DE102014108901B3 - Verfahren und Umformwerkzeug zum Warmumformen sowie entsprechendes Werkstück - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmumformen eines Werkstücks (1), insbesondere einer Platine, aus Stahlblech, bei welchem das Werkstück (1) vor dem Umformen erhitzt wird, bei welchem dann das erhitzte Werkstück (1) in einem Umformwerkzeug (2), das zwei Werkzeugkomponenten (3, 4) in Form einer Matrize (3) und eines Stempels (4) aufweist, durch Kontakt mit beiden Werkzeugkomponenten (3, 4) warm umgeformt wird, und bei welchem dann das umgeformte Werkstück (1) zumindest abschnittsweise einem das Umformwerkzeug (2) umgebenden Gas direkt ausgesetzt wird und dadurch abgekühlt wird. Zum Erreichen einer möglichst hohen Dauerfestigkeit bei geringem Gewicht sowie reduzierten Fertigungsaufwand schlägt die Erfindung vor, dass nach dem Umformen zumindest ein Werkzeugkomponententeil (4.1) der einen Werkzeugkomponente (4) von der dieser Werkzeugkomponente (4) zugewandten Seite (1a) des umgeformten Werkstücks (1) wegbewegt wird, während die von dieser Werkzeugkomponente (4) abgewandte Seite (1b) des umgeformten Werkstücks (1) weiterhin vollständig in Kontakt mit der jeweils anderen Werkzeugkomponente (3) bleibt. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Umformwerkzeug (2) und ein entsprechendes Werkstück (1).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmumformen und insbesondere partiellen Presshärten eines Werkstücks, insbesondere einer Platine, aus Stahlblech, bei welchem das Werkstück vor dem Umformen erhitzt wird, bei welchem dann das erhitzte Werkstück in einem Umformwerkzeug, das zwei Werkzeugkomponenten in Form einer Matrize und eines Stempels aufweist, durch Kontakt mit beiden Werkzeugkomponenten warm umgeformt wird, und bei welchem dann das umgeformte Werkstück zumindest abschnittsweise einem das Umformwerkzeug umgebenden Gas direkt ausgesetzt wird und dadurch abgekühlt wird. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise bekannt aus der DE 10 2011 053 118 B3 .
• Ferner betrifft die Erfindung ein Umformwerkzeug zum Warmumformen und insbesondere partiellen Presshärten eines Werkstücks, insbesondere einer Platine, aus Stahlblech, insbesondere zur Durchführung des zuvor definierten Verfahrens, mit zwei Werkzeugkomponenten in Form einer Matrize und eines Stempels, zwischen denen das Werkstück anordenbar ist und die relativ zueinander bewegbar sind, wobei die eine der Werkzeugkomponenten einen relativ zur übrigen Werkzeugkomponente beweglichen Werkzeugkomponententeil aufweist, der im zusammengedrückten Zustand der beiden Werkzeugkomponenten von der jeweils anderen der Werkzeugkomponenten wegbewegbar ist. Ein solches Umformwerkzeug ist ebenfalls aus der DE 10 2011 053 118 B3 bekannt.
• Schließlich betrifft die Erfindung ein Werkstück, insbesondere eine Radschüssel für eine Fahrzeugfelge, das/die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt ist.
• Ein Fahrzeugrad ist ein Sicherheitsbauteil und muss daher hohe mechanische Wechselbeanspruchungen im Betrieb dauerfest aufnehmen können. Konventionelle Stahlräder bestehen aus einer Radschüssel, die die Verbindung zur Radnabe sicherstellt, und einem Felgenband zur Reifenaufnahme, der innenseitig umlaufend mit der Radschüssel verbunden ist. Die Radschüsseln werden heutzutage auf Stufenpressen mit bis zu elf Stufen gefertigt. Dabei kommen fast ausschließlich mikrolegierte und Dualphasen-Stähle mit einer Festigkeit von 400 bis 600 MPa zum Einsatz. Neben der Dauerfestigkeit der Stahlräder spielt das Gewicht eine wesentliche Rolle, welches sich auf die Materialkosten, ungefederte Massen, rotatorisch bewegte Massen und den Kraftstoffverbrauch auswirkt.
• Das zuvor gesagte trifft selbstverständlich auch auf eine Vielzahl weiterer Bauteile zu, insbesondere zyklisch beanspruchter Bauteile, vorzugsweise im Chassis-Bereich. Die vorliegende Erfindung betrifft daher die Herstellung jeglicher Bauteile. Die Herstellung einer Radschüssel wird im Folgenden daher nur beispielhaft genannt.
• Um heutzutage weitere Gewichtsvorteile bei der Radschüssel zu erreichen, muss Material mit höherer Streckgrenze und Schwingfestigkeit zur Sicherstellung einer ausreichenden Dauerfestigkeit der Räder eingesetzt werden und zum anderen durch Geometrieanpassungen, zum Beispiel stärkere Verprägungen, der Steifigkeitsverlust bei geringerer Blechdicke kompensiert werden. Mit ansteigender Festigkeit der Stahlwerkstoffe (Kohlenstoffstahl) nimmt aber in der Regel die Umformbarkeit ab, welche schon bei heutigen Radschüsseln annähernd ausgereizt ist. Daher scheint das weitere Leichtbaupotential kaltgeformter Lösungen begrenzt zu sein.
• Neben dem sogenannten Kaltumformen wird unter anderem auch das sogenannte Warmumformen im Fahrzeug-/Karosseriebau angewandt. Durch den Einsatz der Warmumformung kann die Anforderung nach einer hohen Umformbarkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit der resultierenden Bauteile erfüllt werden. Umformverfahren, die unter Einbeziehung einer vorangehenden Wärmebehandlung des Werkstücks, beispielsweise in einem separaten Ofen, vonstatten gehen, sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Insbesondere ist hier das Warmumformen und Presshärten bekannt.
• Bei dem eingangs erwähnten Beispiel der Herstellung einer Radschüssel, aber wie gesagt auch bei vielen anderen, insbesondere zyklisch beanspruchten Bauteilen, ist eine vollständige Presshärtung nicht zielführend, da in einigen Bereichen des Werkstücks zusätzlich zur hohen Festigkeit auch eine ausreichende Zähigkeit im Material notwendig ist, also die Eigenschaft eines Werkstoffs, sich unter Belastung plastisch zu verformen, bevor er versagt, um die örtlich hohen Spannungen zum Beispiel durch Vorspannung der Radbolzen oder Anlage an der Radnabe betriebsfest übertragen zu können. Es ist daher wünschenswert, wenn die Radschüssel belastungsgerecht ausgelegt ist und daher in den betreffenden Bereichen (Zonen) spezifische Eigenschaften bzw. im Bauteil ein unterschiedliches Gefüge besitzt. Um dies zu erreichen, gibt es im Stand der Technik Verfahren zum sogenannten partiellen Presshärten, bei dem beim Härten nicht das gesamte Gefüge in Martensit umgewandelt wird. Bekannte Verfahren werden im Folgenden kurz beschrieben.
• Das Warmumformen von Platinen (plattenförmigen Werkstücken) aus höher- und höchstfesten Stählen zur Herstellung pressgehärteter Bauteile erfolgt beispielsweise dadurch, dass das Werkstück auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur gebracht wird und das unmittelbar anschließende Umformen in einem Umformwerkzeug durchgeführt wird, das in mindestens einem Bereich mit einer Heizeinrichtung zur lokalen Einstellung eines weicheren Gefüges ausgestattet ist.
• Das lokale Einstellen eines weicheren Gefüges wird partielles Presshärten genannt. Dem partiellen Presshärten liegt das Prinzip zugrunde, dass das zuvor auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzte Werkstück im Umformwerkzeug mit Ausnahme eines oder mehrerer einzelner Bereiche stark abgekühlt wird, insbesondere unter Verwendung einer Kühleinrichtung in Form von Kühlkanälen in der Matrize und dem Stempel des Umformwerkzeugs. Durch das schnelle Abkühlen wird das Gefüge an diesen Stellen vollständig in Martensit umgewandelt und dadurch vollständig pressgehärtet. In den übrigen Bereichen des Werkstücks wird durch die Heizeinrichtung ein deutlich langsameres Abkühlen des Gefüges ermöglicht, wodurch das Gefüge in diesen Bereichen nicht vollständig in Martensit umgewandelt wird, also nicht vollständig pressgehärtet wird. Ein entsprechendes Verfahren zum Warmumformen und ein entsprechendes Umformwerkzeug ist beispielsweise aus der DE 10 2006 019 395 A1 bekannt.
• Nachteilig ist allerdings bei dem vorangehend beschriebenen Stand der Technik, dass mindestens eine Heizeinrichtung vorgesehen werden muss, welche Betriebskosten verursacht und durch die permanente Wärmebeaufschlagung die Standzeit der Werkzeugkomponenten (Stempel und Matrize) negativ beeinflussen kann.
• Eine Kühleinrichtung in Form von Kühlkanälen in der Matrize und dem Stempel eines Umformwerkzeugs ist beispielsweise bekannt aus der DE 10 2011 108 912 A1 .
• Aus der DE 10 2010 027 554 A1 ist ferner ein Verfahren und ein entsprechendes Umformwerkzeug zum partiellen Presshärten eines Werkstücks bekannt, dem das Prinzip zugrunde liegt, nach dem Zusammendrücken von Stempel und Matrize unmittelbar einen beweglichen Stempelteil und einen gegenüberliegenden Matrizenteil wieder auseinander zu bewegen, damit für den Abkühlvorgang ein entsprechender Bereich des umgeformten Werkstücks nicht mit den Werkzeugkomponenten (Matrize, Stempel) in Kontakt ist, sondern der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Auf diese Weise wird an dieser Stelle das umgeformte Werkstück beidseitig langsam über die Luft abgekühlt, wohingegen die benachbarten Abschnitte, die weiterhin mit den sich im zusammengedrückten Zustand befindenden Werkzeugkomponenten in Kontakt sind, über eine Kühleinrichtung in Form von Kühlkanälen in Matrize und Stempel schnell abgekühlt werden. Die schnelle Abkühlung führt auch hier zu einer vollständigen Umwandlung des Gefüges in Martensit. Die langsam abgekühlten Bereiche des Werkstücks werden auch hier nicht vollständig in Martensit umgewandelt.
• Ein Nachteil dieses Standes der Technik ist allerdings, dass das Umformwerkzeug relativ komplex aufgebaut ist, da dieses aus vielen beweglichen Teilen besteht, die zusätzlich auch Kühlkanäle aufweisen.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein Umformwerkzeug zum Warmumformen eines Werkstücks anzugeben, mit welchem eine hohe Dauerfestigkeit bei geringem Gewicht sowie ein reduzierter Fertigungsaufwand erreicht wird.
• Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Warmumformen und partiellen Presshärten eines Werkstücks, insbesondere einer Platine, aus Stahlblech, bei welchem das Werkstück vor dem Umformen erhitzt wird (bis der autenitische Zustand erreicht wird), bei welchem dann das erhitzte Werkstück in einem Umformwerkzeug, das zwei Werkzeugkomponenten in Form einer Matrize und eines Stempels aufweist, durch Kontakt mit beiden Werkzeugkomponenten warm umgeformt wird, und bei welchem dann das umgeformte Werkstück zumindest abschnittsweise einem das Umformwerkzeug umgebenden Gas, insbesondere Luft, vorzugsweise Umgebungsluft, direkt ausgesetzt wird und dadurch abgekühlt wird, dadurch gelöst, dass nach dem Umformen zumindest ein Werkzeugkomponententeil der einen Werkzeugkomponente, welcher ringförmig um eine Mittelachse ausgebildet ist, die parallel zur Bewegungsrichtung der Werkzeugkomponente mit dem beweglichen Werkzeugkomponententeil verläuft, von der dieser Werkzeugkomponente zugewandten Seite des umgeformten Werkstücks wegbewegt wird, während die von dieser Werkzeugkomponente abgewandte Seite des umgeformten Werkstücks weiterhin vollständig in Kontakt mit der jeweils anderen Werkzeugkomponente bleibt.
• „Zumindest ein Werkzeugkomponententeil” bedeutet, dass zum einen ein oder mehrere Werkzeugkomponententeile der einen Werkzeugkomponente, beispielsweise des Stempels, von dem umgeformten Werkstück wegbewegt wird/werden, während der oder die übrigen Teile (Werkzeugkomponententeile) dieser Werkzeugkomponente nicht wegbewegt werden, also in Kontakt mit dem umgeformten Werkstück bleiben. Zum anderen ist aber auch der Fall umfasst, dass die gesamte Werkzeugkomponente, beispielsweise der gesamte Stempel, von dem umgeformten Werkstück wegbewegt wird. In beiden Fällen bleibt aber die jeweils andere Werkzeugkomponente, beispielsweise die Matrize, in Kontakt mit dem umgeformten Werkstück, und zwar in vollständigem Kontakt, das heißt das gesamte Werkstück ist zum Abkühlen auf einer Seite vollständig mit der jeweils anderen Werkzeugkomponente, beispielsweise der Matrize, in Kontakt.
• Auf die erfindungsgemäße Weise kann mit einem reduzierten Fertigungsaufwand ein Warmumformen und teilweises (aber nicht vollständiges) Presshärten erfolgen, wodurch bei dem Werkstück zonenspezifische Gefüge-Eigenschaften geschaffen werden, welche eine hohe Dauerfestigkeit bei geringem Gewicht bewirken. Erfindungsgemäß erfolgt bei dem gesamten Werkstück zumindest eine einseitige Werkzeugabkühlung, wobei in Abschnitten auch eine beidseitige Werkzeugabkühlung denkbar ist. Bei einer ausschließlich einseitigen Werkzeugabkühlung erfolgt global, das heißt über das gesamte Werkstück, keine vollständige Presshärtung bzw. vollständige Martensit-Bildung. Bei einer nur abschnittsweise einseitigen Werkzeugabkühlung erfolgt lokal in diesem Abschnitt bzw. in diesem Bereich keine vollständige Presshärtung bzw. vollständige Martensit-Bildung.
• Um mit einfachen Mitteln ein abschnittsweises (partielles) Presshärten des Werkstücks zu ermöglichen, schlägt die Erfindung in einer Ausgestaltung vor, dass das Umformwerkzeug eine Kühleinrichtung aufweist und beim Abkühlen des umgeformten Werkstücks mindestens ein erster Abschnitt des umgeformten Werkstücks in Kontakt mit beiden Werkzeugkomponenten verbleibt und mittels der Kühleinrichtung abgekühlt wird und gleichzeitig mindestens ein zweiter Abschnitt des umgeformten Werkstücks dem das Umformwerkzeug umgebenden Gas direkt ausgesetzt wird und dadurch langsamer als der mindestens eine erste Abschnitt abgekühlt wird. Langsamer bedeutet, dass der Wärmeübergang zwischen dem umgeformten Werkstück und dem umgebenden Gas, beispielsweise der Umgebungsluft, geringer als der Wärmeübergang bei Kontakt mit der oder den gekühlten Werkzeugkomponenten ist. Insbesondere ist für die abschnittsweise unterschiedliche Abkühlung vorgesehen, dass der bewegliche Werkzeugkomponententeil der einen Werkzeugkomponente von der dieser Werkzeugkomponente zugewandten Seite des mindestens einen zweiten Abschnitts des umgeformten Werkstücks wegbewegt wird, während die von dieser Werkzeugkomponente abgewandte Seite des mindestens einen zweiten Abschnitts des umgeformten Werkstücks weiterhin in Kontakt mit der jeweils anderen Werkzeugkomponente bleibt.
• Vorzugsweise handelt es sich bei der Werkzeugkomponente mit dem beweglichen Werkzeugkomponententeil, also mit dem gegenüber der übrigen Werkzeugkomponente verlagerbaren Werkzeugkomponententeil, um den Stempel. Die als jeweils andere Werkzeugkomponente definierte Werkzeugkomponente ist in diesem Fall die Matrize. Es ist aber auch grundsätzlich der umgekehrte Fall denkbar, nämlich dass die Matrize mehrteilig ausgebildet ist und einen beweglichen Werkzeugkomponententeil aufweist, wohingegen dann der Stempel nach dem Umformen zum Abkühlen an der entsprechenden Seite mit dem Werkstück in Kontakt bleibt. Ebenfalls ist auch in dem Fall, dass die Werkzeugkomponenten beide nicht mehrteilig ausgebildet sind, das heißt keine wie zuvor definierten beweglichen Werkzeugkomponenten aufweisen, insbesondere denkbar, dass die Werkzeugkomponente, die vollständig von der dieser Werkzeugkomponente zugewandten Seite des umgeformten Werkstücks wegbewegt wird, der Stempel ist und die andere Werkzeugkomponente die Matrize ist. Selbstverständlich ist auch hier der umgekehrte Fall denkbar, dass nämlich die Matrize der Werkzeugkomponententeil ist, der nach dem Umformen vom Werkstück wegbewegt wird, während der Stempel der Werkzeugkomponententeil ist, der am Werkstück verbleibt.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das umgeformte Werkstück oder der mindestens eine zweite Abschnitt auf der Seite, die von der Werkzeugkomponente mit dem beweglichen Werkzeugkomponententeil abgewandt ist, also mit der jeweils anderen Werkzeugkomponente weiter in Kontakt ist, nicht mittels der Kühleinrichtung abgekühlt wird. In dem Fall, dass mindestens ein zweiter Abschnitt auf einer Seite nach dem Umformen durch das umgebende Gas abgekühlt wird, ist es grundsätzlich auch denkbar, die andere Seite des zweiten Abschnitts, die nicht dem umgebenden Gas ausgesetzt ist, da sie mit dem entsprechenden Werkzeugkomponententeil, beispielsweise der Matrize, weiterhin in Kontakt ist, gleichwohl mittels der Kühleinrichtung (Werkzeugabkühlung) zu kühlen.
• Gemäß noch einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der mindestens eine erste Abschnitt beidseitig mittels der Kühleinrichtung abgekühlt wird, das heißt sowohl auf der Seite, die der Werkzeugkomponente mit dem beweglichen Werkzeugkomponententeil zugewandt ist, als auch auf der Seite, die von dieser Werkzeugkomponente abgewandt ist.
• Gemäß noch einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zum Abkühlen des mindestens einen ersten Abschnitts ein flüssiges Kühlmittel (zum Beispiel Öl, Wasser, Eiswasser, Salzlösung) durch Kühlkanäle in der Matrize und/oder dem Stempel geleitet wird, die die Kühleinrichtung bilden. Entsprechendes gilt optional auch für den Fall, dass die Werkzeugkomponente, die nach dem Umformen mit dem mindestens einen zweiten Abschnitt des Werkstücks in Kontakt bleibt, eine Kühlfunktion auch in dem zu dem zweiten Abschnitt benachbarten Werkzeugkomponentenabschnitt haben soll. Vorzugsweise ist dieser Werkzeugkomponentenabschnitt, der benachbart zum zweiten Abschnitt des Werkstücks ist, aber frei von Kühlkanälen.
• Gemäß wieder einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Werkstück vor dem Umformen ein Stahlblech einer Stärke von mindestens 1,5 mm, insbesondere von mindestens 2,0 mm und bevorzugt von mindestens 2,5 mm, ist. Diese Blechstärken werden im Chassis-Bereich wie beispielsweise bei der Fertigung einer Radschüssel für eine Fahrzeugfelge verwendet. Die relativ großen Stärken sind insbesondere deshalb von Vorteil, da die eingebrachte Wärme, beispielsweise die in einem dem Umformwerkzeug vorgeschalteten Ofen eingebrachte Wärme, bei dicken Blechen besonders lange gespeichert werden kann, so dass ein einseitiger Werkzeugkontakt für die Wärmeabfuhr und das Tempering (Härten) eingesetzt werden kann. Das Werkstück aus Stahlblech kann eine einheitliche Dicke aufweisen und monolithisch ausgebildet sein. Denkbar sind auch Werkstücke aus Tailored-Products (maßgeschneiderten Stahlblech-Halbzeugen), wie Tailored Blanks, Tailored Strips, Tailored Rolled Blanks, aus Stahl-Sandwichwerkstoffen oder deren Kombinationen.
• Gemäß noch einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Werkstück zu einer Radschüssel für eine Fahrzeugfelge umgeformt wird, wobei der Radflansch der Radschüssel durch den direkten Kontakt mit dem das Umformwerkzeug umgebenden Gas (relativ langsam) abgekühlt wird, während der gesamte übrige Teil der Radschüssel mittels der Kühleinrichtung (relativ schnell) abgekühlt wird. Mit dem Radflansch ist der Bereich der Radschüssel gemeint, welcher umlaufend mit den Bohrlöchern für die Radbolzen versehen ist. Wie bereits zuvor erwähnt, wird die Herstellung der Radschüssel hier nur beispielhaft erwähnt. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren aber auch auf die Herstellung anderer Bauteile anwendbar.
• Gemäß noch einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das das Umformwerkzeug umgebende Gas eine Temperatur in einem Bereich von 20 bis 30°C, insbesondere eine Temperatur in einem Bereich von 22 bis 26°C, hat und insbesondere Luft ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das umgeformte Werkstück einem Gas mit einer höheren Temperatur auszusetzen, solange garantiert ist, dass die Abschnitte (Zonen) des Werkstücks, die mit dem Gas in Kontakt kommen, so langsam abkühlen, dass das Gefüge nicht vollständig in Martensit umgewandelt wird. Auch niedrigere Temperaturen des Gases sind denkbar. Des Weiteren kann auch vorgesehen sein, dass das Werkstück vor dem Umformen auf eine Temperatur in einem Bereich von 750°C bis 1000°C erhitzt wird und/oder nach dem Umformen im ersten Abschnitt mit einer Kühlrate in einem Bereich von 25 bis 35 K/s abgekühlt wird.
• Die Aufgabe wird ferner gemäß einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung bei einem Umformwerkzeug zum Warmumformen eines Werkstücks, insbesondere einer Platine, aus Stahlblech, insbesondere zur Durchführung des zuvor definierten Verfahrens, mit zwei Werkzeugkomponenten in Form einer Matrize und eines Stempels, zwischen denen das Werkstück anordenbar ist und die relativ zueinander bewegbar sind, wobei die eine der Werkzeugkomponenten einen relativ zur übrigen Werkzeugkomponente beweglichen Werkzeugkomponententeil aufweist, der im zusammengedrückten Zustand der beiden Werkzeugkomponenten von der jeweils anderen der Werkzeugkomponenten wegbewegbar ist, dadurch gelöst, dass der Werkzeugkomponententeil ringförmig um eine Mittelachse ausgebildet ist, die parallel zur Bewegungsrichtung der Werkzeugkomponente mit dem beweglichen Werkzeugkomponententeil verläuft.
• Auch hier handelt es sich bei der Werkzeugkomponente, die einen relativ zur übrigen Werkzeugkomponente beweglichen Werkzeugkomponententeil aufweist, insbesondere um den Stempel, wobei die jeweils andere Werkzeugkomponente dann die Matrize ist. Wie gesagt ist grundsätzlich aber auch der umgekehrte Fall denkbar, das heißt, die Matrize weist einen relativ zur übrigen Matrize beweglichen Teil auf.
• Wenn von einem beweglichen Werkzeugkomponententeil die Rede ist, ist nicht ausgeschlossen, dass es auch mehrere solche beweglichen Werkzeugkomponententeile gibt, die unabhängig voneinander oder gemeinsam in der zuvor definierten Weise bewegt werden können. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Werkzeugkomponententeil ringförmig um eine Mittelachse ausgebildet ist, die parallel zur Bewegungsrichtung der Werkzeugkomponente mit dem beweglichen Werkzeugkomponententeil verläuft. Die Bewegungsrichtung ist insbesondere die Richtung, in der der Stempel auf die Matrize zubewegt wird (Pressrichtung). Die Mittelachse des beweglichen Werkzeugkomponententeils erstreckt sich in dieser Richtung. Der ringförmig ausgebildete bewegliche Werkzeugkomponententeil ist insbesondere geeignet, bei der Herstellung der bereits erwähnten Radschüssel durch das Abkühlen zonenspezifische Gefüge-Eigenschaften hervorzurufen, nämlich eine nicht vollständige Umwandlung in Martensit, insbesondere im Bereich des Radflansches (der Bohrungen für die Radbolzen).
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Umformwerkzeugs ist vorgesehen, dass das Umformwerkzeug ferner eine Kühleinrichtung aufweist, insbesondere eine von Kühlkanälen in der Matrize und/oder im Stempel gebildete Kühleinrichtung, wobei der bewegliche Werkzeugkomponententeil nicht mit der Kühleinrichtung verbunden und insbesondere frei von Kühlkanälen ist.
• Schließlich wird die Aufgabe auch gelöst durch ein Werkstück, beispielsweise eine Radschüssel für eine Fahrzeugfelge, hergestellt durch das zuvor definierte Verfahren.
• Stahlwerkstoffe mit hoher Werkstofffestigkeit mit einer Zugfestigkeit von beispielsweise mehr als 800 MPa bzw. hohem Matensit-Anteil können gerade unter zyklischer Belastung bei hohen Spannungsüberhöhungen, die zum Beispiel an Löchern, Kerben oder bearbeiteten Kanten auftreten, frühzeitig versagen, so dass die hohe Werkstofffestigkeit nicht auf das Bauteil übertragen werden kann. Aus diesem Grund ist das durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellte Werkstück bzw. die erfindungsgemäße Radschüssel in den hoch belasteten Bereichen wie zum Beispiel dem Radflansch, der an der Radnabe fahrzeugseitig aufliegt, nicht vollständig pressgehärtet. Dabei kann entweder die komplette Radschüssel nicht vollständig pressgehärtet sein und damit das Gefüge des gesamten Bauteils homogen nicht vollständig in Martensit umgewandelt sein oder nur bereichsweise nicht pressgehärtet sein, wie zum Beispiel im Radflansch. Dadurch wir die Dauerfestigkeit der Gesamtkonstruktion deutlich verbessert.
• Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren, das erfindungsgemäße Umformwerkzeug und das erfindungsgemäße Werkstück auszugestalten und weiterzubilden. Diesbezüglich sei zum einen verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, zum anderen auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
• 1a) ein Umformwerkzeug mit einem zwischen Stempel und Matrize eingesetzten plattenförmigen Werkstück vor dem Umformvorgang,
• 1b) das Umformwerkzeug aus 1a) nach dem Umformen,
• 1c) das Umformwerkzeug aus 1a) beim Abkühlen und
• 1d) das Umformwerkzeug aus 1a) bei der Entnahme des fertig umgeformten Werkstücks.
• Im Folgenden wird kurz anhand der 1a) bis d) ein Verfahren zum Warmumformen und partiellem Presshärten eines Werkstücks 1 aus Stahlblech anhand des Beispiels einer herzustellenden Radschüssel für eine Fahrzeugfelge beschrieben.
• 1a) zeigt im geöffneten Zustand ein Umformwerkzeug 2 mit einer ersten Werkzeugkomponente 3 in Form einer Matrize 3 und einer zweiten Werkzeugkomponente 4 in Form eines Stempels 4. Die Matrize 3 ist hier ortsfest und der Stempel 4 kann zum Zwecke des Umformens des Werkstücks 1 in seiner Gesamtheit auf die Matrize 3 zubewegt werden, bis der Stempel 4 die korrespondierende Form bzw. Vertiefung in der Matrize 3 ausfüllt. Letzterer Zustand ist in 1b) dargestellt, wodurch das bis zu einem austenitischen Zustand erhitzte Werkstück 1 die Form der Radschüssel erhält. Dieser Zustand wird auch als zusammengedrückter Zustand der Werkzeugkomponenten 3 und 4 bezeichnet.
• Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stempel 4 im Wesentlichen dreiteilig ausgebildet, nämlich mit einem äußeren, umlaufenden Werkzeugkomponententeil 4.2, einem darin angeordneten, ebenfalls umlaufenden Werkzeugkomponententeil 4.1, der ringförmig ausgebildet ist, und einem wiederum darin angeordneten weiteren Werkzeugkomponententeil 4.3. Der ringförmige Werkzeugkomponententeil 4.1, auch als Stempelteil bezeichnet, ist gegenüber den übrigen Werkzeugkomponententeilen 4.2 und 4.3, also gegenüber dem übrigen Stempel, beweglich gelagert und läßt sich unabhängig vom übrigen Stempel entgegen der Bewegungsrichtung bzw. Pressrichtung X bewegen, wie in 1c) dargestellt ist.
• Indem in dem Verfahrensschritt in 1c) nach dem Umformen des Werkstücks 1 das ringförmige Werkzeugkomponententeil 4.1 von der dem Stempel 4 zugewandten Oberfläche 1a des Werkstücks 1 wegbewegt wird, dringt hier Umgebungsluft an die Oberfläche 1a des Werkstücks 1, jedoch nur in dem ringförmigen Abschnitt 1.3, der den späteren Radflansch bzw. Bereich mit den Löchern für die Radbolzen bildet. Die Stempelteile 4.2 und 4.3 werden dagegen aus dem zusammengedrückten Zustand zunächst nicht wegbewegt, sondern diese Werkzeugkomponententeile bleiben mit der Oberseite 1a des Werkstücks 1 in Kontakt. Auch die gesamte Matrize 3 bleibt zu diesem Zeitpunkt mit dem vollständigen Werkstück 1, nämlich mit dessen Unterseite 1b, in Kontakt.
• Das zuvor im erhitzten Zustand gemäß der 1a) und 1b) umgeformte Werkstück wird gemäß 1c) nun wie folgt abgekühlt. Der Abschnitt 1.3 des Werkstücks 1 ist oberseitig nicht mehr mit dem Stempel 4 in Kontakt, da die Stempelteile 4.1 unmittelbar nach dem Umformen zurückgefahren worden sind. In diesem Abschnitt 1.3 erfolgt eine relativ langsame Abkühlung des Werkstücks 1 durch eine Wärmeübertragung an die Umgebungsluft zur Oberseite 1a hin. Zur Unterseite 1b hin ist das Werkstück 1 noch mit der Matrize 3 in Kontakt und gibt hier langsam Wärme an die hier nicht zusätzlich gekühlte Matrize 3 ab.
• Die übrigen Bereiche 1.1 und 1.2 des umgeformten Werkstücks 1 sind sowohl zur Oberseite 1a als auch zur Unterseite 1b hin mit der Matrize 3 und dem Stempel 4 in Kontakt, so dass keine Umgebungsluft, zumindest nicht in nennenswertem Maße, an die Abschnitte 1.1 und 1.2 gelangt. Hier erfolgt die Abkühlung über eine Wärmeübertragung an die Matrize 3 und die entsprechenden Stempelteile 4.2 und 4.3, die für einen erhöhten Wärmeübergang noch zusätzlich von Kühlkanälen 5, die eine Kühleinrichtung 5 bilden, durchsetzt sind. Die Kühlkanäle 5 werden beispielsweise mit Öl oder Eiswasser durchspült, wodurch die Abschnitte 1.1 und 1.2 des Werkstücks 1 relativ schnell abkühlen.
• Die schnelle Abkühlung der Abschnitte 1.1 und 1.2 des Werkstücks 1 führt zu einer vollständigen Umwandlung des Gefüges in Martensit. Die Abkühlung des ringförmigen Bereichs 1.3 des Werkstücks 1 über die Umgebungsluft ist dagegen so langsam, dass hier keine vollständige Umwandlung des Gefüges in Martensit erfolgen kann. Dieser Bereich ist somit nicht vollständig pressgehärtet.
• Die Werkzeugkomponente 4.1 ist hier beispielhaft als Teil des Stempels 4 dargestellt. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, alternativ die Matrize 3 mit einem beweglichen Teil auszubilden, wobei in diesem Fall dann aber der Stempel 4 während des Abkühlens über die gesamte Oberfläche 1a des Werkstücks 1 an diesem anliegen würde. Das Werkstück 1 wird also beim Abkühlen immer nur ausschließlich von einer Seite der Umgebungsluft oder einem anderen wärmeabführenden Gas ausgesetzt.
• Der bewegliche Werkzeugkomponententeil 4.1 ist hier nur beispielhaft um die Mittelachse M ringförmig ausgebildet. Für andere Anwendungsfälle können auch andere Formen von beweglichen Werkzeugkomponentenabschnitten 4.1 denkbar sein. Auch ist hier beispielhaft nur ein einziger beweglicher Werkzeugkomponentenabschnitt dargestellt. Grundsätzlich können aber auch mehrere solcher Werkzeugkomponentenabschnitte vorgesehen sein, die zum Abkühlen gegenüber der übrigen Werkzeugkomponente 4 von dem Werkstück 1 wegbewegt werden können. Auch sind hier beispielhaft zwei Stempelteile 4.2 und 4.3 dargestellt, welche zum Zwecke des Abkühlens mit dem Werkstück 1 in Kontakt bleiben. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass hier überhaupt kein Teil des Stempels 4 (oder genau ein Werkzeugkomponententeil oder mehr als zwei Werkzeugkomponententeile) zum Abkühlen mit dem umgeformten Werkstück 1 in Kontakt bleibt/bleiben.

Claims (14)

1. Verfahren zum Warmumformen eines Werkstücks (1) aus Stahlblech, – bei welchem das Werkstück (1) vor dem Umformen erhitzt wird, – bei welchem dann das erhitzte Werkstück (1) in einem Umformwerkzeug (2), das zwei Werkzeugkomponenten (3, 4) in Form einer Matrize (3) und eines Stempels (4) aufweist, durch Kontakt mit beiden Werkzeugkomponenten (3, 4) warm umgeformt wird, und – bei welchem dann das umgeformte Werkstück (1) zumindest abschnittsweise einem das Umformwerkzeug (2) umgebenden Gas direkt ausgesetzt wird und dadurch abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Umformen zumindest ein Werkzeugkomponententeil (4.1) der einen Werkzeugkomponente (4), welcher ringförmig um eine Mittelachse (M) ausgebildet ist, die parallel zur Bewegungsrichtung (X) der Werkzeugkomponente (4) mit dem beweglichen Werkzeugkomponententeil (4.1) verläuft, von der dieser Werkzeugkomponente (4) zugewandten Seite (1a) des umgeformten Werkstücks (1) wegbewegt wird, während die von dieser Werkzeugkomponente (4) abgewandte Seite (1b) des umgeformten Werkstücks (1) weiterhin vollständig in Kontakt mit der jeweils anderen Werkzeugkomponente (3) bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (2) eine Kühleinrichtung (5) aufweist und beim Abkühlen des umgeformten Werkstücks (1) mindestens ein erster Abschnitt (1.1, 1.2) des umgeformten Werkstücks (1) in Kontakt mit beiden Werkzeugkomponenten (3, 4) verbleibt und mittels der Kühleinrichtung (5) abgekühlt wird und gleichzeitig mindestens ein zweiter Abschnitt (1.3) des umgeformten Werkstücks (1) dem das Umformwerkzeug (2) umgebenden Gas direkt ausgesetzt wird und dadurch langsamer als der mindestens eine erste Abschnitt (1.1, 1.2) abgekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Werkzeugkomponententeil (4.1) der einen Werkzeugkomponente (4) von der dieser Werkzeugkomponente (4) zugewandten Seite (1a) des mindestens einen zweiten Abschnitts (1.3) des umgeformten Werkstücks (1) wegbewegt wird, während die von dieser Werkzeugkomponente (4) abgewandte Seite (1b) des mindestens einen zweiten Abschnitts (1.3) des umgeformten Werkstücks (1) weiterhin in Kontakt mit der jeweils anderen Werkzeugkomponente (3) bleibt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkomponente (4), von der zumindest der Werkzeugkomponententeil (4.1) oder die vollständig von der dieser Werkzeugkomponente (4) zugewandten Seite (1a) des umgeformten Werkstücks (1) wegbewegt wird, der Stempel (4) ist und die andere Werkzeugkomponente (3) die Matrize (3) ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das umgeformte Werkstück (1) oder der mindestens eine zweite Abschnitt (1.3) auf der Seite (1b), die von der Werkzeugkomponente (4) mit dem beweglichen Werkzeugkomponententeil (4.1) abgewandt ist, nicht mittels der Kühleinrichtung (5) abgekühlt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Abschnitt (1.1, 1.2) beidseitig mittels der Kühleinrichtung (5) abgekühlt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abkühlen des mindestens einen ersten Abschnitts (1.1, 1.2) ein flüssiges Kühlmittel durch Kühlkanäle (5) in der Matrize (3) und/oder dem Stempel (4) geleitet wird, die die Kühleinrichtung (5) bilden.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) vor dem Umformen ein Stahlblech (1) einer Stärke von mindestens 1,5 mm, insbesondere von mindestens 2,0 mm, vorzugsweise von mindestens 2,5 mm ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) zu einer Radschüssel (1) für eine Fahrzeugfelge umgeformt wird, wobei der Radflansch (1.3) der Radschüssel (1) durch den direkten Kontakt mit dem das Umformwerkzeug (2) umgebenden Gas abgekühlt wird, während der gesamte übrige Teil (1.1, 1.2) der Radschüssel (1) mittels der Kühleinrichtung (5) abgekühlt wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Umformwerkzeug (2) umgebende Gas eine Temperatur in einem Bereich von 20 bis 30°C, insbesondere eine Temperatur in einem Bereich von 22 bis 26°C, hat und insbesondere Luft ist.
11. Umformwerkzeug (2) zum Warmumformen eines Werkstücks (1), insbesondere einer Platine (1), aus Stahlblech, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit zwei Werkzeugkomponenten (3, 4) in Form einer Matrize (3) und eines Stempels (4), zwischen denen das Werkstück (1) anordenbar ist und die relativ zueinander bewegbar sind, wobei die eine der Werkzeugkomponenten (3, 4) einen relativ zur übrigen Werkzeugkomponente (4.2, 4.3) beweglichen Werkzeugkomponententeil (4.1) aufweist, der im zusammengedrückten Zustand der beiden Werkzeugkomponenten (3, 4) von der jeweils anderen der Werkzeugkomponenten (3, 4) wegbewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkomponententeil (4.1) ringförmig um eine Mittelachse (M) ausgebildet ist, die parallel zur Bewegungsrichtung (X) der Werkzeugkomponente (4) mit dem beweglichen Werkzeugkomponententeil (4.1) verläuft.
12. Umformwerkzeug (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkomponente (4) mit dem beweglichen Werkzeugkomponententeil (4.1) der Stempel (4) ist und die jeweils andere Werkzeugkomponente (3) die Matrize (3) ist.
13. Umformwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (2) ferner eine Kühleinrichtung (5) aufweist, insbesondere eine von Kühlkanälen (5) in der Matrize (3) und/oder im Stempel (4) gebildete Kühleinrichtung (5), wobei der bewegliche Werkzeugkomponententeil (4.1) nicht mit der Kühleinrichtung (5) verbunden und insbesondere frei von Kühlkanälen (5) ist.
14. Werkstück (1), insbesondere Radschüssel (1) für eine Fahrzeugfelge, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

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