DE102012012518A1

DE102012012518A1 - Warmumformwerkzeug zur Herstellung von Formteilen

Info

Publication number: DE102012012518A1
Application number: DE102012012518A
Authority: DE
Inventors: Manuel Köster; Maik Winderlich; Wolfgang Buhr
Original assignee: GEDIA Gebrueder Dingerkus GmbH
Current assignee: GEDIA Gebrueder Dingerkus GmbH
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24
Also published as: ITMI20131024A1; GB201310880D0; FR2992329B1; GB2505048B; FR2992329A1; GB2505048A

Abstract

Um ein Warmumformwerkzeug zur Herstellung von Formteilen aus Stahl, die hochfeste Teilbereiche und duktile Teilbereiche aufweisen, zu schaffen, welches bei mäßigem Energieaufwand und hoher Taktzahl zur Herstellung von Formteilen mit mehrfach unterschiedlichen Festigkeitsbereichen geeignet ist und dabei geringe Übergangszonen zwischen den Bereichen ermöglicht, sowie Wärmeverzug vermeidet, wird vorgeschlagen, dass zweite Aktivflächen (7) des Warmumformwerkzeuges (1), die während des Umformprozesses den duktilen Bereich (8) des Formteils (6) ausformen, eine von einer glattflächigen Struktur abweichende unglatte Oberfläche (9) aufweisen, sodass das Formteil (6) zwar zu seiner Sollkontur formbar ist, aber die Kontaktkühlung derart verlangsamt ist, dass eine Martensitbildung mindestens nahezu vollständig vermieden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Warmumformwerkzeug zur Herstellung von Formteilen aus Stahl, die hochfeste Teilbereiche und duktile Teilbereiche aufweisen, wobei das gekühlte Warmumformwerkzeug zueinander aus einer Speisestellung in eine Umformstellung verstellbare Werkzeugteile, insbesondere ein Werkzeugoberteil und ein Werkzeugunterteil, aufweist, wobei erste Aktivflächen der Werkzeugteile, insbesondere des Werkzeugoberteils und/oder des Werkzeugunterteils, die während des Umformprozesses hochfeste Teilbereiche des Formteils ausformen, glattflächig ausgebildet sind und vollflächig an der Kontur des geformten oder zu formenden Formteils anliegen.
Im Stand der Technik ist es bekannt Formteile mit hochfesten und duktilen Teilbereichen zu fertigen. Dazu bedient man sich verschiedener Verfahren.
Die EP 1 180 470 B1 beschreibt beispielsweise ein Herstellungsverfahren für die B-Säule einer Fahrzeugkarosseriestruktur, die im Wesentlichen ein hochfestes Gefüge, im Säulenfuß jedoch ein duktiles Gefüge aufweist. Dabei wird die B-Säule aus einer Formplatine oder einem vorgeformten Längsprofil hergestellt, wobei Teilbereiche der Formplatine, bzw. des vorgeformten Längsprofils isoliert werden, während sie in einem Ofen auf Austenitisierungstemperatur gebracht werden. Dadurch erreichen die isolierten Bereiche nicht die Austenitisierungstemperatur und folglich kann sich dieser Bereich bei der anschließenden Abkühlung nicht in Martensit umwandeln, wodurch ein duktiler Bereich mit bainitischem und/oder ferritischperlitischem Gefüge entsteht.
Eine weitere Möglichkeit beschreibt die DE 102 56 621 B3 . Hier wird ein Formbauteil, beispielsweise eine Platine oder ein vorgeformtes Blech, in einem Durchlaufofen erhitzt. Der Durchlaufofen ist durch eine Trennwand in zwei Bereiche unterteilt, die unterschiedlich hohe Temperaturen aufweisen. Dadurch können Teilbereiche des Formbauteils auf verschiedene Temperaturen erhitzt und im anschließenden Umform- und Härteprozess ein hochfester und ein duktiler Gefügebereich hergestellt werden.
Die für die unterschiedlichen Temperaturbereiche benötigten Trennwände können nur mit großem Aufwand versetzt werden.
Des Weiteren beschreibt die DE 197 43 802 C2 ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils, bei dem partielle Bereiche einer Platine, die eine höhere Festigkeit aufweisen sollen als das übrige Bauteil, in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden auf eine Temperatur zwischen 600°C und 900°C gebracht werden. Anschließend wird die Platine in einem Pressenwerkzeug umgeformt und vergütet.
In der Druckschrift ist eine zweite Verfahrensweise beschrieben, bei der die Platine zunächst vor- oder endgeformt wird und im Anschluss daran partielle Bereiche in der oben genannten Weise wärmebehandelt werden. Die wärmebehandelten Bereiche weisen dann dem übrigen Bauteil gegenüber eine höhere Festigkeit auf.
Ebenfalls wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, die Platine vollständig auf 900°C bis 950°C zu erwärmen, in einem Pressenwerkzeug umzuformen und anschließend zu vergüten. Daran anschließend sollen partielle Bereiche erwärmt werden, um die gewünschte Duktilität in diesen Bereichen herzustellen.
Die beschriebenen Verfahren sind relativ aufwendig und teuer. Sie erfordern mehrere Arbeitsschritte bis zur Fertigstellung des gewünschten Formbauteils, was in der Regel eine Verlängerung der Taktzeiten zur Folge hat. Um Bereiche der Bauteile vor dem Umformprozess auf die benötigten Temperaturen einzustellen oder nach dem Umformprozess nachträglich zu erhitzen und damit den gewünschten Effekt zu erzielen, muss zusätzlich Energie aufgewendet werden, was zur Erhöhung der Herstellkosten führen kann. Außerdem können diese Verfahren zu einem Wärmeverzug des Formbauteils führen. Die Erwärmung auf unterschiedliche Temperaturen vor dem Umformprozess kann zu Übergangszonen führen, was sich nachteilig auf das gewünschte Ergebnis auswirkt und keine klare Abgrenzung zwischen Bereichen hoher Festigkeit und geringer Festigkeit ermöglicht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Warmumformwerkzeug zur Herstellung von Formteilen aus Stahl, die hochfeste Teilbereiche und duktile Teilbereiche aufweisen, zu schaffen, welches bei mäßigem Energieaufwand und hoher Taktzahl zur Herstellung von Formteilen mit mehrfach unterschiedlichen Festigkeitsbereichen geeignet ist und dabei geringe Übergangszonen zwischen den Bereichen ermöglicht, sowie Wärmeverzug vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass zweite Aktivflächen des Warmumformwerkzeuges, die während des Umformprozesses den duktilen Bereich des Formteils ausformen, eine von einer glattflächigen Struktur abweichende unglatte Oberfläche aufweisen, sodass das Formteil zwar zu seiner Sollkontur formbar ist, aber die Kontaktkühlung derart verlangsamt ist, dass eine Martensitbildung mindestens nahezu vollständig vermieden ist.
Hierdurch wird ein Warmumformwerkzeug zur Verfügung gestellt, welches für die Herstellung von Formteilen, beispielsweise für Karosseriestrukturbauteile, mit unterschiedlichen Festigkeitsbereichen geeignet ist. Dabei wird ein Halbzeug, beispielsweise eine Platine, welches auf Austenitisierungstemperatur erhitzt ist, in das Warmumformwerkzeug eingebracht und dort in ein Formteil umgeformt und gehärtet. Während des Umform- und Härteprozesses entstehen die unterschiedlichen Festigkeiten im Formteil. Dies gelingt mit dem erfindungsgemäßen Warmumformwerkzeug innerhalb eines Arbeitsschrittes dadurch, dass das Warmumformwerkzeug unterschiedliche Aktivflächen aufweist. Dabei soll die erste Aktivfläche, die den hochfesten Bereich des Formteils ausformt, eine glatte Oberfläche aufweisen und damit vollflächig an der Kontur des geformten oder zu formenden Formteils anliegen. Durch den Kontakt zwischen Warmumformwerkzeug und Formteil wird die Wärme des Formteils in das gekühlte Warmumformwerkzeug abgeführt, wobei das Warmumformwerkzeug komplett gekühlt ist, um die Wärmeabfuhr zu erreichen. Durch das schnelle Abkühlen wird in diesem Formteilbereich, an dem die ersten Aktivflächen anliegen, ein martensitisches, hochfestes Gefüge eingestellt.
Einige Bereiche des Warmumformwerkzeuges weisen eine von der beschriebenen ersten Aktivfläche unterschiedliche zweite Aktivfläche auf. Diese haben eine abweichende Oberflächenstruktur, wobei die unglatte Struktur nicht vollständig an der Formteilkontur anliegt und damit für eine langsamere Abkühlrate durch den verlangsamten Wärmeübergang und ein damit einhergehendes duktiles Gefüge sorgt. Die Abkühlrate kann z. B. bei etwa 15 bis 20 K/s liegen.
Das duktilere Gefüge wird auch in Teilbereichen eingestellt, die nach Fertigstellung beispielsweise durch Lochen oder Stanzen des Formteils weiterbearbeitet werden sollen. Außerdem können die für das Crashverhalten eines Fahrzeuges relevanten Formteilbereiche durch die Einstellung verschiedener Festigkeiten optimiert werden.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die zweiten Aktivflächen, die duktile Bereiche des Formteils ausformen, eine linien- und/oder punktförmige Oberflächenstruktur aufweisen, wobei diese Struktur bevorzugt durch ein Muster von Erhebungen ausgebildet ist, welches eine Waffel-, Waben- oder Rillenstruktur aufweist und die Strukturkanten, die das Formteil berühren, eng nebeneinander liegen.
Durch die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur werden die Kontaktstellen zwischen der zweiten Aktivfläche und dem Formteil verringert, um eine gezielte langsamere Wärmeabfuhr zu ermöglichen. Die Strukturkannten können dabei linien- und/oder punktförmig das Formteil berühren, um neben der reduzierten Wärmeabfuhr die Maßhaltigkeit zu garantieren und Wärmeverzug zu vermeiden. Durch die Waffel-, Waben- oder Rillenstruktur entstehen zwischen den Berührungskanten Flächen, die die für die Verzögerung des Wärmeübergangs notwendigen Hohlräume bilden. Die Strukturkanten liegen eng genug nebeneinander, um das Formteil in die gewünschte Form zu bringen.
Durch die Gestaltung der zweiten Aktivflächen können in den entsprechenden Bereichen Härten im duktilen Bereich erzielt werden, wobei diese z. B. zwischen 150 HV und 400 HV liegen können.
Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die gegenüber den vorstehenden Strukturkanten zurückgesetzten Strukturflächen mit den Strukturkanten Kanäle bilden, die miteinander in Verbindung stehen.
Zwischen den am Formteil anliegenden Strukturkanten bilden sich die Strukturflächen. Diese bilden Anlagekanten und Hohlräume, sodass die Kühlwirkung des Warmumformwerkzeuges herabgesetzt wird und somit ein verlangsamter Wärmeübergang vom Formteil auf das Warmumformwerkzeug erfolgt. Jede Strukturfläche geht in eine weitere Strukturfläche über, sodass eine Art Kanalsystem entsteht, welches die Hohlräume miteinander verbindet.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Kanäle zum Rand der Aktivflächen offen ausmünden.
Die Öffnungen am Rand der Aktivflächen sorgen dafür, dass kein Wärmestau entsteht, sondern die Wärme in die Umgebung z. B. durch Luftströmung abfließen kann, wodurch ein für das Warmumformwerkzeug möglicherweise schädlicher Wärmestau im Warmumformwerkzeug vermieden wird.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Werkzeugteile zu den zweiten Aktivflächen ausmündende Kühlkanäle aufweisen, an die Kühlmittelzuleitungen angeschlossen sind.
Über die Kühlkanäle kann bei Bedarf nach zunächst langsamer Abkühlung ein Kühlmedium z. B. Luft in die Kanäle der zweiten Aktivflächenstruktur eingeleitet werden, um dann ein schnelleres Abkühlen des Formteils zu ermöglichen. Dabei können sowohl das Kühlmedium als auch der Zeitpunkt zu dem das Kühlmedium eingebracht wird variieren, wodurch unterschiedliche Härten eingestellt werden können.
Nach einer ersten langsamen Abkühlphase, durch die sichergestellt ist, dass sich bainitisches oder sogar ferritisch-perlitisches Gefüge bildet, wird das Formteil im Bereich der zweiten Aktivflächen durch das Einblasen des Kühlmediums in die Strukturkanäle schnell auf eine Temperatur von vorzugsweise 150°C bis 180°C gekühlt, bevor das Warmumformwerkzeug geöffnet wird und das Formteil aus dem Warmumformwerkzeug entnommen werden kann. Damit wird ein Wärmeverzug im Formteil vermieden und dennoch die Taktzeit verkürzt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Bestandteile des Warmumformwerkzeuges, die die zweiten Aktivflächen aufweisen, lösbar oder unlösbar mit dem Warmumformwerkzeug verbunden sind.
Vorteilhaft kann dabei sein, dass die zweiten Aktivflächen zuerst mit der erfindungsgemäßen Struktur gefertigt und erst dann in das Warmumformwerkzeug eingesetzt werden. So kann der Fertigungsprozess für das Herstellen des Warmumformwerkzeuges vereinfacht werden.
Außerdem können beschädigte zweite Aktivflächen problemlos ausgetauscht und/oder repariert werden.
Des Weiteren könnten die lösbaren zweiten Aktivflächen in unterschiedliche Warmumformwerkzeuge eingesetzt werden, um sie ggf. für verschiedene Bauteilgeometrien zu verwenden.
Bevorzugt ist zudem vorgesehen, dass ein die Temperatur des Bereiches der zweiten Aktivflächen oder des dort befindlichen Formteiles erfassender Temperatursensor vorgesehen ist, wobei dieser vorzugsweise mit einer eine Kühlmittelpumpe steuernden Steuereinheit verbunden ist, mittels derer bei Unterschreiten einer Solltemperatur, die Kühlmittelzufuhr zu den Kühlkanälen erfolgt.
Der mit der Steuereinheit verbundene Temperatursensor sorgt dafür, dass nach einer ersten langsamen Abkühlung auf eine Temperatur, vorzugsweise unterhalb von 500°C, über die Kühlmittelpumpe ein Kühlmedium in die Kanäle der Aktivflächenstruktur eingeleitet wird, um die restliche Kühlung zu beschleunigen.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Warmumformwerkzeuges ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigt:
1 das Warmumformwerkzeug in einer Seitenansicht;
2 das Warmumformwerkzeug in einer um 90° gedrehten Seitenansicht, teilweise geschnitten;
3 eine Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur der zweiten Aktivfläche;
4 die Schaubilder der Gefügeumwandlung in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur.
1 und 2 zeigen das Warmumformwerkzeug in Seitenansichten. Das gekühlte Warmumformwerkzeug 1 besteht aus zueinander aus einer Speisestellung in eine Umformstellung verstellbaren Werkzeugteilen, insbesondere einem Werkzeugoberteil 2 und einem Werkzeugunterteil 3, wobei erste Aktivflächen der Werkzeugteile, insbesondere des Werkzeugoberteils 2 und/oder des Werkzeugunterteils 3, die während des Umformprozesses hochfeste Teilbereiche 5 des Formteils 6 ausformen, glattflächig ausgebildet sind und vollflächig an der Kontur des geformten oder zu formenden Formteils 6 anliegen. Außerdem weist das Warmumformwerkzeug 1 zweite Aktivflächen 7 auf, die während des Umformprozesses den duktilen Bereich 8 des Formteils 6 ausformen und eine von einer glattflächigen Struktur abweichende unglatte Oberfläche 9 aufweisen, sodass das Formteil 6 zwar zu seiner Sollkontur formbar ist, aber die Kontaktkühlung derart verlangsamt ist, dass eine Martensitbildung mindestens nahezu vollständig vermieden ist. Die Werkzeugteile weisen Kühlbohrungen 16 auf, um das Warmumformwerkzeug 1 und damit das Formteil 6 während der Umformung zu kühlen und zu härten. Die Werkzeugteile weisen des Weiteren zu den zweiten Aktivflächen 7 ausmündende Kühlkanäle 14 auf, an die Kühlmittelzuleitungen 15 angeschlossen sind. Es ist ein Temperatursensor vorgesehen, um die Temperatur des Formteils 6 im Bereich der zweiten Aktivflächen 7 zu erfassen, wobei dieser vorzugsweise mit einer eine Kühlmittelpumpe steuernden Steuereinheit verbunden ist, mittels derer bei Unterschreiten einer Solltemperatur, die Kühlmittelzufuhr zu den Kühlkanälen 14 erfolgt.
3 zeigt eine mögliche Struktur der zweiten Aktivflächen 7, die den duktilen Bereich 8 des Formteils 6 ausformen. Die zweiten Aktivflächen 7 weisen eine linien- und/oder punktförmige Oberflächenstruktur auf, wobei diese Struktur bevorzugt durch ein Muster von Erhebungen ausgebildet ist, welches eine Waffel-, Waben- oder Rillenstruktur bildet und die Strukturkanten 10, die das Formteil 6 berühren, eng nebeneinander liegen.
Die gegenüber den vorstehenden Strukturkanten 10 zurückgesetzten Strukturflächen 11 bilden mit den Strukturkanten 10 Kanäle 12, die miteinander in Verbindung stehen.
Die Kanäle 12 münden zum Rand 13 der zweiten Aktivflächen 7 offen aus, sodass das durch die Kühlkanäle 14 zugeführte Kühlmittel, insbesondere Luft oder auch ein Gas, abströmen kann.
4 zeigt den Gefügeaufbau in den unterschiedlichen Formteilbereichen. Im Bereich der zweiten Aktivflächen 7 wird das Formteil 6 von einer Temperatur A_c3, die der Austenitisierungstemperatur entspricht, entsprechend der gestrichelten Linie 17 gekühlt, sodass ein duktiles Gefüge, insbesondere ein bainitisches Gefüge entsteht. Bei Erreichen einer Temperatur von ca. 400°C werden die zweiten Aktivflächen 7 bzw. das im Bereich der zweiten Aktivflächen 7 befindliche Formteil 6 mittels Luftkühlung schnell auf Entnahmetemperatur von z. B. 200°C abgekühlt.
Im Bereich der ersten Aktivflächen 4 wird die Kühlung des Warmumformwerkzeuges 1 in vollem Umfang wirksam, sodass das in diesem Bereich befindliche Formteil 6 sehr schnell entsprechend der durchgezogenen Linie 18 von A_c3 auf unter 400°C gekühlt wird. Hierdurch wird ein martensitisches Gefüge erreicht, welches den hochfesten Teilbereich 5 des Formteils 6 bildet.
Die Erwärmung des Formteils 6 auf A_c3 Temperatur erfolgt beispielsweise in einem Durchlaufofen.
Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
Alle in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1180470 B1 [0003]
DE 10256621 B3 [0004]
DE 19743802 C2 [0006]

Claims

Warmumformwerkzeug zur Herstellung von Formteilen aus Stahl, die hochfeste Teilbereiche und duktile Teilbereiche aufweisen, wobei das gekühlte Warmumformwerkzeug (1) zueinander aus einer Speisestellung in eine Umformstellung verstellbare Werkzeugteile, insbesondere ein Werkzeugoberteil (2) und ein Werkzeugunterteil (3), aufweist, wobei erste Aktivflächen (4) der Werkzeugteile, insbesondere des Werkzeugoberteils (2) und/oder des Werkzeugunterteils (3), die während des Umformprozesses hochfeste Teilbereiche (5) des Formteils (6) ausformen, glattflächig ausgebildet sind und vollflächig an der Kontur des geformten oder zu formenden Formteils (6) anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Aktivflächen (7) des Warmumformwerkzeuges (1), die während des Umformprozesses den duktilen Bereich (8) des Formteils (6) ausformen, eine von einer glattflächigen Struktur abweichende unglatte Oberfläche (9) aufweisen, sodass das Formteil (6) zwar zu seiner Sollkontur formbar ist, aber die Kontaktkühlung derart verlangsamt ist, dass eine Martensitbildung mindestens nahezu vollständig vermieden ist.
Warmumformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Aktivflächen (7), die den duktilen Bereich (8) des Formteils (6) ausformen, eine linien- und/oder punktförmige Oberflächenstruktur aufweist.
Warmumformwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur der zweiten Aktivflächen (7), die den duktilen Bereich (8) des Formteils (6) ausformen, durch ein Muster von Erhebungen ausgebildet ist, welches eine Waffel-, Waben- oder Rillenstruktur aufweist.
Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturkanten (10) der zweiten Aktivflächen (7), insbesondere der Waffel-, Waben- oder Rillenstruktur, die das Formteil berühren, eng nebeneinander liegen.
Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber den vorstehenden Strukturkanten (10) der zweiten Aktivflächen (7) zurückgesetzten Strukturflächen (11) mit den Strukturkanten (10) Kanäle (12) bilden, die miteinander in Verbindung stehen.
Warmumformwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (12) zum Rand (13) der zweiten Aktivflächen (7) offen ausmünden.
Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugteile zu den zweiten Aktivflächen (7) ausmündende Kühlkanäle (14) aufweisen, an die Kühlmittelzuleitungen (15) angeschlossen sind.
Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile des Warmumformwerkzeuges (1), die die zweiten Aktivflächen (7) aufweisen, lösbar oder unlösbar mit dem Warmumformwerkzeug (1) verbunden sind.
Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Temperatur des Bereiches der zweiten Aktivflächen (7) oder des dort befindlichen Formteils (6) erfassender Temperatursensor vorgesehen ist.
Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor mit einer eine Kühlmittelpumpe steuernden Steuereinheit verbunden ist, mittels derer bei Unterschreiten einer Solltemperatur, die Kühlmittelzufuhr zu den Kühlkanälen (14) erfolgt.