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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umformen und Formhärten von hohlen Blechformteilen aus Stahlblech.
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Aus der
DE 10 2007 005 257 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Warmumformen oder Formhärten eines Karosseriebleches bekannt, wobei die Formmatrize aus mehreren Segmenten besteht. Zwischen den Segmenten sind Strömungskanäle ausgebildet, um die Temperatureinstellung beim Abkühlen mittels eines Temperiermediums zu erlauben.
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In der
EP 1 755 801 B1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Formen und Abschrecken von hohlen Trägern beschrieben, wobei ein rohrförmiges Profilelement auf eine Abschreckungstemperatur erhitzt wird und in einer Formgebungseinrichtung platziert wird. Die Formgebungseinrichtung weist gegenseitig bewegbare Stützteile auf, die auf das Profilelement zubewegt werden und es dadurch verformen. Die Stützteile liegen in der Schließposition der Formgebungseinrichtung an dem verformten Profilelement an. Bei geschlossener Formgebungseinrichtung passiert ein Kühlmedium den Hohlraum des verformten Profilelements, während das Profilelement noch in der Formgebungseinrichtung positioniert ist.
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Bei der Abkühlung des Profilelements verliert dieses infolge Schrumpfung seine Maßhaltigkeit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umformen und Formhärten von hohlen Blechformteilen anzugeben, das diesen Nachteil vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Es wird ein Verfahren zum Warmumformen und Formhärten eines rohrförmigen Werkstücks aus Stahlblech, das als Blechhalbzeug oder vorgeformtes rohrförmiges Blechformteil eingesetzt wird zur Ausbildung eines rohrförmigen Blechformteils, vorgeschlagen, wobei vorgesehen ist, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- a) Erwärmung des Werkstücks auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahlblechs;
- b) Einführen eines kalten und/oder gekühlten Formkörpers in das Werkstück, wobei das Werkstück so umgeformt wird, dass die Innenkontur des Werkstücks der Außenkontur des Formkörpers entspricht;
- c) Formhärten des auf dem Formkörper angeordneten Werkstücks durch rasche Abkühlung, wobei das Werkstück auf den Formkörper aufschrumpft und nach dem Erkalten das Blechformteil bildet.
- d) Entfernen des Formkörpers aus dem Blechformteil.
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Das vorgeschlagene Verfahren weist den Vorteil auf, dass das Blechformteil sowohl formgetreu als auch maßhaltig ausgebildet ist, denn es löst sich durch das mit dem Härten einhergehende Schrumpfen nicht von dem die Formtreue und Maßhaltigkeit bestimmenden Formstück. Damit wird trotz Verzichts eines äußeren Werkzeugs erreicht, dass das Blechformteil die vom Presshärten bzw. Formhärten bekannte Formtreue und Maßhaltigkeit aufweist. Diese Art des Formhärtens kann auch als Schrumpfhärten bezeichnet werden, da die Formkraft durch das bei der Härtung des Blechformteils eintretende Schrumpfen des Blechformteils infolge der Abkühlung erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass einander gegenüberstehende Mantellinien des Formkörpers mit der Längsachse des Formkörpers Neigungswinkel αM1 und αM2 einschließen, deren Summe größer ist als das Doppelte eines Mindestneigungswinkels αmin. Durch die vorgesehenen Neigungswinkel wird erreicht, dass das erkaltete Blechformteil gut von dem Formstück ablösbar ist. Bei Unterschreitung des angegebenen Grenzwerts ist zwischen dem Blechformteil und dem Formkörper eine kraftschlüssige Verbindung ausgebildet, die nur schwer oder ohne Zerstörung des Blechformteils gar nicht mehr lösbar wäre.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Mindestneigungswinkels αmin gleich dem Arcustangens der Haftreibungszahl zwischen den im Kontakt stehenden Oberflächen des Formkörpers und des Blechformteils gewählt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass vor dem Verfahrensschritt b) eine Trennschicht aus einem hochtemperaturbeständigen Trennmittel auf den Formkörper aufgebracht wird. Anstelle des Trennmittels kann auch eine Schicht eines geeigneten Werkstoffs vorgesehen sein, dessen Materialbeschaffenheit das Trennen erleichtert.
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Die Dicke der Trennschicht kann vorzugsweise im Bereich von 5 μm bis 200 μm gewählt werden.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass der Formkörper aus mindestens zwei hintereinander angeordneten Teilformkörpern ausgebildet wird. Die Teilkörper können beispielsweise unterschiedliche Durchmesser und/oder unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Formkörper als ein stufiger Formkörper ausgebildet wird.
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In einer vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass die Stirnflächen der mindestens zwei Teilformkörper senkrecht zur Längsachse des Formkörpers ausgerichtet sind.
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In einer vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass der Formkörper als ein vorzugsweise dünnwandiges Rohr ausgebildet wird. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Blechformteil ausgebildet werden, das aus einem Materialverbund besteht, wobei beispielsweise der Formkörper oder das Blechformteil als Korrosionsschutzschicht ausgebildet sind.
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Die Endabschnitte des Formkörpers können als Koppelabschnitte und/oder Betätigungsabschnitte ausgebildet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Koppelabschnitte als Gewindeabschnitte ausgebildet werden. Die Gewindeabschnitte können mit Innengewinde oder Außengewinde ausgebildet sein. Die Betätigungsabschnitte können beispielsweise mit Schlüsselflächen ausgebildet sein.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass im Verfahrensschritt c) das Werkstück durch den Formkörper gekühlt wird, indem der Formkörper mindestens einen Kühlkanal aufweist, durch den ein Kühlmittel geleitet wird. Die Kühlkanäle können beispielsweise so ausgebildet werden, dass Abschnitte des Formkörpers von der Kühlung ausgenommen werden, so dass korrespondierende Abschnitte des Blechformteils von der Härtung ausgenommen sind und duktil ausgebildet werden.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass im Verfahrensschritt c) der Formkörper zusammen mit dem auf dem Formkörper angeordneten Werkstück in ein in einer Kühlmittelwanne befindliches Kühlmittel abgesenkt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe weiter mit dem Gegenstand des Anspruchs 16 gelöst. Es wird eine Warmumformvorrichtung zum Warmumformen und Formhärten eines rohrförmigen Werkstücks aus Stahlblech, das als Blechhalbzeug oder vorgeformtes rohrförmiges Blechformteil eingesetzt wird zur Ausbildung eines rohrförmigen Blechformteils, vorgeschlagen, wobei die Warmumformvorrichtung eine Aufnahmevorrichtung für das Werkstück und eine Aufnahmevorrichtung für einen Formkörper umfasst, wobei vorgesehen ist, dass die Aufnahmevorrichtung für das Werkstück und die Aufnahmevorrichtung für den Formkörper so ausgebildet sind, dass der Formkörper in das Werkstück einführbar ist.
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Die Warmumformvorrichtung weist den Vorteil auf, dass das in der Warmumformvorrichtung umgeformte und formgehärtete Blechformteil sowohl formgetreu als auch maßhaltig ausgebildet ist, denn es löst sich durch das mit dem Härten einhergehende Schrumpfen nicht von dem die Formtreue und Maßhaltigkeit bestimmenden Formstück. Damit weist das Blechformteil trotz Verzichts eines äußeren Werkzeugs die vom Presshärten bekannte Formtreue und Maßhaltigkeit auf.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Aufnahmevorrichtung für das Werkstück und die Aufnahmevorrichtung für den Formkörper so ausgebildet sind, dass der Formkörper aus dem abgekühlten Blechformteil entfernbar ist. Die Aufnahmevorrichtungen können beispielsweise verfahrbar ausgebildet sein und/oder eine Abzugsvorrichtung für das Blechformteil umfassen.
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Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Aufnahmevorrichtung für das Werkstück einen Niederhalter und eine Auflage umfasst, die so ausgebildet sind, dass in einem Abstandsraum zwischen dem Niederhalter und der Auflage ein kragenförmiger Endabschnitt des Werkstücks klemmbar ist.
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Die Warmumformvorrichtung kann weiter eine Kühleinrichtung für den Formkörper umfassen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung mit einem in dem Formkörper ausgebildeten Kühlkanal verbindbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann die Kühleinrichtung eine Kühlmittelwanne mit einem Kühlmittel und einen Manipulator umfassen, der so ausgebildet ist, dass der Formkörper zusammen mit dem auf dem Formkörper angeordneten Werkstück in das Kühlmittel absenkbar ist. Bei dem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um Wasser oder andere Kühlmittel, zum Beispiel Stickstoff handeln.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prinzipdarstellung;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prinzipdarstellung;
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prinzipdarstellung;
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4 eine Einzelheit IV in 3;
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5 ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prinzipdarstellung;
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6 ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prinzipdarstellung;
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7 ein sechstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prinzipdarstellung;
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8 ein siebentes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prinzipdarstellung;
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9a, 9b ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Warmumformeinrichtung in einer Prinzipdarstellung;
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10a–10d ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Warmumformeinrichtung in einer Prinzipdarstellung.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmtes rohrförmiges Blechhalbzeug 1 aus einer Stahllegierung über einen auf Umgebungstemperatur befindlichen Formkörper 2 gezogen wird, wobei es zu einem Blechformteil 3 warm umgeformt wird und durch den Formkörper 2 rasch abgekühlt wird. Dabei wird die Außenkontur des kegelstumpfförmigen Formkörpers 2 auf die Innenkontur des hohlzylinderförmigen Blechhalbzeugs 1 übertragen, das so in das hohlkegelstumpfförmige Blechformteil 3 umgeformt wird. Das maßhaltige und formgetreue Umformen des Blechhalbzeugs 1 in das Blechformteil 3 wird durch das Aufschrumpfen des heißen Blechformteils 3 beim Abkühlen auf den kalten Formkörper 2 unterstützt. Der Formkörper 2 ist einerseits ein Kühlkörper zur Durchführung des Formhärtens und andererseits ein Urmaß und eine Urform für das Blechformteil 3. Es kann davon ausgegangen werden, dass durch das Umformen die Blechdicke des Blechhalbzeugs 1 im Wesentlichen erhalten bleibt, so dass auch die Außenkontur des abgekühlten Blechformteils 3 eine hohe Maßhaltigkeit und Formtreue aufweist. Das abgekühlte Blechformteil 3 ist auf den Formkörper 2 aufgeschrumpft und bildet infolge der Schrumpfkräfte mit dem Formkörper 2 eine kraftschlüssige Verbindung aus. Die kraftschlüssige Verbindung kann jedoch durch Bewegen des Blechformteils 3 entgegen der in 1 durch einen Richtungspfeil gekennzeichneten Fügerichtung wieder gelöst werden.
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Das Lösen des erkalteten Blechformteils 3 von dem Formkörper 2 wird durch einen Neigungswinkel α, unter dem die Mantellinie des kegelstumpfförmigen Formkörpers 2 zu seiner Längsachse geneigt ist, unterstützt. Der Neigungswinkel α muss größer als ein Mindestneigungswinkel arm sein. Der Mindestneigungswinkel arm ist der Arcustangens der Haftreibungszahl zwischen den im Kontakt stehenden Oberflächen des Formkörpers 2 und des Blechformteils 3. Die Haftreibungszahl hängt im Wesentlichen von der Oberflächenrauigkeit, der Werkstoffpaarung und den Gleiteigenschaften einer optionalen Trennschicht 4 (siehe 4) ab, die zwischen dem Formkörper 2 und dem Blechformteil 3 angeordnet werden kann. Als Anhaltswert für die Mindestgröße des Neigungswinkels α kann der sog. Morsekegel herangezogen werden, den Kegelschäfte von Bohrern aufweisen. Demnach ist der Neigungswinkel α größer als 1°26' zu wählen.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens, das wie in 1 beschrieben ausgebildet ist, mit dem Unterschied, dass ein hohlkegelstumpfförmiges Blechhalbzeug 1 vorgesehen ist. Anstelle des Blechhalbzeugs 1 kann auch ein vorgeformtes hohlkegelstumpfförmiges Blechformteil 1b vorgesehen sein, das mit dem vorbeschriebenen Verfahren kalibriert und gehärtet wird.
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In den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen werden das Blechhalbzeug 1, das vorgeformte Blechformteil 1b sowie der Formkörper 2 als rotationssymmetrische Körper ausgebildet. Folglich wird auch das Blechformteil 3 als ein rotationssymmetrischer Körper ausgebildet.
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Der Begriff „rohrförmig” ist in Verbindung mit dem Blechhalbzeug 1 und dem vorgeformten Blechformteil 1b nicht auf einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt beschränkt, sondern bezeichnet einen Querschnitt mit einem geschlossenen Mantel. Der Querschnitt kann also auch beispielsweise quadratisch, rechteckig, rhombisch oder polygonal sein.
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Weiter ist der Begriff „kegelstumpfförmig” in Verbindung mit dem Formkörper 2 nicht auf einen geraden Kreiskegelstumpf oder einen elliptischen Kegelstumpf beschränkt. Die Grundfläche des Formkörpers 2 kann beispielsweise auch quadratisch, rechteckig, rhombisch oder polygonal sein.
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Wesentlich ist, dass die Summe der Neigungswinkel αM1 und αM2 (siehe 3) einander gegenüberstehender Mantellinien des Formkörpers 2 größer als das Doppelte des Mindestneigungswinkels am; gewählt wird.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Formkörper 2 als ein mehrteiliger Formkörper ausgebildet wird, wobei Teilformkörper 2a–2c eine unterschiedliche geometrische Form aufweisen. Der Formkörper 2 weist keine Rotationsachse auf. In der in 3 dargestellten Schnittebene weist der Formkörper 2 auch keine durchgehende Symmetrieachse auf.
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Weiter wird zwischen dem Formkörper 2 und dem Blechformteil 3 die weiter oben genannte Trennschicht 4 angeordnet, die beispielsweise eine Dicke im Bereich von 5 μm bis 200 μm aufweisen kann (4). Die Trennschicht 4 setzt die Haftreibung herab und/oder verhindert eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Formkörper 2 und dem Blechformteil 3. Die Trennschicht kann aus einem Trennmittel oder aus einem anderen Werkstoff bestehen.
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5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem der Formkörper 2 mit einem Kühlkanal 2k ausgebildet wird, durch den ein Kühlmittelstrom 5 geleitet wird.
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Das Blechformteil 3 weist einen Abschnitt mit einer erhöhten Blechdicke auf. Vorzugsweise weist auch das zu dem Blechformteil 3 umgeformte Blechhalbzeug einen Abschnitt mit einer erhöhten Blechdicke auf. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Blechdicke in den anderen Abschnitten durch ein nicht dargestelltes Umformwerkzeug zu verringern, das beispielsweise als aufeinander zu fahrende Formbacken ausgebildet ist, welche das auf dem Formkörper 2 angeordnete Blechformteil 3 umschließen. Das Blechformteil 3 kann auch aus mehreren miteinander verbundenen Teilen aus unterschiedlichem Material und/oder unterschiedlicher Materialdicke gebildet sein.
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6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei dem der Formkörper als ein mehrteiliger gerader Kreiskegelstumpf ausgebildet wird, der drei übereinander angeordnete Teilformkörper 2a bis 2c aufweist. Der mittlere Teilformkörper 2b ist aus einem schlecht Wärme leitenden Material, beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff ausgebildet. Infolge dessen wird ein auf dem mittleren Teilformkörper 2b aufliegender Abschnitt des Blechformteils 3 nur langsam abgekühlt, so dass keine Härtung eintritt und ein ringförmiger duktiler Abschnitt 3d in dem Blechformteil 3 ausgebildet wird.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Formkörper 2 als dünnwandiges Rohr ausgebildet wird und in dem gehärteten Blechformteil 3 verbleibt. Zwischen dem Blechformteil 3 und dem Formkörper 2 wird eine kraftschlüssige Verbindung ausgebildet. In diesem Fall kann der Neigungswinkel α auch den Wert Null annehmen, das heißt Blechformteil 3 und Formkörper 2 können zylinderförmig ausgebildet werden. Es kann vorgesehen sein, den Formkörper 2, der wegen seiner Dünnwandigkeit eine geringe Wärmekapazität aufweist, mit einem Kühlmittel zu durchströmen, das die von dem heißen Blechformteil 3 in den Formkörper 2 eingebrachte Wärme rasch ableitet, so dass das Blechformteil 3 zügig abgekühlt wird. Der Formkörper 2 kann als Kalibrierdorn vorgesehen sein. Es ist auf diese Weise auch möglich, ein Blechformteil aus einem Verbundwerkstoff herzustellen.
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Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Formkörper 2 aus einem Teilformkörper mit Innengewindeabschnitt 2m und einem Teilformkörper mit Außengewindeabschnitt 2s gebildet. Die beiden Teilformkörper verbleiben in dem Blechformteil 2.
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Die 9a und 9b zeigen den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Warmumformeinrichtung 6.
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Die Warmumformeinrichtung 6 weist eine schematisch dargestellte Aufnahmeeinrichtung für den aus Teilformkörpern 2a–2c gebildeten Formkörper 2 auf, wobei die Aufnahmeeinrichtung nicht dargestellte Einrichtungen zur Manipulation der Teilformkörper 2a–2c umfasst, um beispielsweise das gehärtete Blechformteil 3 zu entformen.
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Wie 9a zeigt, wird ein kragenförmiger umlaufender unterer Endabschnitt des erwärmten Blechhalbzeugs 1 von einem ringförmigen Niederhalter 6n übergriffen. Der Niederhalter 6n wird beim Schließen der Warmumformeinrichtung 6 in Richtung auf den Formkörper 2 abgesenkt und zieht dabei das Blechhalbzeug 1 über den Formkörper 2. Der Formkörper 2 ist in seinem unteren Abschnitt von einer ringförmigen Auflage 6a umgriffen, auf der die Stirnfläche des kragenförmigen Endabschnitts des nunmehr vollständig ausgeformten Blechformteils 3 zur Anlage kommt, wie in 9b dargestellt.
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Damit ist das Blechformteil 3 während des Härtens in dem zwischen dem Niederhalter 6n und der Auflage 6a ausgebildeten Ringspalt fixiert und liegt mit seiner Innenwand auf der Außenwand des Formkörpers 2 auf. Das Härten wird folglich als ein Formhärten durchgeführt, so dass kein Verzug des Blechformteils 3 eintritt. Diese Art des Formhärtens kann auch als Schrumpfhärten bezeichnet werden, da die Formkraft durch das bei der Härtung des Blechformteils 3 eintretende Schrumpfen des Blechformteils 3 infolge der Abkühlung erzeugt wird. Das Blechformteil 3 ist so nicht zwischen zwei einander gegenüberstehenden Formhälften eingespannt.
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Die in 10a–10d dargestellte Warmumformeinrichtung 6 ist wie die vorstehend beschriebene Warmumformeinrichtung ausgebildet mit den Unterschieden, dass das erwärmte Blechhalbzeug 1 vor dem Absenken auf den Formkörper 2 bereits zwischen dem Niederhalter 6n und der Auflage 6a geklemmt ist, und dass zum Härten das auf dem Formkörper 2 angeordnete umgeformte Blechformteil 3 mitsamt dem Formkörper 2 in eine Kühlmittelwanne 7 abgesenkt wird, die mit einem Kühlmittel 7k, beispielsweise mit Wasser oder einem anderen Kühlmittel, zum Beispiel Stickstoff, gefüllt ist.
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Um partiell unterschiedliche Härten und/oder Festigkeiten am Blechformteil 3 auszubilden, kann vorgesehen sein, dass nur die zu härtenden Bereiche des Blechformteils 3 in die Kühlmittelwanne 7 abgesenkt werden und das Blechformteil 3 nach dem Härten sofort von dem Formkörper 2 getrennt wird, so dass die nicht zu härtenden Bereiche des Blechformteils 3 außerhalb der Kühlmittelwanne 7 langsam abkühlen und so duktil bleiben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blechhalbzeug
- 1b
- vorgeformtes Blechformteil
- 2
- Formkörper
- 2a–2c
- Teilformkörper
- 2k
- Kühlkanal
- 2m
- Teilformkörper mit Innengewindeabschnitt
- 2s
- Teilformkörper mit Außengewindeabschnitt
- 3
- Blechformteil
- 3d
- duktiler Bereich
- 4
- Trennschicht
- 5
- Kühlmittelstrom
- 6
- Warmumformeinrichtung
- 6a
- Auflage
- 6n
- Niederhalter
- 7
- Kühlmittelwanne
- 7k
- Kühlmittel
- α
- Neigungswinkel
- αM1 αM2
- Neigungswinkel einer Mantellinie
- αmin
- Mindestneigungswinkel
