden.The structures can be located on the entire board surface or locally in a few board areas. The position and the geometric design of the structures can be specifically adapted to the required end requirements for the component.
Im Vergleich zum bekannten Verfahren der
Die Strukturierung kann je nach Bedarf am Warm- oder Kaltband erfolgen. Das Stahlband oder der Platinenzuschnitt kann erfindungsgemäß zusätzlich mit einer metallischen Beschichtung, beispielsweise auf Basis von Zink und/oder Aluminium, versehen werden, wie z. B. ZnAl, AlZn, AlSi oder mit Beschichtungen auf organischer Basis. In AlSi-Legierungsüberzügen kann z. B. 8 bis 12% Si enthalten sein. The structuring can be done as needed on the hot or cold strip. The steel strip or the blank sheet can according to the invention additionally provided with a metallic coating, for example based on zinc and / or aluminum, such. ZnAl, AlZn, AlSi or with organic based coatings. In AlSi alloy coatings z. B. 8 to 12% Si may be included.
Der metallische Überzug des Warm- oder Kaltbandes wird üblicherweise im kontinuierlichen Schmelztauchverfahren aufgebracht, beispielsweise mittels Feuerverzinkung oder Feueraluminierung. Es sind aber auch andere Verfahren, wie z. B elektrolytisches Beschichten, Hochtemperaturbeschichten, chemisches (CVD) oder physikalisches Abscheiden (PVD) anwendbar.The metallic coating of the hot or cold strip is usually applied in a continuous hot dip process, for example by means of hot dip galvanizing or fire aluminizing. But there are other methods, such. B electrolytic coating, high temperature coating, chemical (CVD) or physical deposition (PVD) applicable.
Das Aufbringen eines metallischen Überzugs auf das Band oder auf die Platine vor dem Warmumformen hat den großen Vorteil, dass durch den Überzug eine Verzunderung des Grundmaterials und durch die Schmierwirkung übermäßiger Werkzeugverschleiß wirksam vermieden werden.The application of a metallic coating on the tape or on the blank prior to hot forming has the great advantage that scaling of the base material and the lubricating effect of excessive tool wear are effectively avoided by the coating.
Wie Versuche gezeigt haben, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das Handling auch dünner Bleche mit Dicken < 1 mm deutlich verbessern bzw. macht die Verarbeitung durch Warmumformung dieser dünnen Bleche erst möglich.As tests have shown, the handling of even thin sheets with thicknesses <1 mm can be significantly improved with the method according to the invention or makes the processing by hot forming of these thin sheets only possible.
Durch eine entsprechende Abstimmung der Aus-/Einbringung der Struktur, wie z. B. Tiefe, Breite und der Verteilung auf der Blech- bzw. Platinenoberfläche in Kombination mit dem Umformprozess, kann die steifigkeitserhöhende Struktur auch noch am fertig umgeformten Bauteil bzw. nur in Teilen des fertig umgeformten Bauteils erhalten bleiben.By an appropriate vote of the extraction / introduction of the structure, such. B. depth, width and distribution on the sheet metal or board surface in combination with the forming process, the stiffness-increasing structure can still be retained on the finished formed component or only in parts of the finished formed component.
Der Vorteil dieser Verfahrensweise liegt darin, dass das zur Verbesserung der Steifigkeit sonst notwendige Einbringen von Strukturen mittels Umformwerkzeugen (z. B. Versteifungssicken) entfällt, so dass für die Umformung kostengünstigere Werkzeuge ohne darin eingebrachte Strukturierungen eingesetzt werden können. In einer weiter verbesserten Ausbildung der Erfindung werden die Strukturen gezielt genau dort in das Band bzw. in die Platine eingebracht, wo später im Bauteil auch eine erhöhte Steifigkeit gefordert ist. Auf diese Weise kann gezielt eine beanspruchungsgerechte Gewichtsoptimierung des Bauteils erfolgen.The advantage of this procedure is that the otherwise necessary for improving the rigidity of introducing structures by means of forming tools (eg stiffening beads) is eliminated, so that less expensive tools can be used for the forming without structuring introduced therein. In a further improved embodiment of the invention, the structures are deliberately introduced exactly there in the band or in the board, where later in the component also an increased rigidity is required. In this way, a stress-oriented weight optimization of the component can be targeted.
Vorteilhaft können strukturierte Platinen aus lufthärtbarem Stahl auch zum Warmumformen eingesetzt werden, wobei bei entsprechend langsamer Abkühlung im Umformwerkzeug und anschließender Luftabkühlung gegenüber dem bekannten Presshärten von Bor-Mangan-Stählen (z. B. 22MnB5) auf eine nachträgliche kostenaufwändige Glühung zur Erreichung der geforderten Dehnungswerte im Bauteil verzichtet werden kann.Advantageously, structured boards made of air-hardenable steel can also be used for hot forming, with a correspondingly slow cooling in the forming tool and subsequent air cooling compared with the known press-hardening of boron-manganese steels (eg 22MnB5) to subsequently costly annealing to achieve the required elongation values can be omitted in the component.
Die Verwendung konventioneller Warmumformwerkstoffe, wie z. B. des 22MnB5, ist nicht möglich, da wegen der Strukturierung keine ausreichende Leibung zwischen Platine und Umformwerkzeug vorhanden ist und dadurch die notwendige kritische Abkühlgeschwindigkeit zur Martensitbildung wegen des dann unzureichenden Wärmeübergangs nicht erreicht wird. Dies verhindert die Ausbildung der angestrebten Materialeigenschaften, wie z. B. Härtegefüge. Zudem ergibt sich bei dünnen und großflächigen Platinen eine verfahrensbedingte Abkühlung der Platine beim Handling an Umgebungsatmosphäre, wobei der für eine zweckgerechte Härtung notwendiger Gradient von min. 27 K/s nicht erreicht wird.The use of conventional hot forming materials, such as. B. of 22MnB5, is not possible because there is no sufficient soffit between board and forming tool because of the structuring and thus the necessary critical cooling rate for martensite formation is not achieved because of the then insufficient heat transfer. This prevents the formation of the desired material properties, such. B. hardness structure. In addition, results in thin and large circuit boards a process-related cooling of the board during handling to ambient atmosphere, the necessary for a proper hardening gradient of min. 27 K / s is not reached.
Wird jedoch an Stelle eines presshärtbaren Stahls, wie z. B. des 22MnB5, ein lufthärtender Werkstoff z. B. nach
Außerdem ist durch die Strukturierung der Platinen in Verbindung mit lufthärtenden Stählen ein höheres Formänderungsvermögen aufgrund eines besseren Umformungsverhaltens von erwärmten Zuschnitten zu erreichen, da die Zuschnitte unter Nutzung der Restwärme weiter umgeformt werden können, und so komplexere Geometrien gegenüber dem bekannten Verfahren möglich sind.In addition, by structuring the boards in conjunction with air-hardening steels to achieve a higher dimensionally changing capacity due to a better deformation behavior of heated blanks, as the blanks can be further transformed using the residual heat, and so more complex geometries over the known method are possible.
Die Restwärme, die das Bauteil nach der Umformung aufweist, wirkt sich auch vorteilhaft auf direkt anschließende Schnittoperationen wie z. B. beim Besäumen oder Lochen aus, da die Schnittkräfte mit steigenden Werkstücktemperaturen sinken. Auch sind bei der Warmumformung des Werkstücks deutlich geringere Pressenkräfte als bei der Kaltumformung erforderlich.The residual heat that has the component after forming, also has an advantageous effect on directly subsequent cutting operations such. B. when trimming or punching, since the cutting forces decrease with increasing workpiece temperatures. Also, hot working of the workpiece requires significantly lower press forces than cold forming.
Zur Vermeidung einer frühzeitigen Aufhärtung im Umformwerkzeug kann es bei lufthärtenden Stählen fallweise vorteilhaft sein, das Umformwerkzeug mit einer Heizung zu versehen, um die gewünschte langsame Abkühlung im Umformwerkzeug zu ermöglichen, was weiter maßgeschneiderte Kennwerte innerhalb eines Bauteiles zulässt.To avoid premature hardening in the forming tool, it may occasionally be advantageous in air-hardening steels to provide the forming tool with a heater in order to allow the desired slow cooling in the forming tool, which further allows tailor-made characteristic values within a component.
Zur Einhaltung einer angestrebten Mindestdehnung von A5 ≥ 7% und Zugfestigkeiten von Rm > 800 MPa haben sich durchschnittliche Abkühlgeschwindigkeiten von dT/dt < 150 K/s bei einem Umformvorgang mit einer Dauer von t < 5s im Umformwerkzeug als günstig erwiesen.In order to maintain a minimum elongation of A 5 ≥ 7% and tensile strengths of R m > 800 MPa, average cooling rates of dT / dt <150 K / s have proved favorable in a forming process with a duration of t <5s in the forming tool.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat außerdem den Vorteil, dass bestehende Warmumformanlagen bei Fahrzeugherstellern und Zulieferern genutzt werden können und dadurch die Fertigungskosten gegenüber dem bekannten Verfahren zur Verarbeitung luftvergütbarer Werkstoffe reduziert werden, auch weisen sie kürzere Werkzeugbelegungszeiten beim Warmumformen gegenüber den üblichen Bor-Mangan-Stählen auf. The inventive method also has the advantage that existing hot forming plants can be used by vehicle manufacturers and suppliers and thereby the manufacturing costs compared to the known method for processing luftvergütbarer materials are reduced, they also have shorter tool occupancy times during hot forming compared to the usual boron-manganese steels.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei nicht nur für die Anwendung von warmumformbaren Stahlwerkstoffen geeignet sondern grundsätzlich für alle metallischen Werkstoffe, die als Blech warmumformbar sind.The method according to the invention is suitable not only for the application of hot-workable steel materials but basically for all metallic materials which are heat-formable as a sheet.
Mit einer geeigneten Prozessführung beim Warmumformen werden vorteilhaft die auf der Platine vorhandenen steifigkeitserhöhenden Strukturen auch auf das fertige Bauteil übertragen, so dass neben einer entsprechenden Werkstofffestigkeit nach der Warmumformung auch eine erhöhte Bauteilsteifigkeit vorhanden ist.With a suitable process control during hot forming advantageously existing on the board stiffness-enhancing structures are also transferred to the finished component, so that in addition to a corresponding material strength after hot working and increased component stiffness is present.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nachfolgend noch einmal aufgeführt:
- – sicheres Handling von Platinen auch mit geringen Wanddicken < 1,0 mm,
- – steifigkeitserhöhende Struktur einfach und kostengünstig in Band oder Platine einbringbar,
- – erhöhte Steifigkeit auch am fertigen Bauteil erreichbar,
- – keine nachgeschaltete Wärmebehandlung bei Einsatz von lufthärtbaren Stählen erforderlich,
- – höhere Festigkeiten im Vergleich zu den bekannten Verarbeitungsverfahren,
- – höheres Formänderungsvermögen im Vergleich zur Kaltformgebung bzw. zum direkten Presshärten von Bor-Mangan-Stählen,
- – geringere Umformkräfte im Vergleich zur Kaltformgebung,
- – bestehende Anlagen und Werkzeuge für die Warmumformung (Presshärten) bleiben nutzbar,
- – kürzere Werkzeugbelegung bei Einsatz von lufthärtbaren Stählen im Vergleich zum Presshärten,
- – hohe Maßhaltigkeit,
- – sehr gute Schweißbarkeit,
- – gute Beschichtbarkeit mit den üblichen Beschichtungsverfahren, wie kathodische Tauchlackierung (KTL), Feuerverzinkung, Feueraluminierung und Hochtemperaturverzinkung,
- – Einsatzmöglichkeit für geschweißte statisch und dynamisch hoch belastete Bauteile mit hinreichender Restdehnung/Duktilität.
- - safe handling of boards even with small wall thickness <1.0 mm,
- Stiffness-increasing structure easily and inexpensively in band or board,
- - Increased rigidity also achievable on the finished component,
- - no downstream heat treatment required when using air-hardenable steels,
- Higher strength compared to the known processing methods,
- Higher deformability compared to cold forming or direct press hardening of boron-manganese steels,
- Lower forming forces compared to cold forming,
- - existing systems and tools for hot forming (press hardening) remain usable,
- Shorter tool usage when using air-hardenable steels compared to press hardening,
- - high dimensional accuracy,
- - very good weldability,
- Good coatability with the usual coating methods, such as cathodic dip coating (KTL), hot dip galvanizing, fire aluminizing and high-temperature galvanizing,
- - Possible use for welded statically and dynamically highly loaded components with sufficient residual strain / ductility.
Zeichnungslegendedrawing Legend
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Blech/PlatineSheet / board
- 22
- Verstärkungsstrukturenreinforcing structures
- 33
- Ausgangsblechdicke s0 Starting sheet thickness s 0
- 44
- Durch Warmprägen (lokal) verringerte Blechdicke s1 Hot stamping (locally) reduced sheet thickness s 1
- 55
- Vergrößerte Gesamthöhe = vergrößerte Steifigkeit bei gleicher Blechdicke s0 Enlarged overall height = increased rigidity for the same sheet thickness s 0
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2010/133526 A1 [0016, 0024] WO 2010/133526 A1 [0016, 0024]
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