DE102015103307A1

DE102015103307A1 - Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und abschreckgehärteten innenhochdruckumgeformten Kraftfahrzeugbauteils

Info

Publication number: DE102015103307A1
Application number: DE102015103307.0A
Authority: DE
Inventors: Rafael Garcia Gomez
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2016-09-08
Also published as: CN105935728A; US10443109B2; CN105935728B; US20160258035A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und abschreckgehärteten rohrförmigen Kraftfahrzeugbauteils (7) mittels Innenhochdruckumformung, wobei ein metallisches Ausgangsmaterial zumindest partiell auf eine Erwärmungstemperatur, insbesondere auf eine Temperatur über Ac3 erwärmt wird, im warmen Zustand innenhochdruckumgeformt wird und anschließend abgeschreckt, bevorzugt abschreckgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenhochdruckumformen als Hochgeschwindigkeitsformen in einer Zeit zwischen 1 und 30 Sekunden durchgeführt wird und das noch warme umgeformte Kraftfahrzeugbauteil (7) in mindestens ein separates Abschreckwerkzeug (5, 10) transferiert und insbesondere abschreckgehärtet wird, wobei das Kraftfahrzeugbauteil (7) in dem Abschreckwerkzeug (5, 10) lagefixiert eingespannt wird und die Taktzeit des Abschreckwerkzeuges (5, 10) der Taktzeit des Innenhochdruckumformens entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und abschreckgehärteten Kraftfahrzeugbauteils gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen länglichen Umformbauteils gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 14.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugsäule gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 20.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Bauteile aus härtbaren Stahllegierungen mittels Warmumformen und Abschreckhärten herzustellen. Hierzu wird zunächst ein Ausgangsmaterial auf eine Temperatur über Ac3 erwärmt, was auch als Austenitisieren des Stahls bezeichnet wird. Im warmen Zustand wird das Bauteil umgeformt und in einem darauffolgenden Abschreckvorgang gehärtet. Dies bedeutet, dass eine derart hohe Abschreckgeschwindigkeit herbeigeführt wird, dass das zunächst austenitische Gefüge in ein teilweise insbesondere vollständiges martensitisches Gefüge umgewandelt wird, welches eine hohe Härte und Festigkeit aufweist.
Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Bauteile mittels Innenhochdruckumformung dreidimensional zu formen. Hierzu wird in ein bevorzugt rohrförmiges Bauteil ein Wirkmedium mit einem derart hohen Druck eingebracht, dass dieses von innen heraus radial nach außen verformt wird.
Weiterhin ist aus der DE 10 2011 051 965 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem das Innenhochdruckumformen in Verbindung mit einer Warmumformung und Abschreckhärten angewandt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik, ein Verfahren zum Innenhochdruckumformen aufzuzeigen, mit dem es möglich ist, Innenhochdruckumformbauteile mit hohen Festigkeitseigenschaften sowie hoher geometrischer Präzision in kurzer Produktionszeit herzustellen.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und abschreckgehärteten Kraftfahrzeugbauteils mittels Innenhochdruckumformung gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin mit einem Verfahren zur Herstellung eines hohlen länglichen Umformbauteils gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 14 gelöst.
Die zuvor genannte Aufgabe wird weiterhin mit einer Kraftfahrzeugsäule gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 20 gelöst.
Vorteilhafte Durchführungsvarianten der erfindungsgemäßen Verfahren sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Das Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und abschreckgehärteten rohrförmigen Kraftfahrzeugbauteils mittels Innenhochdruckumformung, wobei ein metallisches Ausgangsmaterial, insbesondere aus einer härtbaren Stahllegierung, zumindest partiell auf eine Erwärmungstemperatur, insbesondere auf eine Temperatur über Ac3 erwärmt wird, im warmen Zustand innenhochdruckumgeformt wird und anschließend abgeschreckt, bevorzugt abschreckgehärtet wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Innenhochdruckumformen als Hochgeschwindigkeitsformen in einer Zeit zwischen 1 und 30 Sekunden durchgeführt wird und das noch warme umgeformte Kraftfahrzeugbauteil nach Abschluss des Innenhochdruckumformvorganges in mindestens ein separates Abschreckwerkzeug transferiert und insbesondere abschreckgehärtet wird, wobei das Bauteil in dem Abschreckwerkzeug lagefixiert eingespannt wird und die Taktzeit des Abschreckwerkzeuges der Taktzeit des Innenhochdruckumformens entspricht. Die Taktzeit beträgt bevorzugt von 2,4 bis 20 Sekunden.
Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere vorgesehen, dass das Abschreckhärten in zwei aufeinander folgenden Abschreckstufen, wobei jede Abschreckstufe in einem separaten Abschreckwerkzeug durchgeführt wird, vorgenommen wird. Besonders bevorzugt werden drei Abschreckstufen oder aber auch vier Abschreckstufen hintereinander durchgeführt, so dass in drei bzw. vier hintereinander geschalteten Abschreckwerkzeugen die drei bzw. vier Abschreckstufen durchgeführt werden. Die Taktzeit einer jeden Abschreckstufe entspricht dabei jeweils der Taktzeit des Innenhochdruckumformens selber. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltungsvariante mit zwei Abschreckstufen sieht vor, dass eine erste Abschreckstufe durch das Innenhochdruckumformen selbst durchgeführt wird. In einer zweiten darauffolgenden Abschreckstufe in einem separaten Abschreckwerkzeug wird dann eine Innenkühlung und eine Außenkühlung durchgeführt. Insbesondere erfolgt die Innenkühlung durch eine Medienströmung mit hohem Durchfluss.
Der erfindungswesentliche Vorteil ist, dass das Innenhochdruckumformen in besonders kurzer Taktzeit selber möglichst schnell durchgeführt werden kann. Besonders bevorzugt wird dies in einer Zeit von 2 bis 20 Sekunden, insbesondere von 2,4 bis 20 Sekunden, besonders bevorzugt von 2 bis 15 Sekunden durchgeführt. Im Anschluss daran wird das so mittels Innenhochdruckumformung hergestellte Kraftfahrzeugbauteil, welches nach dem Innenhochdruckumformen selber vorzugsweise immer noch zumindest teilweise eine Temperatur über Ac3 hat, entnommen und in das nachfolgende Abschreckwerkzeug überführt und hier abgeschreckt. Im Falle von zwei Abschreckstufen wird ein erster Kühlvorgang im ersten Abschreckwerkzeug durchgeführt und nach Abschluss des ersten Kühlvorganges das Bauteil in ein zweites Abschreckwerkzeug transferiert und einer zweiten Abschreckstufe unterzogen. Zumindest die erste Abschreckstufe selbst weist dabei bevorzugt die gleiche Taktzeit oder eine kleinere Taktzeit als die des Innenhochdruckumformens auf. Bevorzugt wird eine verkettete Anlage eingesetzt, in der alle Arbeitsstationen die gleiche Taktzeit haben.
Die Maßhaltigkeit wird insbesondere dadurch erreicht, dass in den Abschreckwerkzeugen das Bauteil lagefixiert eingespannt ist. Ein beim Abschreckhärten auftretender Verzug wird durch die Lagefixierung derart kompensiert, dass das Bauteil nach dem Abschreckhärtevorgang die gewünschte Maßhaltigkeit sowie geometrischen Abmessungen aufweist. Insbesondere können somit die Bauteile in einer besonders kurzen Taktzeit mit hoher Maßhaltigkeit hergestellt werden. Dies erfolgt insbesondere durch die Prozessentkoppelung von Warmumformung und Abschreckhärten auf zwei separaten Werkzeugen. Werden hohe Kühlraten bei hohen Wandstärken des umzuformenden Bauteils erforderlich, so ist es wiederum möglich, diese durch zwei, drei oder vier aufeinander folgende Abschreckstufen zu realisieren, ohne dass sich die erforderliche Zeit des gesamten Abschreckhärtens negativ auf die besonders kurze Zeit des Innenhochdruckumformens auswirkt.
Das Abschrecken selbst kann in einem Tauchbad durchgeführt werden und/oder in einem Strömungsbecken alternativ auch mit einer Anspritzkühlung und/oder Einspritzkühlung. In allen Fällen erfolgt insbesondere die Lagefixierung durch einen punktuellen oder linienförmigen Anlagenkontakt, so dass eine jeweils möglichst große Bauteiloberfläche des hergestellten Kraftfahrzeugbauteils Kontakt mit dem Kühlmedium erlangt und dadurch eine hohe Abkühlrate realisiert wird. Es kann auch in dem Tauchbad zusätzlich eine Innenströmung verwendet werden. Insbesondere ist dies abhängig von der Wandstärke des abzukühlenden Bauteils. Insbesondere wird in dem Tauchbad eine Strömung erzeugt, die die Abkühlung verbessert, so dass mehr Temperatur in weniger Zeit abgekühlt werden kann. Insbesondere wird eine Innenströmung an dem rohrförmigen Bauteil angelegt. Es ist jedoch auch möglich, alternativ oder ergänzend eine Außenströmung zu erzeugen, die außen über das Bauteil strömt.
Hierzu ist eine Haltevorrichtung vorgesehen, die beispielsweise durch Spannbacken oder auch Halteschellen ausgebildet ist. Bei geschlossener Haltevorrichtung ergibt sich eine geometrische Abmessung für das abzuschreckende Kraftfahrzeugbauteil.
Bereits bei erstem Kontakt mit dem Abschreckmedium erfährt das Bauteil eine Schrumpfung und/oder einen Verzug. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die geometrische Abmessung der geschlossenen Haltevorrichtung gegenüber der Bauteilabmessung vor Beginn des Abschreckvorganges ein Untermaß aufweist. Hierdurch wird erfindungsgemäß sichergestellt, dass grundsätzlich ein punktförmiger, linienförmiger und/oder ringförmiger Anlagenkontakt zwischen Haltevorrichtung und Außenmantelfläche des abzuschreckenden Kraftfahrzeugbauteils, trotz Schrumpfens, hergestellt ist.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante wird die Lagefixierung durch nachführbare Spannbacken ausgebildet. Die Spannbacken werden dann während des Abschreckvorganges entsprechend der Schrumpfung und/oder der gewollten Bauteilgeometrie des herzustellenden Kraftfahrzeugbauteils nachgeführt. Durch diese Maßnahme wird besonders effektiv die Maßhaltigkeit des hergestellten Kraftfahrzeugbauteils sichergestellt. Die Spannbacken können beispielsweise elektrisch und/oder elektromechanisch insbesondere aber auch piezoelektrisch oder elektromagnetisch angetrieben und/oder eingestellt werden. Auch ist es vorstellbar die Spannbacke mit einem Servomotor relativ zum Bauteil anzutreiben und/oder einzustellen.
Hierzu bietet es sich insbesondere erfindungsgemäß an, dass eine zu erwartende Schrumpfkurve des Kraftfahrzeugbauteils während des Abschreckhärtens berechnet und/oder experimentell ermittelt wird und in Abhängigkeit der Schrumpfkurve die Spannbacken nachgeführt werden. Unter Schrumpfkurve ist im Rahmen der Erfindung nicht eine Kurve im geometrischen Sinne zu verstehen, sondern das Maß bzw. der Grad, mit dem das Bauteil in sich, mithin insbesondere in Radial- sowie in Längsrichtung, schrumpft.
Weiterhin besonders bevorzugt wird eine Anspritzkühlung über Düsen realisiert, wobei über die Düsen eine rotierende und/oder pulsierende Anspritzung vorgenommen wird, so dass das Bauteil homogen abgekühlt wird. Gegenüber einer fixen Strahlabkühlung werden somit nicht gezielt Bereiche zunächst vollständig abgekühlt, so dass sich die Abkühlung dann durch Wärmeleitung in dem Bauteil selber weiter ausdehnt, sondern es werden grundsätzlich große Teile der Oberfläche mit gleicher Kühlrate abgekühlt. Insbesondere kommt hier ein Vorkühlmedium zum Einsatz. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Luft/Flüssigkeitsgemisch oder aber auch um ein Gas handeln, beispielsweise Stickstoff.
Weiterhin besonders bevorzugt wird für das Warmumformen ein segmentiertes Innenhochdruckumformwerkzeug verwendet. Die einzelnen Segmente des Umformwerkzeuges können dann während des Warmumformvorganges nochmals verlagert werden, so dass nicht nur eine radiale Ausdehnung, sondern auch ein radiales Nachinnenfahren oder sonstige Formgebungsmaßnahmen bzgl. der äußeren Kontur sowie der Wandstärke aufgrund der Segmetierung vorgenommen werden können.
Insbesondere ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, Wellenkörper, beispielsweise Nockenwellen, herzustellen, wobei die Wellenkörper insbesondere keinen außenseitigen Flansch haben. Ferner ist es mit einem segmentierten Innenhochdruckumformwerkzeug möglich, Materialanhäufungen an dem Kraftfahrzeugbauteil zu erzeugen.
Besonders bevorzugt werden jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Kraftfahrzeugbauteile für eine Kraftfahrzeugkarosserie hergestellt, welche insbesondere Kraftfahrzeugstrukturbauteile sowie Kraftfahrzeugaußenhautbauteile sind. Besonders bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Kraftfahrzeugsäulen, mithin längliche hohle Kraftfahrzeugbauteile hergestellt.
Das segmentierte Innenhochdruckumformwerkzeug ist insbesondere in Längsrichtung des geschlossenen Innenhochdruckumformwerkzeuges in einzelne Segmente unterteilt, welche im Ausgangszustand einen Abstand zueinander aufweisen. Während des Innenhochdruckumformvorganges werden dann die Segmente insbesondere von beiden Seiten durch eine aufeinander zu bewegbare Druckkraft derart nachgeführt, dass sich Materialanhäufungen an dem Bauteil ausbilden.
Weiterhin besonders bevorzugt wird das Verfahren auf einem temperierten Innenhochdruckumformwerkzeug durchgeführt, so dass das Bauteil während des Innenhochdruckumformprozesses selber nicht zu stark abkühlt und nach Abschluss des Innenhochdruckumformvorganges mindestens Ar1 Temperatur aufweist. Besonders bevorzugt weist dieses eine Temperatur zwischen Ar1 und Ar3 und insbesondere von mindestens Ar3 nach Abschluss des Innenhochdruckumformvorganges auf, besonders bevorzugt je nach erforderten Bauteileigenschaften auch eine Temperatur über Ar3. Das Bauteil wird dann im derart warmen Zustand in das mindestens erste Abschreckhärtewerkzeug überführt. Insbesondere wird in dem Abschreckwerkzeug eine vollständige Abschreckhärtung durch Gefügeumwandlung bewirkt. Dabei wird das Austenit in Martensit und/oder in Bainit, bevorzugt auch in ein Mischgefüge aus Martensit und Bainit umgewandelt.
Die zuvor genannte Aufgabe wird ergänzend oder alternativ mit einem Verfahren zur Herstellung eines hohlen länglichen Umformbauteils aus einem Stahlwerkstoff insbesondere zur Herstellung einer Kraftfahrzeugsäule gelöst, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

– Bereitstellen zweier Blechplatinen, insbesondere aus einer vorbeschichteten härtbaren Stahllegierung,
– Vorbiegen mindestens einer Blechplatine an einer Längskante, so dass je eine Längskante einer Blechplatine stumpf aneinanderstoßend mit der Längskante der zweiten Blechplatine in Kontakt gebracht wird und ein mindestens teiloffenes Hohlprofil bereitgestellt wird, insbesondere ein geschlossenes Hohlprofil,
– Thermisches Fügen der stumpf aneinander liegenden Längskanten, insbesondere Längsnahtschweißen,
– Innenhochdruckumformen des Hohlprofils.

Insbesondere kann durch das Vorformen bzw. Vorbiegen und das nachfolgend beschriebene Fügen zu einem mindestens teiloffenen Profil eine Vorform erstellt werden, die unkritische Umformgrade aufweist, so dass es gerade nicht zu einem Reißen oder Abplatzen der Vorbeschichtung kommt. Insgesamt kann somit ein Hohlprofilrohling erzeugt werden, der eine hinreichende Vorformung aufweist, wobei eine Beschädigung aufgrund zu hoher Umformgrade und/oder eine Beschädigung der Vorbeschichtung vermieden wird.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, ein Bauteil mit hohen Umformgraden herzustellen, ohne jedoch in der Herstellung eine Vorbeschichtung oder das Werkstoffgefüge zu schädigen. Zunächst wird an mindestens einer der zwei ebenen Blechplatinen, bevorzugt an beiden ebenen Blechplatinen ein Vorbiegen bzw. Vorformen durchgeführt. In einfachster Ausgestaltung ist dies ein Abkanten, kann jedoch auch ein komplexeres Vorformen bzw. mehrfaches Abkanten einer jeden Blechplatine beinhalten. Die vorgeformten bzw. vorgebogenen Blechplatinen werden dann mit je einer Längskante stumpf zum Anlagenkontakt gebracht. Dies bedeutet, dass die jeweilige Stirnseite der Längskanten einer Blechplatine an der Stirnseite der Längskante der zweiten Blechplatine anliegt. Das Anliegen erfolgt dann bevorzugt vollflächig über die gesamte Längskante.
In einem darauffolgenden Verfahrensschritt wird dann ein thermisches Fügen, insbesondere Längsnahtschweißen an den aneinander liegenden Längskanten durchgeführt. Hierdurch ist ein Hohlprofil bzw. Hohlprofilrohling erzeugt worden, welches teiloffen ist, beispielsweise C-förmig, bevorzugt jedoch im Querschnitt geschlossen ist. Dieses Hohlprofil wird dann in ein Innenhochdruckumformwerkzeug eingelegt und innenhochdruckgeformt.
Bevorzugt wird das Verfahren derart ausgeführt, dass zunächst vor dem Innenhochdruckumformen, jedoch nach dem thermischen Fügen eine Wärmebehandlung, insbesondere eine Erwärmung stattfindet, bevorzugt auf über Ac3-Temperatur. Eine gegebenenfalls in der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht entstandene nachteilige Werkstoffgefügebeeinträchtigung wird hierdurch homogenisiert. Bei der Verwendung von vorbeschichteten Werkstoffen findet ein Durchlegieren der Beschichtung statt. Das dann warme, insbesondere auf über Ac3-Temperatur befindliche Hohlprofil wird im warmen Zustand, insbesondere im austenitischen Zustand innenhochdruckumgeformt, wodurch gleichzeitig auch aufgrund des Warmumformens die Formgebungsfreiheitsgrade erhöht sind.
Nachfolgend findet ein Abschreckvorgang, insbesondere ein Abschreckhärtevorgang mit einer zumindest teilweisen, insbesondere vollständigen martensitischen Gefügebildung statt. Für das Innenhochdruckumformen und das Abschreckhärten können insbesondere die zuvor bereits beschriebenen Verfahrensschritte bereits weiter zu vorbeschriebenen Verfahrensschritte angewendet werden.
Weiterhin bevorzugt wird das Hohlprofil zunächst derart erstellt, dass an den den längsnahtgeschweißten Längskanten gegenüberliegende Längskanten der Blechprofile jeweils ein Flansch umformtechnisch ausgebildet wird und dann beide Flansche formschlüssig zur Anlage, insbesondere überlappend zur Anlage gebracht werden. Dies kann entweder bereits bei dem Hohlprofil vorbereitend erfolgen oder aber auch beim Einlegen und Schließen des Innenhochdruckumformwerkzeuges. Während des Innenhochdruckumformens selber findet dann eine zumindest abschnittsweise Vergrößerung des Querschnitts unter Verringerung bzw. Verkürzung zumindest eines Flansches, bevorzugt beider Flansche statt. Alternativ oder ergänzend kann es auch zu einer Abstreckung des Materials aufgrund des Innenhochdruckumformens kommen, was zu einer Reduzierung der Wandstärke führt. Insbesondere wenn die Flansche in dem Innenhochdruckumformwerkzeug eingeklemmt sind, können die Flansche nach Art eines Niederhalters eingeklemmt sein und durch ein gezieltes Nachführen der Flansche die Abstreckung während des Innenhochdruckumformens kontrolliert werden.
Dies bedeutet, dass das Flanschmaterial in den Innenraum des Innenhochdruckumformwerkzeuges nachfließt und das zur Vergrößerung des Querschnitts benötigte Material bereitstellt.
Insbesondere kann damit ein einstückiges, jedoch zunächst zweischaliges Innenhochdruckumformbauteil hergestellt werden. Dies eignet sich insbesondere zur Herstellung von Kraftfahrzeugsäulen, jedoch auch beispielsweise zur Herstellung eines Instrumententafelträgers oder auch von Abgaskomponenten oder sonstigen rohrförmigen Kraftfahrzeugkarosseriebauteilen.
Ein weiterer Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist eine Kraftfahrzeugsäule, welche aus einem geschlossenen Hohlprofil ausgebildet ist. Das Hohlprofil weist dabei über den Verlauf der Kraftfahrzeugsäule, nachfolgend Längserstreckung genannt, einen veränderten Querschnitt auf. Die Veränderung des Querschnitts kann sowohl die geometrische Form des Querschnitts als auch die Größe des Querschnitts betreffen. Die Kraftfahrzeugsäule selbst ist durch Warmumformung und zumindest partielle Presshärtung hergestellt, insbesondere nach einem der vorbeschriebenen Verfahren. Ferner weist die Kraftfahrzeugsäule eine Antikorrosionsbeschichtung auf, insbesondere eine Beschichtung, welche aufgrund des Warmumformens mit dem Stahlgrundwerkstoff durchlegiert ist. Erfindungsgemäß ist die Kraftfahrzeugsäule dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil aus zwei über eine sich in Längserstreckung orientiert verlaufende Längsschweißnaht verbundenen Blechplatinen ausgebildet ist, wobei im Bereich der der Längsschweißnaht gegenüberliegenden Seite des Hohlprofils zwei nach außen orientiert abstehende sich zumindest teilweise überlappende Flansche ausgebildet sind. Mithin ist eine jede Längsseite einer Blechplatine auf der einen Seite durch die Längsschweißnaht auf der anderen Seite durch den Flansch ausgebildet. Auch können die beiden Flansche an der Flanschseite ebenfalls über eine Längsschweißnaht miteinander gekoppelt sein.
Besonders bevorzugt ist die Zugfestigkeit der Kraftfahrzeugsäule zumindest bereichsweise größer 1.350 MPa. Im Rahmen der Erfindung können Zugfestigkeiten bis zu 2.100 MPa eingestellt werden.
Die Beschichtung selbst weist besonders bevorzugt die Legierungselemente Aluminium, Eisen und Silizium auf. Es handelt sich um eine antikorrosiv wirkende intermetallische Beschichtung. Die Beschichtung entsteht während der für das Härten erforderlichen Austenitisierung der Blechplatinen aus einer Aluminium-Silizium-Vorbeschichtung durch Diffusionsprozesse mit dem Eisen des Stahlwerkstoffs und hat bevorzugt eine Dicke zwischen 10 und 50 Mikrometern.
Die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugsäule weist weiterhin besonders bevorzugt in Einbaulage einen im Wesentlichen vertikal orientiert verlaufenden Türrahmenabschnitt auf und einen schräg dazu bevorzugt in einem Winkel von 10° bis 80°, insbesondere zwischen 30° und 60°, angeordneten Scheibenrahmenabschnitt. Mithin ist es möglich, einen insgesamt gekrümmten Verlauf bzw. winkeligen Verlauf herzustellen und gleichzeitig einen voneinander über den gesamten Verlauf verschiedenen Querschnitt. Das Bauteil kann somit kostengünstig produziert werden mit hohen komplexen Formgebungsfreiheitsgraden gerade für hochfeste und höchstfeste Stahlwerkstoffe insbesondere mit einer Beschichtung. Durch das vor dem Warmumformen vorgenommene Austenitisieren wird gleichzeitig die Längsschweißnaht und hier insbesondere das in der Wärmeeinflusszone unter Umständen negativ beeinflusste Werkstoffgefüge homogenisiert, so dass auch im Bereich der Längsschweißnaht und insbesondere im Bereich der Wärmeeinflusszone ein hochfestes bzw. höchstfestes Gefüge eingestellt ist. Die damit hergestellte Kraftfahrzeugsäule erfüllt somit die vorgegebenen Festigkeiten und damit einhergehende Crashanforderungen.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten sind in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1 einen schematischen Prozessablauf eines erfindungsgemäßen Innenhochdruckumformvorganges mit zwei nachgeschalteten Abschreckhärtewerkzeugen,
2 einen Querschnitt durch eine Spannbacke mit eingespanntem Kraftfahrzeugbauteil,
3 eine mit den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kraftfahrzeugsäule in perspektivischer Ansicht,
4 und 5 eine Schnittlinie gemäß IV-IV und V-V aus 3 und
6a) bis d) eine Prozessroute zur Herstellung eines einstückigen zweischaligen Innenhochdruckumformbauteils.
In 1 ist zunächst ein Innenhochdruckumformwerkzeug 1 dargestellt, aufweisend ein Oberwerkzeug 2 und ein Unterwerkzeug 3 in das ein länglicher rohrförmiger Körper 4 eingelegt ist, welcher in einem nicht näher dargestellten vorgeschalteten Erwärmungsprozess zumindest partiell auf über Ac3 erwärmt wurde. Nach Abschluss des Innenhochdruckumformvorganges wird dieses in ein erstes Abschreckwerkzeug 5 überführt, wobei das erste Abschreckwerkzeug 5 Düsen 6 aufweist, die das hergestellte Kraftfahrzeugbauteil 7 mittels rotierenden und/oder pulsierenden Strahlen 8 eines Abschreckmediums beaufschlagen. Somit wird annähernd die Oberfläche 9 des Kraftfahrzeugbauteils 7 konstant abgeschreckt, da jeweils die gleiche Menge Kühlmittel auf die Oberfläche 9 gegenüber einem starren Strahl 8 aufgebracht wird. Weiterhin sind Düsen 13 dargestellt, die hier im Falle des zweiten Abschreckwerkzeuges 10 in einem Innenraum 14 des hergestellten Kraftfahrzeugbauteils 7 eine Einspritzkühlung vollziehen.
Nach Abschluss des ersten Abschreckvorganges in dem ersten Abschreckwerkzeug 5 wird das zwischengekühlte Kraftfahrzeugbauteil 7 in ein zweites Abschreckwerkzeug 10 überführt und einem zweiten Abschreckvorgang unterzogen. Auch hier sind wiederum Düsen 6 vorgesehen, die entsprechend pulsierend und/oder rotierend Strahlen 8 auf die Oberfläche 9 aufbringen und das Kraftfahrzeugbauteil 7 dabei kühlen. Ferner sind im ersten und zweiten Abschreckwerkzeug 5, 10 Spannbacken 11 vorgesehen, mit denen das Kraftfahrzeugbauteil 7 in Sollgeometrie während des Abschreckhärtevorganges eingespannt ist. Ein Verzug durch Schrumpfung und/oder Spannungen kann dadurch kompensiert bzw. vermieden werden, wodurch die Maßhaltigkeit des abgeschreckten Kraftfahrzeugbauteils 7 sichergestellt wird.
2 zeigt einen Querschnitt durch eine Spannbacke 11 mit zwei Spannbackenteilen 11.1, 11.2 mit eingespanntem Kraftfahrzeugbauteil 7, wobei das Kraftfahrzeugbauteil 7 während des Abschreckhärtevorganges eine Schrumpfung, hier dargestellt auf die Radialrichtung R bezogen nach innen (mit gestrichelter Linie), vornimmt. Spannbacken 11 können dazu eine Schwenkbewegung S nach innen vornehmen und können somit der Schrumpfung nachgeführt werden. Somit ist jeweils sichergestellt, dass eine Einspannfläche 12 der Spannbacken 11 in Kontakt mit der Oberfläche 9 des hergestellten Kraftfahrzeugbauteils 7 steht. Ein ungewollter Verzug durch Schrumpfung und/oder Spannung wird somit weitestgehend vermieden. Die Spannbacken 11 sind dazu bevorzugt kühl bzw. aktiv gekühlt ausgebildet beispielsweise mittels Kühlleitungen.
3 zeigt weiterhin eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kraftfahrzeugsäule 15, insbesondere in Form einer A-Säule. Die A-Säule weist dabei einen unteren Türrahmenabschnitt 16 auf sowie einen oberen Scheibenrahmenabschnitt 17. Gut zu erkennen ist gemäß den 4 und 5, dass dem jeweiligen Abschnitt 16, 17 ein voneinander verschiedenes Querschnittsprofil und auch eine verschiedene Querschnittsgröße vorliegend ist. Dies wird durch den Innenhochdruckumformprozess realisiert. Hierzu werden zunächst zwei Blechschalen vorgeformt und mit zwei gegenüberliegenden Stirnseiten stumpf aneinander gelegt, so dass sich eine Längsschweißnaht 18 ergibt. Die gegenüberliegenden freien Seiten bilden jeweils einen ersten Flansch 19 und einen zweiten Flansch 20 aus, wobei die Flansche 19, 20 gegenüber einem Innenraum 21 nach außen abstehend sind. Die vorgeformten Blechplatinen können dabei bereits eine derartige äußere Kontur aufweisen, dass sich der Türrahmenabschnitt 16 und der Scheibenrahmenabschnitt 17 ergeben, wobei jedoch die jeweiligen Längskanten mit ihren Stirnseiten zur Ausbildung der Längsschweißnaht 18 insbesondere vollständig formschlüssig zur Anlage kommen. Das so längsnahtgeschweißte Bauteil mit den abstehenden Flanschen 19, 20 wird dann in ein Innenhochdruckumformwerkzeug 1 eingelegt und die voneinander verschiedenen Querschnitte sowie Querschnittsgrößen, insbesondere dargestellt in den 4 und 5 werden mit dem Innenhochdruckumformvorgang realisiert. Bevorzugt ist das Hohlprofil zunächst austenitisiert worden und dann im austenitischen Zustand innenhochdruckumgeformt worden.
6 zeigt einen Verfahrensablauf zur Herstellung eines Umformbauteils hergestellt aus einer einstückigen und zweischaligen Kraftfahrzeugsäule 15. Hierzu werden zunächst zwei Blechplatinen 22 bereitgestellt, die gemäß Draufsicht von 6a) jeweils eine Krümmung aufweisen. Die Blechplatinen 22 werden dann vorgeformt, so dass die Stirnseiten der Längskanten 23 einer jeden Blechplatine 22 formschlüssig stumpf zur Anlage kommen, was in 6b) als Querschnittsansicht dargestellt ist. Der verbliebene Spalt dient zur besseren Illustrierung. Auf der der jeweils stumpf aneinander liegenden Längsseiten gegenüberliegenden Seite ist dann der erste Flansch 19 und der zweite Flansch 20 ausgebildet, was insbesondere nochmals ersichtlich in der Draufsicht in 6b) in Form eines Hohlprofils 25 dargestellt ist. Hier ist insbesondere der erste Flansch 19 in Draufsicht zu sehen. Die Blechplatinen 22 wurden vorgeformt, so dass diese jeweils einen Halbkreis haben. Gemäß 6c) wird an dem Hohlprofil 25 eine Längsschweißnaht 18 mittels eines Schweißbrenners 24 oder Lasers erzeugt, wonach dann bevorzugt eine Austenitisierung erfolgt und eine Innenhochdruckumformung. Durch die Innenhochdruckumformung wird der Innenraum 21 in 6 dargestellt derart umgeformt, dass sich der erste Flansch 19 verkürzt in Richtung zu dem Innenraum 21 und die radiale Expansion durch nachfließendes Material ermöglicht. Dies ist auch nochmals illustriert in der Draufsicht, wonach der erste Flansch 19 in dem Bereich der Schnittlinie kleiner ausgebildet ist als zu den jeweiligen Endseiten hin. Im Rahmen der Erfindung kann es jedoch durch das Innenhochdruckumformverfahren zu einer Abstreckung des Materials unter Reduzierung der Wandstärke W kommen, so dass das radial expandierende Material nicht nur durch ein Nachfließen und damit Verkürzen des Flansches zur Verfügung gestellt wird, sondern auch durch eine Abstreckung des Materials unter Reduzierung der Wandstärke W.
Auch ist es möglich, dass die Flansche 19 und 20 noch verschweißt werden, bevorzugt ebenfalls mit einer Längsschweißnaht 18.
Bezugszeichenliste

1: Innenhochdruckwerkzeug
2: Oberwerkzeug
3: Unterwerkzeug
4: rohrförmiger Körper
5: 1. Abschreckwerkzeug
6: Düse
7: Kraftfahrzeugbauteil
8: Strahl
9: Oberfläche
10: 2. Abschreckwerkzeug
11: Spannbacke
11.1: Spannbackenteil
11.2: Spannbackenteil
12: Einspannfläche
13: Düse
14: Innenraum von 7
15: Kraftfahrzeugsäule
16: Türrahmenabschnitt zu 15
17: Scheibenrahmenabschnitt zu 15
18: Längsschweißnaht
19: erster Flansch
20: zweiter Flansch
21: Innenraum
22: Blechplatine
23: Längskante
24: Schweißbrenner
25: Hohlprofil
R: Radialrichtung
S: Schwenkbewegung
W: Wandstärke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011051965 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und abschreckgehärteten rohrförmigen Kraftfahrzeugbauteils (7) mittels Innenhochdruckumformung, wobei ein metallisches Ausgangsmaterial zumindest partiell auf eine Erwärmungstemperatur, insbesondere auf eine Temperatur über Ac3 erwärmt wird, im warmen Zustand innenhochdruckumgeformt wird und anschließend abgeschreckt, bevorzugt abschreckgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenhochdruckumformen als Hochgeschwindigkeitsformen in einer Zeit zwischen 1 und 30 Sekunden durchgeführt wird und das noch warme umgeformte Kraftfahrzeugbauteil (7) in mindestens ein separates Abschreckwerkzeug (5, 10) transferiert und insbesondere abschreckgehärtet wird, wobei das Kraftfahrzeugbauteil (7) in dem Abschreckwerkzeug (5, 10) lagefixiert eingespannt wird und die Taktzeit des Abschreckwerkzeuges (5, 10) der Taktzeit des Innenhochdruckumformens entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeugbauteil (7) in zwei aufeinander folgenden Stufen abgeschreckt wird und hierzu zunächst in eine erstes Abschreckwerkzeug (5) und darauf folgend in ein zweites Abschreckwerkzeug (10) transferiert wird, wobei jedes Abschreckwerkzeug (5, 10) in der Taktzeit des Innenhochdruckumformens arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenhochdruckumformen in einer Zeit zwischen 2 und 15 Sekunden durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschrecken in einem Tauchbad durchgeführt wird und/oder dass das Abschrecken mit einer Anspritzkühlung und/oder Einspritzkühlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Lagefixierung in jedem Abschreckwerkzeug (5, 10) mit einer Haltevorrichtung erfolgt, wobei die geometrische Abmessung der Haltevorrichtung gegenüber der Bauteilabmessung vor Abschreckvorgang ein Untermaß aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenhochdruckumformwerkzeug (1) gekühlt und beheizt wird, wobei die Temperatur im Bauteil zwischen Martensitstarttemperatur und Ac3 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagefixierung durch nachführbare Spannbacken (11) ausgebildet ist und während des Abschreckvorganges die Spannbacken (11) entsprechend der Schrumpfung des Kraftfahrzeugbauteils (7) nachgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Düsen (6) einer Anspritzkühlung und/oder Einspritzkühlung eine rotierende und/oder pulsierende Anspritzung vornehmen, so dass das Kraftfahrzeugbauteil (7) homogen abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftfahrzeugsäule hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu erwartende Schrumpfkurve an dem Kraftfahrzeugbauteil (7) berechnet wird oder experimentell ermittelt wird und in Abhängigkeit der Schrumpfkurve die Spannbacken (11) nachgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Spannbacken (11) eine linienförmige oder punktförmige Anlage an der Oberfläche (9) des hergestellten Kraftfahrzeugbauteils (7) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein segmentiertes Innenhochdruckumformwerkzeug (1) mit mehreren Formsegmenten für den Warmumformprozess verwendet wird und Formsegmente insbesondere in Längsrichtung des Kraftfahrzeugbauteils (7) nachschiebbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeugbauteil (7) während des Innenhochdruckumformens temperiert wird, so dass es nach Entnahme aus dem Innenhochdruckumformwerkzeug (1) eine Bauteiltemperatur aufweist, die im Abschreckwerkzeug (5, 10) eine vollständige Abschreckhärtung durch Gefügeumwandlung bewirkt.
Verfahren zur Herstellung eines hohlen länglichen Umformbauteils aus einem Stahlwerkstoff, insbesondere einer Kraftfahrzeugsäule (15), gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen zweier Blechplatinen (22), insbesondere aus einer vorbeschichteten härtbaren Stahllegierung, – Vorbiegen mindestens einer Blechplatine (22) an einer Längskante (23), so dass je eine Längskante einer Blechplatine (22) stumpf aneinanderstoßend mit der Längskante (23) der zweiten Blechplatine (22) in Kontakt gebracht wird und ein mindestens teiloffenes Hohlprofil (25) bereitgestellt wird, insbesondere ein geschlossenes Hohlprofil (25), – Thermisches Fügen der stumpf aneinander liegenden Längskanten (23), insbesondere Längsnahtschweißen, – Innenhochdruckumformen des Hohlprofils (25).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (25) vor dem Innenhochdruckumformen austenitisiert wird und insbesondere wird die Vorbeschichtung durchlegiert.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenhochdruckumformen im warmen Zustand des Hohlprofils (25) durchgeführt wird und das innenhochdruckgeformte Umformbauteil abschreckgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an der der längsnahtgeschweißten Seite gegenüberliegende Seite ein Flanschbereich ausgebildet wird, insbesondere wird je eine Seite der Blechplatinen (22) als Flansch (19, 20) ausgebildet, welche sich im Flanschbereich überlappen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Innenhochdruckumformen eine zumindest abschnittsweise Vergrößerung des Querschnittes unter Verkürzung mindestens eines Flansches (19, 20) stattfindet und/oder durch eine Abstreckung des Materials unter Reduzierung der Wandstärke (W).
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenhochdruckumformen nach einem Verfahren mit den Merkmalen von mindestens Patentanspruch 1 durchgeführt wird.
Kraftfahrzeugsäule (15) ausgebildet aus einem geschlossenen Hohlprofil (25) mit über seiner Längserstreckung verändertem Querschnitt, wobei die Kraftfahrzeugsäule (15) warmumgeformt und gehärtet ist und eine Beschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (25) aus zwei über eine sich in Längserstreckung orientiert verlaufende Längsschweißnaht (18) verbundenen Blechplatinen (22) ausgebildet ist, wobei im Bereich der der Längsschweißnaht (18) gegenüberliegenden Seite des Hohlprofils (25) zwei nach außen orientiert abstehende, sich zumindest teilweise überlappende Flansche (19, 20) ausgebildet ist.
Kraftfahrzeugsäule nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach einem Verfahren gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1 und/oder mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 14 hergestellt ist.