-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von warmumgeformten Bauteilen.
-
Im heutigen Automobilbau erhöht sich der Komfort für die Fahrzeuginsassen zunehmend, durch den Einsatz von Sonderausstattungen. Diese umfassen viele elektromechanische Bauteile wie Sensoren, Motoren, Aktuatoren, und dienen dazu dem Fahrer die Fahraufgabe zu erleichtern. Gleichzeitig mit dem Komfortzuwachs erhöht sich jedoch auch das Fahrzeuggewicht. Um dem entgegen zu wirken, wird im Stand der Technik versucht, die Strukturbauteile der Karosserie gewichtsreduziert auszugestalten.
-
Die Strukturbauteile der Karosserie sind nicht nur maßgeblich an der Stabilität des Fahrzeugs beteiligt, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Sicherheit im Crash-Fall. Um diesen Zielkonflikt zwischen Reduktion des Bauteilgewichts von Strukturbauteilen bei gleichzeitiger Beibehaltung bzw. Realisierung hoher mechanischer Kennwerte aufzulösen, hat es sich in der Vergangenheit bewährt, Strukturbauteile mittels Warmumformung herzustellen. Warmumformprozesse sind in der Literatur auch als Formhärten oder Presshärten beschrieben.
-
Zur Herstellung formgehärteter Bauteile, insbesondere zur Herstellung von Karosseriebauteilen sind zwei prinzipiell unterschiedliche Verfahren bekannt. Bei dem direkten Warmumformverfahren wird zunächst eine Platine in einem Ofen auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls erwärmt und anschließend in einem Werkzeug zeitgleich umgeformt und abgekühlt d. h. formgehärtet. In dem indirekten Warmumformverfahren wird aus einer Platine zuerst durch Kaltumformen ein fertig geformtes und beschnittenes Bauteil aus Stahl erzeugt. Dieses wird dann in einer Erwärmungsanlage auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls erwärmt und in einem Werkzeug anschließend durch rasches Abkühlen formgehärtet. In beiden Warmumformverfahren, wird die Platine oder ein bereits fertig geformtes und beschnittenes Bauteil aus Stahl im Anschluss an die Erwärmung auf die Austenitisierungstemperatur in dem Werkzeug thermomechanisch umgeformt, wobei die thermomechanische Umformung bei einer Temperatur oberhalb der Austinitisierungsendtemperatur Ac3 (ca. 830°C) bevorzugt zwischen 900 und 1100°C erfolgt. Die Abkühlung der umgeformten Werkstücke erfolgt mittels einer Kühlungseinheit, die sich in einem geschlossenen Werkzeugkörper befindet. Dadurch können Bauteile mit besonders hohen mechanischen Eigenschaften, insbesondere mit hohen Festigkeiten erzeugt werden.
-
Die Patentschrift
DE 19723655 B4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Stahlblechprodukten durch Erwärmen eines abgemessenen Stahlblechs, Warmverformung des Stahlblechs in einem Werkzeugpaar, Härten des gebildeten Produkts durch schnelles Abkühlen von einer austenitischen Temperatur, während es weiterhin in dem Werkzeugpaar gehalten ist und anschließende Bearbeitung des Produkts.
-
Die
DE 197 23 655 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von gehärteten Bauteilen, die Bereiche mit niedrigerer Härte und Bereich mit höherer Härte aufweisen. In diesen weicheren Bereichen soll eine nachträgliche Bearbeitung stattfinden. Zur Erzeugung der weicheren Bereichen sind in den Bearbeitungswerkzeugen Einsätze vorgesehen oder Spalte zwischen Werkzeug und Werkstück vorgesehen sind. Derartige Systeme weisen jedoch Nachteile dahingehend auf, dass damit komplexe Geometrien nur schwer herstellbar sind. Falls sich die Bauteilgeometrie ändert oder falls andere Bereich des Bauteils ungehärtet bleiben sollen bedingt dies Änderungen an den Herstellungswerkzeugen. Dies ist jedoch mit hohen Änderungsaufwand und hohen Kosten verbunden. Während der Fertigung von Serienbauteil in hoher Stückzahl ist das Werkzeug einem hohen Verschleiß unterworfen. Durch Verschleißerscheinungen ändern sich jedoch auch die Eigenschaften der produzierten Bauteile. Um die Anforderungen an Maßhaltigkeit und Qualität zu erfüllen, müssen die Werkzeug überarbeitet werden. Dies ist mit hohen Kosten verbunden und führt darüber hinaus zu einer Unterbrechung des Herstellungsprozess.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren anzugeben zur Herstellung von warmumgeformten Bauteilen, bei dem in einem Bauteil verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen mechanischen Werten ausgebildet werden können. Es ist eine spezielle Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem Änderungen der gewünschten mechanischen Kennwerten in einem Bauteil besonders rasch umsetzbar sind.
-
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten Bauteils, insbesondere eines Blechbauteils aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder einer Kombination dieser Materialien mit den Schritten:
- – Erwärmen eines Halbzeugs, insbesondere einer Blechplatine oder eines vorgeformten Blechbauteils,
- – Einbringen des Halbzeugs in ein Formwerkzeug, und
- – Abkühlen der Halbzeugs in dem Formwerkzeug, wobei zumindest in einem Abschnitt eine Änderung des Werkstoffgefüges durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen des Halbzeugs in das Formwerkzeug in mindestens einem vorbestimmten Bereich des Halbzeugs eine Isoliereinrichtung aufgebracht wird, die form-, stoff- und/oder kraftschlüssig mit dem Halbzeug verbunden ist. Durch die Isoliereinrichtung wird der Wärmeübergang von dem Halbzeug an die Umgebung bzw. von der Umgebung an das Halbzeug lokal verändert in den vorbestimmten Bereichen. Vorbestimmte Bereich sind solche Bereich in denen das fertige Bauteil weichere, duktilere Eigenschaften aufweisen soll, als die übrigen Bereiche. In den vorbestimmten Bereichen weist das Bauteil ein duktiles Deformationsverhalten auf. Erfindungsgemäß werden somit Bauteile, beispielsweise Fahrzeugstrukturbauteile geschaffen, deren mechanische Eigenschaften, insbesondere deren Härte nicht homogen ist. Die Erzeugung von weichen, duktilen Bereichen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne hohe Investitionskosten erfolgen. Dadurch eignet sich das Verfahren sehr gut zum nachträglichen Anpassen der Bauteileigenschaften, selbst wenn eine Serienfertigung bereits im Gange ist.
-
In einer ersten Variante des Verfahrens wird die Isoliereinrichtung vor dem Erwärmen auf das Halbzeug aufgebracht. Dadurch wird sichergestellt, dass das Halbzeug in dem vorbestimmten Bereich einen geringeren Wärmeeintrag erfährt und nicht eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur AC3 erreicht. Somit stellt sich nach dem Härten in diesem vorbestimmten Bereich ein Gefüge ein mit einer niedrigeren Duktilität als in dem Rest des Bauteils. Die Isoliereinrichtung kann nach dem Erwärmen des Halbzeugs wieder entfernt werden, bevor das Halbzeug in ein Härtewerkzeug eingelegt wird. Alternativ dazu kann die Isoliereinrichtung auch an dem Halbzeug verbleiben, während das Halbzeug in dem Härtewerkzeug gehärtet wird.
-
In einer zweiten Variante des Verfahrens wird die Isoliereinrichtung erst nach dem Erwärmen des Halbzeugs in dem vorbestimmten Bereich auf das Halbzeug aufgebracht. Dadurch wird das Halbzeug vollständig über seine gesamte Erstreckung auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur AC3 erwärmt. Anschließend wird es mit der daran angeordneten Isoliereinrichtung in das Härtewerkzeug eingebracht und gehärtet. In dem vorbestimmten Bereich wird das warme Halbzeug langsamer abgekühlt als in den übrigen Bereichen, da die Isoliereinrichtung den Wärmefluss aus dem Halbzeug in das Werkzeug verlangsamt.
-
In beiden Verfahrensvarianten wird ein martensitisches Gefüge in dem Bauteil erzeugt, dass sich durch hohe mechanische Härte auszeichnet. In den durch die Isoliereinrichtung abgedeckten Bereichen stellt sich ein ferritisch-perlitisches Gefüge ein, welches duktiler ist als der/die martensitische/en Bereich/e.
-
In Abhängigkeit davon, an welcher Position des Halbzeugs duktilere Bereiche eingestellt werden sollen, kann die Position der Isoliereinrichtung auf dem Halbzeug verändert werden. Die Isoliereinrichtung deckt den Bereich des Halbzeugs ab, der im fertigen Bauteil nicht zu hohe Festikeitskennwerte erreichen darf. Darüber hinaus können in Abhängigkeit der zu erzielenden mechanischen Kennwerte verschiedene Isoliereinrichtungen, die sich in ihrer Dicke oder in ihrem Material unterscheiden auf das Halbzeug aufgebracht werden.
-
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann die Isoliereinrichtung als Permanentmagnet ausgebildet sein und kraftschlüssig mit dem Halbzeug verbunden werden. Da die Halbzeuge bevorzugt als metallische Bleche ausgebildet sind, eignen sich Magnete besonders gut zur Verwendung als Isoliereinrichtung, da sie an dem Halbzeug selbsttätig haften. Ein weiterer Vorteil von Permanentmagneten ist, dass diese rückstandsfrei nach dem Härten von dem Bauteil entfernt werden können und eine Reinigung bzw. Aufbereitung der Bauteile nicht notwendig ist.
-
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird eine Isoliereinrichtung, die als Folie oder Tape ausgebildet ist, auf das Halbzeug aufgebracht. Aufgrund ihrer niedriger Dicke, bieten Tapes oder Folien den Vorteil, dass sie ohne Änderungen an den Werkzeugen bzw. mit nur geringen Werkzeugänderungen in dem Herstellungsverfahren angewendet werden können. Somit eignen sie sich besonders gut auch für den nachträglichen Einsatz in dem Herstellungsverfahren während einer bereits angelaufenen Produktion von Serienbauteilen. Solche Tapes oder Folien können schichtförmig mit einer geringen Schichtdicke ausgebildet sein. Zur Befestigung an dem Halbzeug können die Tapes oder Folie über eine haftvermittelnde Schicht, beispielsweise einem Klebstoff mit dem Halbzeug verbunden werden. Durch eine derartige stoffschlüssige Verbindung ergibt sich vorteilhafterweise ein guter Halt der Isoliereinrichtung auf dem Halbzeug.
-
Gemäß einer dritten Ausführungsform wird eine Isoliereinrichtung, die als Paste ausgebildet ist, in einem vorbestimmten Bereich des Halbzeugs auf dieses aufgebracht. Solche Pasten können beispielsweise Kupferpasten oder ähnliche Pasten sein, die einen niedrigen Wärmeübergangskoeffizient aufweisen. Auch Pasten eignen sich zur nachträglichen Verwendung in bereits angelaufenen Serienfertigungen.
-
Gemäß einer vierten Ausführungsform wird eine Isoliereinrichtung, die als formschlüssiger Überzug ausgebildet ist, in einem vorbestimmten Bereich des Halbzeugs aufgebracht. Dieser Überzug kann aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein, die entsprechend temperaturfest sind. Beispielsweise kann ein derartiger Überzug aus einem zusätzlichen Blech ausgebildet sein, dass in dem vorbestimmten Bereich mit dem Halbzeug in Eingriff gebracht werden kann. Alternativ dazu kann der Überzug auch aus einem temperaturbeständigen Kunststoff ausgebildet sein, der formschlüssig mit dem vorbestimmten Bereich des Halbzeugs in Eingriff gebracht werden kann.
-
In allen beschriebenen Ausführungsformen können mehrere Isoliereinrichtungen an dem Halbzeug angeordnet werden. Diese können allesamt auf einer ersten Seite des Halbzeug oder auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Halbzeugs angeordnet sein. Weiterhin können die Isoliereinrichtungen auch beidseitig an dem Halbzeug vorgesehen werden. Dabei können sie zueinander versetzt sein oder in dem vorbestimmten Bereich beidseitig an dem Halbzeug angeordnet werden.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Figurenbeschreibung, die Ansprüche sowie die Zeichnungen enthalten Merkmale, die ein Fachmann ggf. auch in anderer Kombination in Betracht ziehen würde, um sie an entsprechende Anwendungsfälle der Erfindung anzupassen.
-
Es zeigen in schematischer Darstellung
-
1a bis 1c Verfahrensschritte gemäß der ersten Verfahrensvariante
-
2a bis 2c Verfahrensschritte gemäß der zweiten Verfahrensvariante, und
-
3 ein beispielhaftes Strukturbauteil.
-
In den 1a bis 1c sind die Verfahrensschritte abgebildet, die bei dem direkten Warmumformen gemäß einer ersten Variante des Verfahrens durchgeführt werden. In 1a ist der Erwärmungsschritt dargestellt, bei dem ein Halbzeug 17, hier dargestellt als Platine erwärmt wird. Die Erwärmung kann in einem Ofen oder mit Hilfe einer sonstigen Wärmequelle erfolgen. Die Isoliereinrichtung 15 ist bereits angebracht an einer vorbestimmten Position und schirmt einen vorbestimmten Bereich der Platine 17 ab. Die Wärme, dargestellt als s-förmig gekrümmte Pfeile gelangt in diesem Bereich nur in geringerem Maße an die Platine 17 und erwärmt diese in dem vorbestimmten Bereich auf eine niedrigere Temperatur als in den restlichen Bereichen der Platine 17.
-
1b zeigt ein Formwerkzeug 10, das in Pressen einsetzbar ist zur Warmumformung von Blechplatinen zu Blechbauteilen 17. Das Formwerkzeug 10 weist eine untere Werkzeughälfte 12u auf, die auf einer Grundplatte 11 aufsitzt. Die untere Formwerkzeughälfte 12u wirkt mit einer oberen Formwerkzeughälfte 12o zusammen. Die einander zugewandten Wirkflächen der oberen Formwerkzeughälfte 12o und der unteren Formwerkzeughälfte 12u sind korrespondierend ausgebildet, so dass sie wie Matrize und Stempel eines Pressenwerkzeugs fungieren. Bei dem in 1b dargestellten Beispiel ist die Werkzeughälfte 12o als Stempel und die Werkzeughälfte 12u als Matrize ausgebildet. Ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, können die obere und die untere Formwerkzeughälfte ihre Anordnung betreffend vertauscht werden, so dass das Oberwerkzeug als Matrize und das Unterwerkzeug als Stempel fungiert. Die obere Werkzeughälfte 12o und die untere Werkzeughälfte 12u sind relativ zueinander beweglich. Die in 1b dargestellten Formwerkzeughälften 12o, 12u können auseinander- und wieder zusammengefahren werden. Beim Zusammenfahren der Formwerkzeughälften gerät das Halbzeug 17, d. h. ein Blechstück bzw. eine Blechplatine 17 zwischen die Formwerkzeughälften, und wird von den Wirkflächen umfasst und umgeformt. Der in 1b dargestellte Zustand entspricht einer geöffneten Position der Werkzeughälften 12u, 12o bei einem Umformvorgang in der das Bauteil 17 fertig umgeformt ist und aus dem Formwerkzeug 10 entnommen werden kann. In der Darstellung wird die Isoliereinrichtung 15 nach dem Erwärmen von der Blechplatine 17 entfernt.
-
In der unteren Formwerkzeughälfte 12u ist ein Einsatz 13 vorgesehen, in dem ein Kühlsystem, das mehrere Kühlkanäle oder Kühlleitungen 14 aufweist, integriert ist. Die Verwendung derartiger Einsätze 13 bietet zum einen den Vorteil, dass verschiedene Bauteilkonturen geprägt werden können mit einem unteren Formwerkzeug 12u, indem der Einsatz 13 entsprechend der gewünschten Bauteilform ausgewechselt werden kann. Die Kühlleitungen 14 verlaufen im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Bauteils 17 und damit auch im Wesentlichen parallel zu der Wirkfläche der Formwerkzeughälften 12u, 12o. Die Kühlleitungen 14 folgen damit der Bauteiloberfläche in einem gewissen Abstand in den Einsatz 13 der unteren Formwerkzeughälfte 12u. Mit den Kühlkanälen wird eine gezielte Abkühlung des Halbzeugs 17 im Bereich der Kühlkanäle 14 ermöglicht, so dass das Bauteil gehärtet wird und ein Gefüge in dem Bauteil realisiert wird, mit hohen mechanischen Festigkeiten.
-
In 1c ist aus 1b bekannte Formwerkzeug 10 dargestellt jedoch in einer geschlossenen Position. In diesem Zustand ist das Blechteil 17 umgeformt und wird gehärtet. Dabei wird dem Bauteil 17 Wärme entzogen und über die Kühlkanäle 14 abgeführt.
-
In den 2a bis 2c ist eine zweite Variante des Verfahrens dargestellt. Bei dieser Variante wird die Platine 17 vollständig erwärmt, wie in der 2a dargestellt. Die Isoliereinrichtung 15 wird vor dem Einbringen der Platine 17 in das Formwerkzeug 10 in einem vorbestimmten Bereich auf die Platine 17 aufgebracht, beispielsweise auf einer unteren, d. h. der unteren Werkzeughälfte 12u zugewandten Seite des Halbzeugs 17. Danach wird die Platine 17 mit daran angeordneter Isoliereinrichtung 15 in das Formwerkzeug 10 eingebracht, wie in 2b abgebildet. Beim Umformen und Härten, dargestellt in 2c beeinflusst die Isoliereinrichtung 15 den Wärmeaustausch zwischen dem Halbzeug 17 und dem Werkzeug 10. Der Bereich des Halbzeugs 17, in dem die Isoliereinrichtung 15 angeordnet ist, entspricht einem vorbestimmten Bereich in dem hohe mechanische Kennwerte, nicht erwünscht sind. Stattdessen soll hier ein Bereich mit vergleichsweise hoher Duktilität realisiert werden. Durch die Isoliereinrichtung 15 erfährt das Halbzeug 17 in dem vorbestimmten Bereich eine langsamere Abkühlung, als in den übrigen Bereichen. Dadurch bildet sich hier ein perlitisch-ferritisches Materialgefüge aus, das dem Bereich eine höhere Duktilität verleiht.
-
Obwohl die 1a bis 2c und 2a bis 2c die Erfindung anhand des direkten Warmumformverfahrens beschreiben, lässt sich die Erfindung auch in dem indirekten Verfahren anwenden. Dabei wird die Blechplatine zuerst kaltumgeformt zu einem dreidimensionalen Halbzeug. Dieses wird danach erwärmt und dann ohne weitere Umformung oder gegebenenfalls mit nur geringerer Umformung gehärtet. Nach dem Kaltumformen kann wahlweise die erste oder die zweite Variante wie oben beschrieben angewendet werden, wobei die Isoliereinrichtung 15 vor dem Erwärmen oder vor dem Härten auf einen vorbestimmten Bereich des dreidimensionalen Halbzeug aufgebracht wird.
-
In den Figuren ist lediglich die untere Werkzeughälfte 12u mit Kühlkanälen 14 versehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung, kann alternativ dazu die Anordnung von Kühlleitungen auch in der oberen Werkzeughälfte 12o angeordnet sein. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können sowohl in der oberen Werkzeughälfte 12o als auch in der unteren Werkzeughälfte 12u Kühlkanäle 14 vorgesehen sein.
-
3 zeigt eine Draufsicht auf ein Werkzeugunterteil 12u des Formwerkzeugs 10. Beispielshaft ist hier ein Halbzeug 17 zur Herstellung einer B-Säule 18 ausgebildet. Das Halbzeug 17 wird entlang der gestrichelten Kontur beschnitten, um die B-Säule 18 als Bauteil zu erhalten. Dies kann wahlweise vor oder nach der Warmumformung durchgeführt werden. Alternativ dazu können auch andere Fahrzeugbauteile oder Fahrzeugstrukturbauteilen hergestellt werden. Solche können insbesondere A- oder C-Säulen, Dachseitenrahmen, Dachspriegel, Schweller, Längs- oder Querträger sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Formwerkzeug
- 11
- Werkzeug Grundplatte
- 12u
- Werkzeugunterteil
- 12o
- Werkzeugoberteil
- 13
- Werkzeugeinsatz
- 14
- Kühlleitungen
- 15
- Isoliereinrichtung
- 16
- Bauteil
- 17
- Halbzeug
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19723655 B4 [0005]
- DE 19723655 A1 [0006]
