DE102015105464B4 - Thermisch unterstütztes walzprofilieren von hochfestem material - Google Patents

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Abstract

Prozess zum Walzprofilieren von hochfestem, kaltgewalztem Metallblech (102, 202, 304), umfassend: kontinuierliches Zuführen von hochfestem, kaltgewalztem Metallblech (102, 202, 304) zwischen Walzen (104, 106, 116, 118, 120, 122, 206) an einer Walzprofilierungsproduktionslinie; lokales Bereitstellen starker Wärme von einer Wärmequelle vor dem Biegen des hochfesten, kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304); Erwärmen, mit starker Wärme, des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) auf eine Temperatur innerhalb eines subkritischen Zweiphasentemperaturbereichs (504, 604) des hochfesten, kaltgewalzten Metallblechs; Biegen des hochfesten, kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304); und rasches Abschrecken des hochfesten, kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) nach dem Biegen, damit das kaltgewalzte Metallblech (102, 202, 304) eine Hochtemperaturphasenstruktur bei Raumtemperatur beibehält.

Description

  • GEBIET DER VORLIEGENDEN TECHNOLOGIE
  • Die vorliegende Technologie betrifft allgemein Metallblechumformen und genauer gesagt betrifft die vorliegende Technologie einen wärmeunterstützten Metallumformprozess. Wärmeunterstütze Metallumformprozesse sind beispielsweise aus der DE 10 2007 024 797 A1 , US 2013/0333190 A1 oder DE 10 2012 101 474 A1 bekannt.
  • HINTERGRUND DER VORLIEGENDEN TECHNOLOGIE
  • Walzprofilieren wird in einer Produktionseinrichtung normalerweise bei Raumtemperatur unter Verwendung einer Reihe von fortschreitend unterschiedlichen Walzen durchgeführt, um ein Blechmaterial in eine bestimmte Form zu biegen und plastisch zu deformieren. Der Prozess läuft kontinuierlich und mit hoher Geschwindigkeit ab und das Ergebnis ist ein Blechmaterial, das in ein bestimmtes Profil für einen bestimmten Zweck gebogen ist.
  • Zukünftige Produkte werden jedoch mit Materialien mit höherer Festigkeit entworfen, derweil eine aufwendige Rechneranalyse zu Profilformen mit zunehmend größerer Komplexität führt, die oft scharfe Ecken abverlangen, die ebenfalls hochfest sind. Diese beiden Faktoren arbeiten gegeneinander und Bereiche, die den großen Belastungen ausgesetzt sind, brechen, wenn hochfeste Materialien gebogen werden.
  • Die vorliegende Technologie bezieht sich primär auf ein System und ein Verfahren, das eine plastische Verformung mit hoher Geschwindigkeit von hochfesten Materialien ermöglicht, die allgemein mit einer geringen Duktilität in Verbindung gebracht werden, zum Beispiel weniger als 10% Gesamtdehnung, gemessen mit einem Standardzugtest, ohne negative Auswirkung auf die Eigenschaft des resultierenden Produkts.
  • KURZFASSUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER TECHNOLOGIE
  • Angesichts besagter Defizite besteht ein Bedarf an Verfahren und Systemen, um das hochfeste Material durch einen kontinuierlichen und Hochgeschwindigkeitsprozess zu verformen. In einer Ausführungsform ist die vorliegende Technologie ein Prozess zum Walzprofilieren von hochfestem, kaltgewalztem Metallblech. Der Prozess umfasst kontinuierliches Zuführen von hochfestem, kaltgewalztem Metallblech zwischen Walzen an einer Walzprofilierungsproduktionslinie, Bereitstellen starker lokaler Wärme von einer Wärmequelle, die auf die Stelle gerichtet ist, die beim Eintritt in die Walzen anschließend gebogen wird, Erwärmen des kaltgewalzten Metallblechs auf eine Temperatur innerhalb des subkritischen Zweiphasentemperaturbereichs, um die Hochtemperaturphase zu erzeugen, Biegen des kaltgewalzten Metallblechs, und rasches Abschrecken des kaltgewalzten Metallblechs nach dem Biegen. Die rasche Abschreckung ermöglicht den Legierungen, die nachfolgende Ausscheidungshärtung aufweisen, wie Aluminium oder Magnesium, die Hochtemperaturphasenstruktur bei Raumtemperatur beizubehalten; die Hochtemperaturphase wird sich nach dem Abschrecken auf Raumtemperatur in andere Phasen mit höherer Festigkeit umwandeln, wie Restaustenit, Martensit und/oder Bainit, wie im Fall von Stählen.
  • In einer alternativen Ausführungsform offenbart die vorliegende Offenbarung einen Schweller für ein Automobil, der durch einen thermisch unterstützten Prozess geformt wird. Der Schweller wird geformt durch Erwärmen eines kaltgewalzten Metallblechs auf eine Temperatur innerhalb des subkritischen Zweiphasentemperaturbereichs des kaltgewalzten Metallblechs, Biegen des kaltgewalzten Metallblechs, um den Schweller zu formen, und rasches Abschrecken des kaltgewalzten Metallblechs nach dem Biegen.
  • In noch einer anderen alternativen Ausführungsform offenbart die vorliegende Offenbarung eine Stoßstange für ein Automobil, die durch einen thermisch unterstützen Prozess geformt wird. Die Stoßstange wird geformt durch Erwärmen eines kaltgewalzten Metallblechs auf eine Temperatur innerhalb des subkritischen Zweiphasentemperaturbereichs des kaltgewalzten Metallblechs und Biegen des kaltgewalzten Metallblechs, um die Stoßstange zu formen, und rasches Abschrecken des kaltgewalzten Metallblechs nach dem Biegen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Technologie sowie auch der Aufbau und die Wirkungsweise der verschiedenen Ausführungsformen der Technologie werden nachfolgend im Detail mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es sei angemerkt, dass die Technologie nicht auf die konkreten Ausführungsformen beschränkt ist, die hier beschrieben werden. Derartige Ausführungsformen werden hier nur zu Anschauungszwecken vorgestellt. Weitere Ausführungsformen werden für Fachleute auf dem betreffenden Gebiet beziehungsweise den betreffenden Gebieten aufgrund der hier beinhalteten Lehren offensichtlich sein.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beiliegenden Zeichnungen, die hier aufgenommen sind und einen Teil der Anmeldung bilden, veranschaulichen die vorliegende Technologie und dienen, zusammen mit der Beschreibung, ferner dazu, die Prinzipien der Technologie zu erklären und es einem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet beziehungsweise den betreffenden Gebieten zu ermöglichen, die Technologie herzustellen und zu benutzen.
  • 1 ist eine schematische Darstellung 100 für das Biegen eines Blechmaterials entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie.
  • 2 ist eine andere schematische Darstellung 200 für das Biegen eines Blechmaterials entsprechend einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Technologie.
  • 3 ist eine Darstellung 300 eines Biegewinkels.
  • 4 ist ein Ablaufdiagramm 400 für einen Prozess zum Biegen eines Blechmaterials entsprechend der vorliegenden Technologie.
  • 5 ist ein Aluminium-Kupfer-Phasendiagramm, das die Temperaturen zeigt, bis zu welchen die Ecke erwärmt werden kann, kurz bevor diese gebogen wird.
  • 6 ist ein Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm, das die Temperaturen zeigt, bis zu welchen die Ecke erwärmt werden kann, kurz bevor diese gebogen wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER TECHNOLOGIE
  • Obwohl die vorliegende Technologie hier mit veranschaulichenden Ausführungsformen für bestimmte Anwendungen beschrieben wird, versteht es sich, dass die Technologie nicht hierauf beschränkt ist. Fachleute mit Zugang zu den hier bereitgestellten Lehren werden weitere Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen im Rahmen derselben sowie weitere Gebiete erkennen, auf denen die Technologie von signifikanter Nützlichkeit wäre.
  • Die vorliegende Offenbarung offenbart ein thermisch unterstütztes Verfahren zum plastischen Verformen eines hochfesten Materials. Das hochfeste Material kann ein kaltgewalztes Metallblech sein, zum Beispiel Aluminium mit einer Festigkeit größer als 300 Megapascal (MPa), vorzugsweise größer als 500 MPa, oder Stahl mit einer Festigkeit größer als 1000 MPa, vorzugsweise größer als 1500 MPa. Das kaltgewalzte Metallblech wird kurz vor dem Biegen auf eine Temperatur innerhalb des subkritischen Zweiphasentemperaturbereichs lokal erwärmt und nach dem Biegen rasch abgeschreckt.
  • 1 ist eine schematische Darstellung 100 für das Walzprofilieren eines Blechmaterials entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie. Ein hochfestes, kaltgewalztes Metallblech 102 wird kontinuierlich durch zwei parallele Walzen 104, 106 an einer Walzprofilierungsproduktionslinie zugeführt. Dieses kaltgewalzte Metallblech 102 wird durch verschiedene Biegeschritte plastisch in eine gewünschte Form gebogen, wobei jeder Biegeschritt mit mehreren Walzformen durchgeführt wird. Das kaltgewalzte Metallblech 102 durchläuft zuerst zwei Walzformen 108, 110, wobei die Walzformen 108, 110 verschiedene Formen aufweisen. Das kaltgewalzte Blech 102 durchläuft dann einen anderen Satz von Walzformen 112, 114, welche die Ränder des kaltgewalzten Blechs 102 weiter biegen.
  • Mit Fortschreiten des Siegens neigt das hochfeste, kaltgewalzte Metallblech 102 zu Widerstand, so dass es schwieriger wird, das kaltgewalzte Metallblech 102 weiter zu biegen. Eine oder mehrere Hochintensitätslaserquellen 130 können in der Nähe und/oder kurz vor dem nächsten Satz von Walzformen 116, 118, 120 und 122 platziert werden. Der Laserstrahl von der Laserquelle 130 sorgt an einer Fläche, die gebogen werden soll, lokal für starke Wärme und erwärmt diese Fläche auf eine Temperatur innerhalb des subkritischen Zweiphasentemperaturbereichs.
  • Wegen der starken Erwärmung kann das kaltgewalzte Metallblech 102 mit einem Radius gebogen werden, der dem ein- bis zweifachen der Dicke des kaltgewalzten Metallblechs 102 entspricht. Dem Erwärmen folgt ein rasches Abschrecken nach den Walzformen. Das rasche Abschrecken kann durch eine Vielzahl von kalten Luftströmen 132 erfolgen und auch durch Abschrecken durch Kontakt. Das rasche Abschrecken vermeidet Ausscheidung oder jegliche Umwandlung in dem kaltgewalzten Metallblech 102. Nach dem Erwärmen und Abschrecken kann das Walzprofilieren mit einem anderen Satz von Walzformen 124, 126 und 128 fortfahren. Die rasche Abschreckung ermöglicht es den Legierungen, welche nachfolgend Ausscheidungshärtung aufweisen, wie Aluminium oder Magnesium, die Hochtemperaturphasenstruktur bei Raumtemperatur beizubehalten; die Hochtemperaturphase wird sich bei Erreichen der Raumtemperatur zu anderen Phasen mit höherer Festigkeit umwandeln, wie Restaustenit, Martensit, und/oder Bainit, wie im Fall von Stählen.
  • Die oben beschriebene Laserquelle 130 ist ein Beispiel für die Wärmequelle. Rasches Abschrecken wird nach dem Erwärmen und Biegen angewandt. Andere Beispiele für das Erwärmen können Induktions-, Flammen-, fokussierte Halogen- oder Hochintensitätsinfrarotquellen sein. Ein anderes mögliches Erwärmungsverfahren ist Widerstandserwärmung, bei der ein Strom von einem Walzwerkzeug, das in Kontakt mit einer Seite des Blechs steht, durch die Dicke des Blechs zu einer zweiten Walze fließen würde, die in Kontakt mit der anderen Seite des Blechs steht. Der Widerstand des Materials gegenüber dem elektrischen Stromfluss verursacht den Erwärmungseffekt. Das Erwärmen wird dann dazu verwendet, das Biegen des Blechmaterials zu unterstützen. Noch ein anderes mögliches lokales Erwärmungsverfahren für das Walzprofilieren von metallischen Materialien ist Konduktionserwärmung. Zum Beispiel kann der Satz der Walzen 116, 118, 120 und 122 durch (nicht gezeigte) externe Quellen erwärmt werden, so dass das Material durch Kontakt erwärmt und gebogen wird, wenn das Material durch diese Walzformen hindurchläuft. In allen Fällen wird nach dem Erwärmen und Biegen rasches Abschrecken angewendet.
  • 2 ist eine andere schematische Darstellung 200 für das Walzprofilieren eines Blechmaterials entsprechend einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Technologie. Bei dem in 2 dargestellten Walzprofilieren findet die Erwärmung aufgrund der Zweckmäßigkeit des Prozesses oder der gewünschten Geometrie von innen statt. Zum Beispiel kann das kaltgewalzte Metallblech 202 einige Öffnungen 204 aufweisen, die durch einen Stanzprozess hergestellt wurden. Eine Wärmequelle, vorzugsweise ein Laser, wird dazu verwendet, das kaltgewalzte Metallblech 202 kurz vor dem Biegen durch eine Vielzahl von Walzen 206 lokal zu erwärmen.
  • Wegen der Hochintensitätserwärmung entsprechend der vorliegenden Technologie kann das kaltgewalzte Metallblech mit einem kleinen Radius gebogen werden, der dem ein- bis dreifachen der Dicke des Materials entspricht. 3 ist eine Darstellung 300 eines Biegewinkels. Das kaltgewalzte Metallblech 304 wird durch eine auf die Biegefläche 302 gerichtete Wärmequelle, vorzugsweise einen Laser, erwärmt, kurz bevor das Biegen beginnt. Aufgrund der Elastizität des kaltgewalzten Metallblechs während des Biegens neigt das kaltgewalzte Metallblech 304 nach dem Biegen dazu, zurückzufedern. Daher ist der resultierende Radius Rf 308 größer als der Biegeradius Ri 306, der durch die Werkzeugbestückung vorgegeben wird. Durch die Verwendung von starkem Lasererwärmen mit der vorliegenden Technologie kann die Rückfederbewegung des kaltgewalzten Blechmaterials im Wesentlichen eliminiert werden, da das Rückfedern mit der Festigkeit zusammenhängt und die Festigkeit während des Biegens bei Temperatur stark reduziert ist. Das Resultat ist, dass der finale Radius Rf 308 so gut wie gleich zu dem ist, was von dem Werkzeug vorgegeben wird, ohne dass irgendeine Nachbearbeitung nötig ist. Der resultierende Radius Rf 308 kann mit der vorliegenden Technologie zwischen dem ein- bis dreifachen der Dicke h 310 des kaltgewalzten Metallblechs 304 liegen.
  • 4 ist ein Ablaufdiagramm 400 für einen Metallumformprozess entsprechend der vorliegenden Technologie. Das kaltgewalzte Metallblech wird der Produktionslinie zugeführt, Schritt 402, und, wenn sich das kaltgewalzte Metallblech dem Biegepunkt nähert, erwärmt eine Wärmequelle, vorzugsweise ein Laser, das Metallblech auf eine Lösungsglüh- oder Austenittemperatur, Schritt 404. Das kaltgewalzte Metallblech wird gebogen, Schritt 406, und dann einem raschen Abschrecken unterzogen, Schritt 408. Das Abschrecken kann durch Kontakt mit den Walzwerkzeugen, Eigenabschreckung durch die Masse des kaltgewalzten Metallblechs, Luftströmung, Gasströmung, oder einer Kombination dieser Abschreckverfahren erfolgen. Ein zusätzlicher Lackeinbrennzyklus, Schritt 410, kann für ein Härten des abgeschreckten Materials durch Ausscheidung hinzugefügt werden, bevor der Prozess endet, Schritt 412.
  • 5 ist ein Aluminium-Kupfer-Phasendiagramm 500, das die kritische Temperaturlinie 502 als Funktion des Kupferanteils und einen subkritischen Zweiphasentemperaturbereich 504 zeigt. 6 ist ein Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm 600, das die kritische Temperaturlinie 602 als Funktion des Kohlenstoffanteils und einen subkritischen Zweiphasentemperaturbereich 604 zeigt.
  • Der thermisch unterstütze Umformprozess der vorliegenden Technologie ist insbesondere in der Automobilindustrie anwendbar. Zum Beispiel kann die Herstellung von Schwellern für Automobile durch Vorerwärmen der Legierung vor dem Biegen verbessert werden. Die Festigkeit des Schwellers kann von 1,5 GPa auf 2 GPa verbessert werden. Die Stoßstangenkonstruktion kann mit der vorliegenden Technologie ebenfalls verbessert werden. Der Radius der Ecke einer Stoßstange entspricht annähernd dem 4-fachen der Dicke und der thermisch unterstützte Umformprozess kann den Radius auf annähernd das 2-fache der Dicke verringern, ohne an Festigkeit zu verlieren. Wegen der Erhöhung der Festigkeit, die vom kaltgewalzten Material erhalten wird, und weil der gebogene Bereich durch rasche Abkühlung gehärtet werden kann, wird es möglich, das Stoßstangenmaterial von Stahl zu Aluminium zu wechseln, wodurch die Stoßstange leichter wird und ebenso Kosten reduziert werden.
  • Der oben beschriebene Prozess ermöglicht die Produktion eines konstanten Querschnitts für Automobilstoßstangen oder andere strukturelle Teile. Der enge Radius der Biegeecke verringert das Packvolumen der finalen Produkte. Dieses Verfahren erlaubt die Verwendung von günstigen kaltgewalzten Blechen mit niederen Legierungen in der Produktion dieser Teile. Dieses Verfahren kann auch die Anzahl der benötigten Walzen reduzieren und somit die Länge der Gesamtstrecke der Produktionsanlage verringern.
  • Obwohl die vorliegende Beschreibung Laser als Wärmequelle verwendet, versteht es sich, dass andere Arten von Wärmequellen, wie Induktion, Infrarotlicht, Widerstandserwärmung, ebenso verwendet werden können. Die Merkmale, die in den verschiedenen in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Ausführungsformen beschrieben sind, können kombiniert werden.
  • Es versteht sich, dass der ausführliche Beschreibungsteil und nicht der Kurzfassungs- und Zusammenfassungsteil dazu bestimmt sind, dazu verwendet zu werden, die Ansprüche auszulegen. Der Kurzfassungs- und Zusammenfassungsteil können vielleicht eine oder mehrere, aber nicht alle beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Technologie, wie sie von dem/den Erfinder(n) in Betracht gezogen wurden, darlegen und sind daher nicht dazu bestimmt die vorliegende Technologie und die beigefügten Ansprüche in irgendeiner Weise zu beschränken.

Claims (10)

  1. Prozess zum Walzprofilieren von hochfestem, kaltgewalztem Metallblech (102, 202, 304), umfassend: kontinuierliches Zuführen von hochfestem, kaltgewalztem Metallblech (102, 202, 304) zwischen Walzen (104, 106, 116, 118, 120, 122, 206) an einer Walzprofilierungsproduktionslinie; lokales Bereitstellen starker Wärme von einer Wärmequelle vor dem Biegen des hochfesten, kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304); Erwärmen, mit starker Wärme, des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) auf eine Temperatur innerhalb eines subkritischen Zweiphasentemperaturbereichs (504, 604) des hochfesten, kaltgewalzten Metallblechs; Biegen des hochfesten, kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304); und rasches Abschrecken des hochfesten, kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) nach dem Biegen, damit das kaltgewalzte Metallblech (102, 202, 304) eine Hochtemperaturphasenstruktur bei Raumtemperatur beibehält.
  2. Prozess nach Anspruch 1, wobei das hochfeste, kaltgewalzte Metallblech (102, 202, 304) Stahl ist, welcher eine Festigkeit von mindestens 1000 Megapascal aufweist.
  3. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Abschrecken zu der Bildung von Martensit in dem kaltgewalzten Metallblech (102, 202, 304) führt.
  4. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Abschrecken zu der Bildung von Bainit in dem kaltgewalzten Metallblech (102, 202, 304) führt.
  5. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Abschrecken zu der Bildung von Restaustenit in dem kaltgewalzten Metallblech (102, 202, 304) führt.
  6. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Biegen des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) ferner das Biegen des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) mit einem Radius von weniger als einem Dreifachen einer Dicke des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) umfasst.
  7. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Biegen des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) ferner das Biegen des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) mit einem Radius umfasst, der annähernd einer Dicke des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) entspricht.
  8. Schweller für ein Automobil, der durch einen thermisch unterstützten Prozess geformt ist, welcher umfasst: Erwärmen eines kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) auf eine Temperatur innerhalb eines subkritischen Zweiphasentemperaturbereichs (504, 604) des kaltgewalzten Metallblechs; Biegen des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304), um den Schweller zu formen; und rasches Abschrecken des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) nach dem Biegen.
  9. Schweller nach Anspruch 8, wobei das Biegen des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) ferner das Biegen des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) mit einem Radius umfasst, der annähernd dem Zweifachen einer Dicke des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) entspricht.
  10. Stoßstange für ein Automobil, die durch einen thermisch unterstützten Prozess geformt ist, welcher umfasst: Erwärmen eines kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) auf eine Temperatur innerhalb eines subkritischen Zweiphasentemperaturbereichs (504, 604) des kaltgewalzten Metallblechs; Biegen des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304), um die Stoßstange zu formen; und rasches Abschrecken des kaltgewalzten Metallblechs (102, 202, 304) nach dem Biegen.
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