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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff, bei dem das Werkstück in einem Bearbeitungswerkzeug erwärmt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit diesem Verfahren hergestelltes Formteil.
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In der
DE 10 2009 016 027 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles, insbesondere eines Karosserieteiles beschrieben, wobei ein Warmumformen des Werkstückes vorgesehen ist, zu dessen Zweck das Werkstück einer Erwärmung unterzogen wird. Das Warmumformen des Werkstückes dient der Verbesserung seines Formänderungsvermögens und der Verringerung der Festigkeit zur Vorbereitung weiterer Fertigungsverfahren, die beispielsweise auf Umformeinrichtungen und Beschneideinrichtungen erfolgen. Die Erwärmung kann induktiv mittels einer Induktionseinrichtung durchgeführt werden, welche vorteilhafterweise an die Form des Werkstückes angepasst ist. Dadurch ergeben sich bessere Integrationsmöglichkeiten in bestehende Pressenstraßen.
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Die
DE 10 2006 037 637 A1 betrifft die Erwärmung von Metallblechen, insbesondere von Stahlblechen, zur Warmumformung unter anderem in Kombination mit einem anschließenden Presshärtevorgang. Die Erwärmung der Metallbleche erfolgt beispielsweise durch induktive Erwärmung. Stationäre Erwärmungsvorrichtungen können sich im Bearbeitungswerkzeug bzw. im Umformraum befinden.
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Die
DE 39 28 089 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines Werkstückes aus elektrisch leitendem Material, die geeignet ist, auch größere, vorzugsweise flache Werkstücke, beispielsweise Bleche, zu erhitzen.
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Weiterhin werden in der
EP 0 530 383 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formgebung von Werkstücken aus einem Metallblech in einer Formgebungsvorrichtung beschrieben, wobei das Werkstück einem Wärmebehandlungsverfahren mittels einer induktiven Erwärmungseinrichtung unterzogen wird.
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Die
DE 10 2009 056 199 A1 betrifft ein Verfahren zum Umformen eines Halbzeuges, insbesondere zum Tiefziehen eines Bleches, wobei eine Oberfläche der Werkstückaufnahme zumindest bereichsweise vor dem Einlegen des Halbzeuges beheizt wird. Vorzugsweise erfolgt das Beheizen mittels wenigstens einer induktiven Heizvorrichtung. Das induktive Beheizen der Werkstückaufnahme ermöglicht eine räumlich besonders gut aufgelöste Einbringung von Energie in das Bearbeitungswerkzeug bei gleichzeitig sehr kurzen Heizzeiten.
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Die
DE 10 2005 027 259 A1 beschreibt ein Schmiedeverfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen durch Halbwarm-Umformung von Rohlingen aus Legierungen mit superplastischem Gefüge. Dadurch wird der Umformdruck im Umformwerkzeug deutlich unterhalb des zum Schmieden benötigten Umformdrucks der entsprechenden Legierung gehalten.
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Die
DE 10 2007 023 087 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nocken aus einem härtbaren Stahlwerkstoff für eine Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Das Herstellungsverfahren umfasst eine Umformung eines Halbzeuges zur Erzeugung eines Nockenrohlings und eine anschließende Wärmebehandlung des Nockenrohlings. Um die Umformung zu erleichtern, kann das Stangenmaterial bzw. die Nockenscheibe vor der Umformung gegebenenfalls je nach Werkstoff auf eine Temperatur zwischen 400°C und 500°C erwärmt werden, sodass die Umformung als Halbwarmumformung erfolgt. Eine solche Temperaturerhöhung erhöht naturgemäß die Verformbarkeit. Die Temperatur wird in einer solchen Weise gewählt, dass die Umformung ohne Gefügebeeinträchtigung erfolgt und keine Verzunderung auftritt.
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Durch die
WO 2005/021177 A1 ist ein Verfahren zum Umformen von Blechen, insbesondere zum Halbwarm- oder Warmumformen von Platinen, in einem Umformwerkzeug bekannt.
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Die
DE 10 2009 025 023 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, bei dem ein Halbwarmpressen eingesetzt wird.
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Grundsätzlich gilt, dass hohe Umformgrade eine hohe Umformtemperatur erfordern. So wird beispielsweise bei einer Warmumformung im Temperaturbereich zwischen 1.000°C und 1.200°C ein hohes Umformvermögen von φ > 4 erreicht. Hiermit verbunden ist jedoch ein hoher Energieverbrauch bei der Erwärmung des Werkstückes auf die hohe Temperatur. Ein weiterer Nachteil, der mit der Warmumformung verbunden ist, ist der hohe Aufwand für die Nachbearbeitung, insbesondere durch die erforderliche Entfernung des bei den hohen Temperaturen entstehenden Zunders, beispielsweise mittels Bestrahlung. Weiterhin erweist sich der Materialverlust als nachteilig, weil zum Ausgleich der auftretenden Abweichungen und Ungenauigkeiten erhebliche Aufmaße vorgesehen werden müssen. Aufgrund der Zunderschichten ist es in der Praxis zudem ausgeschlossen, mehrere Verfahrensschritte in ein Bearbeitungswerkzeug zu integrieren, da störender Zunder die Funktion beeinträchtigen könnte.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorteile eines Umformverfahrens bei hohen Temperaturen mit den Vorteilen einer Umformung bei geringen Temperaturen in optimaler Weise zu verbinden. Außerdem soll ein nach diesem Umformverfahren hergestelltes Formteil geschaffen werden.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Bearbeitungsverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Bearbeitungsverfahren vorgesehen, bei dem das Werkstück partiell in einem gegenüber der Bearbeitungszone reduzierten Flächenanteil als Teilbereich des Werkstückes erwärmt wird, sodass also eine Wärmeeinflusszone definiert wird, die lediglich einen Anteil der von der Bearbeitung betroffenen Oberfläche des Werkstückes betrifft. Die Erfindung geht dabei von der überraschenden Erkenntnis aus, dass sich bei einer vergleichsweise geringen Temperatur, die vorzugsweise oberhalb der Kaltumformung und unterhalb der Temperatur einer Warmumformung liegt, ein wesentlich verbessertes Umformvermögen bei zugleich geringem Energie- und Nachbearbeitungsaufwand erzielen lässt.
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Durch die partielle Erwärmung von Stahlwerkstoffen wird ein verbessertes Umformvermögen erreicht, welches vor allem aufgrund der beim Trennen und Umformen des Werkstoffes auftretenden Kaltverfestigung einen praxisrelevanten Vorteil generiert, weil sich die Kaltverfestigung hinderlich bei der nachfolgenden Bearbeitung auswirkt. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsansätzen zur Vermeidung von Rissen bzw. allgemein von Ungänzen durch eine Aufteilung komplexer Bearbeitungsvorgänge in mehrere Teilschritte wird erfindungsgemäß der konstruktive Aufwand, insbesondere für das Bearbeitungswerkzeug, wesentlich vermindert.
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Dabei wird die Erwärmung nicht zugleich auf die gesamte Bearbeitungsfläche übertragen, sondern auf eine durch die Erwärmung definierte Wärmeeinflusszone während der Bearbeitung auf eine beispielsweise auch veränderliche Teilfläche beschränkt.
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Insbesondere wird die Erwärmung partiell auf die Teilfläche übertragen, wobei die ausgewählte Teilfläche in Bezug auf die Bearbeitungsfläche nach einem vorbestimmten Zyklus insbesondere kontinuierlich verändert werden könnte. Besonders bevorzugt wird das Werkstück durch ein Umformverfahren und/oder ein Trennverfahren bearbeitet, wobei als Trennverfahren insbesondere das Schneiden, beispielsweise das Scherschneiden zum Einsatz kommen kann.
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Dabei könnte das Werkstück außerhalb des Bearbeitungswerkzeuges erwärmt werden. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn das Werkstück innerhalb des Bearbeitungswerkzeuges induktiv erwärmt wird, sodass also das Werkstück mit geringem zusätzlichem Aufwand induktiv innerhalb des Beschnitt- oder Umformwerkzeuges erwärmt wird. Dabei sollen vorzugsweise solche Bearbeitungswerkzeugwerkstoffe eingesetzt werden sollen, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um eine geringe Aufheizung des Bearbeitungswerkzeuges sicherzustellen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Werkstück auf eine Temperatur zwischen 500°C und 800°C erwärmt. In diesem Temperaturbereich konnte bei Versuchen bereits ein überraschend hohes Umformvermögen erreicht werden, was dem Umformvermögen einer Warmumformung entspricht und dabei sogar das Umformvermögen der vollflächigen Erwärmung deutlich übertrifft.
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Im Ergebnis wird durch das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren das hohe Umformvermögen einer Warmumformung mit einem vergleichsweise geringen thermischen Energieeintrag kombiniert.
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Gegenüber einer Warmumformung reduziert sich der Energieaufwand, der anderenfalls für die Erwärmung des Werkstückes erforderlich ist. Weiterhin entfällt das aufwendige Entfernen von Zunder, wobei zugleich eine hohe Genauigkeit erreicht wird. Somit sind geringe Aufmaße erforderlich, die zu einer deutlich verminderten, beispielsweise spanenden Nacharbeit und zugleich zu Materialeinsparungen führen.
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Darüber hinaus kann auch der Anschaffungsaufwand für die zur Bearbeitung eingesetzten Vorrichtungen und auch der Bearbeitungswerkzeugverschleiß gesenkt werden. Zur Umformung eignen sich nahezu alle an sich bekannten Umformverfahren, insbesondere auch das Walzen, das Gesenkformen, das Tiefziehen oder das Schmieden. Dabei kann die Wirkrichtung der Umformkraft eine beliebige, beispielsweise also eine horizontale oder eine vertikale Orientierung aufweisen.
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Es ist denkbar, dass die Einwirkung der Bearbeitungskraft während der Einwirkung der thermischen Energie auf das Werkstück unterbrochen oder reduziert wird. Im Gegensatz hierzu hat es sich als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn das Werkstück während der bei der Bearbeitung auftretenden Krafteinwirkung erwärmt und so die Schneid- oder Umformkraft während der Erwärmung des Werkstückes im Wesentlichen konstant gehalten wird. Dadurch kann die Umformung von einem Ausgangszustand zu einer vorbestimmten Sollgeometrie während eines einzigen oder mehrerer vollständiger Erwärmungszyklen durchgeführt werden. Der Herstellungsaufwand wird somit wesentlich verkürzt. Selbstverständlich könnte die Umformkraft während eines Erwärmungszyklus auch verändert werden, um so in zeitlicher Abfolge unterschiedliche Umformgrade zu realisieren.
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Dabei hat es sich bereits als besonders Erfolg versprechend erwiesen, wenn die thermische Energieeinleitung auf einen Zeitraum zwischen 3 und 5 Sekunden begrenzt wird. Das Bearbeitungswerkzeug kann während der Einleitung der thermischen Energie kraft- oder weggesteuert auf das Werkstück einwirken. Weiterhin kann während der Erwärmung eine stetige und damit homogene Umformung erfolgen, welche zu einer weiteren Verbesserung der Materialqualität führt.
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Das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren ist nicht auf bestimmte Werkstückgeometrien beschränkt. Als besonders praxisgerecht hat es sich allerdings bereits erwiesen, wenn die thermische Energie in eine punktsymmetrische oder im Wesentlichen kreisförmige Wärmeeinflusszone eingeleitet wird. Beispielsweise eignen sich hierzu Werkstücke, bei denen ein insbesondere zumindest abschnittsweise zylindrischer Rohling aus Stahl verwendet wird. Dabei kann das Werkstück während der Bearbeitung ortsfest fixiert oder relativ zu dem Bearbeitungswerkzeug bewegt werden.
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Eine wesentliche Steigerung der erzielbaren Umformgrade lässt sich dabei erreichen, indem das Werkstück oder das Bearbeitungswerkzeug vor der Bearbeitung mit einem flüssigen oder festen Schmierstoff beaufschlagt werden.
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Bei einer weiteren, besonders sinnvollen Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird das Werkstück ergänzend oder alternativ in einem dem Bearbeitungsprozess vorhergehenden Bearbeitungsschritt erwärmt. Neben der Bearbeitung in Verbindung mit der partiellen induktiven Erwärmung hat es sich in Untersuchungsreihen bereits herausgestellt, dass eine zusätzliche Erwärmung während eines vorhergehenden Bearbeitungsprozesses das Umformvermögen in den nachfolgenden Bearbeitungsschritten zusätzlich erhöht. Hier haben sich besonders positive Effekte bei Trennprozessen, beispielsweise dem Scherschneiden und/oder Stanzen, und einer Erwärmung auf Temperaturen zwischen 300°C und 700°C ergeben.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird noch durch ein mit dem Umformverfahren hergestelltes Formteil erreicht.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer perspektivischen Schnittdarstellung in
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1 ein Schneidwerkzeug während der trennenden Bearbeitung eines Werkstückes sowie einen vergrößerten Ausschnitt des Bearbeitungsbereiches;
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2 ein Umformwerkzeug während der umformenden Bearbeitung eines Werkstückes sowie einen vergrößerten Ausschnitt des Bearbeitungsbereiches.
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Das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren wird nachstehend zur Verdeutlichung des Grundprinzips anhand der 1 und 2 näher beschrieben. Die 1 und 2 zeigen einerseits ein als Schneidwerkzeug ausgeführtes Bearbeitungswerkzeug 1, andererseits ein als Umformwerkzeug ausgeführtes Bearbeitungswerkzeug 2 während der Bearbeitung eines Werkstückes 3 jeweils in Verbindung mit einem vergrößerten Ausschnitt des jeweiligen Bearbeitungsbereiches. Um das Umformvermögen des Werkstückes 3 während der Bearbeitung zu verbessern, wird das Werkstück 3 durch induktive Erwärmung partiell in einem gegenüber der Bearbeitungszone reduzierten Teilbereich als Wärmeeinflusszone 4 des Werkstückes 3 auf eine Temperatur zwischen 500°C und 800°C erwärmt. Wie zu erkennen ist, erstreckt sich die Wärmeeinflusszone 4 im Wesentlichen konzentrisch zu einer kreisförmigen bzw. rotationssymmetrischen Bearbeitungszone und entspricht damit dem von der Bearbeitung wesentlich betroffenen Materialanteil des Werkstückes 3. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich aufgrund der partiellen Erwärmung ein wesentlich verbessertes Umformvermögen erzielen lässt, welches vor allem aufgrund der beim vorhergehenden Stanzen des Werkstoffes auftretenden Kaltverfestigung einen praxisrelevanten Vorteil generiert. Während einer Dauer von 3 bis 5 Sekunden wirkt die thermische Energie auf das Werkstück 3 ein, während das Bearbeitungswerkzeug 1, 2 zugleich eine trennende bzw. umformende Kraft auf das Werkstück 3 überträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bearbeitungswerkzeug
- 2
- Bearbeitungswerkzeug
- 3
- Werkstück
- 4
- Wärmeeinflusszone
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009016027 A1 [0002]
- DE 102006037637 A1 [0003]
- DE 3928089 A1 [0004]
- EP 0530383 A1 [0005]
- DE 102009056199 A1 [0006]
- DE 102005027259 A1 [0007]
- DE 102007023087 A1 [0008]
- WO 2005/021177 A1 [0009]
- DE 102009025023 A1 [0010]
