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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Fahrzeugbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils für ein Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeugbauteil.
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Aus der
DE 10 2009 040 935 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem zunächst zwei Einzelteile durch einen Kaltumformvorgang jeweils separat voneinander in eine geometrische Vorform gebracht werden. Die vorgeformten Einzelteile werden danach mittels eines stoffschlüssigen thermischen Fügeverfahrens miteinander verbunden, so dass ein Halbzeug ausgebildet wird. Das Halbzeug wird anschließend als ein ganzes Bauteil warmumgeformt, wobei das warmumgeformte Halbzeug mittels eines Kühlmediums abgeschreckt wird. An den Abschreckvorgang kann sich ein Anlassvorgang anschließen. Die Warmumformung stellt einen Hauptumformungsschritt dar, bei welchem das Fertigbauteil, das heißt das Bauteil, welches die gewünschte Endform hat, ausgebildet wird. Nach dem Hauptumformungsschritt kann das Fertigbauteil noch einer mechanischen Bearbeitung zum Einbringen von Öffnungen, Aussparungen und/oder Bohrungen unterzogen werden.
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Durch die Warmumformung, den Abschreckvorgang und den Anlassvorgang werden für die Herstellung eines Bauteils große Energiemengen benötigt. Zudem muss das Halbzeug zu den einzelnen Fertigungsstationen transportiert werden, bei welchen die Warmumformung, der Abschreckvorgang und der Anlassvorgang durchgeführt werden, da jeder dieser Verfahrensschritte nur in gesondert dafür ausgebildeten Fertigungsstationen durchgeführt werden kann. Das Verfahren ist damit aufwendig sowie kosten- und zeitintensiv.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Fahrzeugbauteils sowie ein Fahrzeugbauteil an sich zur Verfügung zu stellen, bei welchen der Aufwand und die Kosten für die Herstellung des Fahrzeugbauteils reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Halbzeug in ein Werkzeug eingelegt wird und das in das Werkzeug eingelegte Halbzeug in einem Hauptumformungsschritt zu einem Fertigbauteil kaltumgeformt wird, wobei der Hauptumformungsschritt mittels eines Hydroumformverfahrens durchgeführt wird.
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Die Herstellung eines Fahrzeugbauteils bzw. eines Kraftfahrzeugbauteils erfolgt hierbei im Wesentlichen durch ein Kaltumformen eines Halbzeuges, indem bei dem Hauptumformungsschritt, durch welchen das Fertigbauteil, welches die gewünschte Endkontur aufweist, ausgebildet wird, das Halbzeug bei Raumtemperatur umgeformt wird und dabei die gewünschte Formgebung bzw. Kontur erhält. Unter Kaltumformen ist damit ein Umformen des Halbzeuges bei einer Temperatur von deutlich unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffes des Halbzeuges zu verstehen. Dadurch, dass der Hauptumformungsschritt mittels eines Kaltumformenes des Halbzeuges durchgeführt wird, kann der Energieaufwand für die Fertigung des Fahrzeugbauteils gegenüber einem Warmumformen wesentlich reduziert werden. Die Kosten und der Aufwand für die Herstellung eines Fahrzeugbauteils können dadurch wesentlich reduziert werden. Das Kaltumformen erfolgt durch ein Hydroumformverfahren, bei welchem das Halbzeug mittels eines fluiden Wirkmediums, wie beispielsweise einem Wasser-Öl-Gemisch, umgeformt wird. Die Umformung erfolgt dabei in einem geschlossenen Werkzeug, in welches das fluide Wirkmedium mit einem erhöhten Druck eingebracht wird und auf das Halbzeug einwirkt. Das Hydroumformverfahren kann in Form eines Innenhochdruckumformens und/oder eines Außenhochdruckumformens durchgeführt werden. Durch die Verwendung eines Hydroumformverfahrens für den Hauptumformungsschritt kann eine besonders hohe Genauigkeit bei der Ausbildung der Kontur des Fertigbauteils erreicht werden, so dass eine hohe Maßhaltigkeit bei dem Fertigbauteil und damit bei dem hergestellten Fahrzeugbauteil erreicht werden kann. Mittels der Verwendung des Hydoumformverfahrens kann somit ein Höchstmaß an Bauteilintegration erreicht werden.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Halbzeug vor dem Hauptumformungsschritt in einem Vorumformungsschritt vorumgeformt wird. Durch einen zusätzlichen Vorumformungsschritt kann der Hauptumformungsschritt zeitlich verkürzt werden, wodurch auch die für den Hauptumformungsschritt aufzubringende Energie reduziert werden kann. Zudem kann durch den zusätzlichen Vorumformungsschritt das bei dem Hauptumformungsschritt notwendige Hydraulik-Volumen zum Umformen des Halbzeuges reduziert werden.
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Der Vorumformungsschritt und der Hauptumformungsschritt können besonders bevorzugt in ein und demselben Werkzeug durchgeführt werden. Das Halbzeug muss somit zwischen dem Vorumformungsschritt und dem Hauptumformungsschritt nicht von einer Fertigungsstation zu einer anderen Fertigungsstation transportiert werden, sondern verbleibt in ein und derselben Fertigungsstation, wodurch die Taktzeiten bei der Herstellung des Fahrzeugbauteils deutlich verkürzt werden können und der Aufwand bei der Herstellung des Fahrzeugbauteils wesentlich reduziert werden kann. Durch die Verwendung nur eines Werkzeuges können auch die Kosten für das Werkzeug deutlich reduziert werden. Erfolgt der Vorumformungsschritt und der Hauptumformungsschritt in ein und demselben Werkzeug, kann der Vorumformungsschritt beispielsweise bereits durch ein Schließen des Werkzeuges erfolgen, indem beispielsweise ein an einer Werkzeugoberseite angeordneter Stempel gegen das Halbzeug drückt und dieses damit in Richtung einer Werkzeugunterseite vorumformt.
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Die Vorumformung kann beispielsweise mittels eines Tiefziehverfahrens durchgeführt werden, bei welchem mechanisch mittels eines Stempels das Halbzeug vorumgeformt wird.
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Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass für das Verfahren ein Halbzeug aus mindestens einer austenitischen Stahllegierung verwendet wird. Die austenitische Stahllegierung ist vorzugsweise hochmanganhaltig. Es hat sich gezeigt, dass sich ein Halbzeug aus einer austenitische Stahllegierung durch eine hohe Plastizität und Festigkeit auszeichnet. Durch die äußere Spannungseinwirkung während der Kaltumformung einer derartigen austenitischen Stahllegierung wird insbesondere eine verformungsinduzierte Zwillingsbildung im gleitverfestigten Austenit ausgelöst. Diese induzierten Scherdeformationen im Austenit verursachen einen starken Anstieg der Festigkeit bei gleichzeitig geringen Dehnbarkeitseinbußen bevorzugt in Beanspruchungsrichtung. Entsprechend weisen derartig kaltumgeformte austenitische Stahllegierungen auch bei hoher Festigkeit noch ein relativ hohes Energieabsorptionsvermögen auf. In einem Halbzeug aus einer austenitischen Stahllegierung können sich somit während der Verformung Verformungszwillinge bilden. Damit einher geht eine Festigkeitserhöhung bei geringer Plastizitätsabnahme. Hochfeste austenitische Stahllegierungen können in einem Tiefziehverfahren stark zurückfedern. Durch einen zweistufigen Umformprozess, wenn sowohl ein Hauptumformungsschritt als auch ein Vorumformungsschritt erfolgt, kann eine Überlagerung der spezifischen prozessbedingten Kraftverläufe erfolgen. So kann beispielsweise ein Halbzeug beim Vorumformungsschritt, insbesondere einem Tiefziehen, in einem seiner Bereiche, wie beispielsweise seinem Flansch, maximal und einem anderen Bereich, wie beispielsweise seinem Boden, minimal umgeformt werden, während sich beim Hauptumformungsschritt, dem Hydroumformen, ebendiese Verformungsgradverteilung umkehren kann. Ein Halbzeug aus lediglich einer austenitischen Stahllegierung kann damit je nach Konstruktion Bereiche unterschiedlicher Festigkeitsgrade und unterschiedlicher Dehnbarkeiten aufweisen.
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Als austenitische Stahllegierung kann beispielsweise eine Eisen-Mangan-Stahllegierung und/oder eine Chrom-Mangan-Stahllegierung verwendet werden. Weiter können beispielsweise auch HSD-Stahllegierungen und/oder H500–H1000-Stahllegierungen verwendet werden.
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Das Halbzeug, welches in das Werkzeug eingelegt wird, kann bevorzugt aus einem einzigen Teil ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass das Halbzeug vor dem Einlegen in das Werkzeug aus zwei oder mehr Einzelteilen zusammengesetzt worden ist, indem die Einzelteile zu einem Halbzeug verbunden worden sind. Das Verbinden der Einzelteile kann mittels eines stoffschlüssigen thermischen Fügeverfahrens, vorzugsweise durch Punktschweißen oder Laserschweißen, erfolgen.
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Eine Endfestigkeit des Fertigbauteils kann vorzugsweise in Abhängigkeit eines Umformungsgrades während des Hauptumformungsschrittes und/oder während des Vorumformungsschrittes eingestellt werden. Desto größer der Umformungsgrad des Halbzeuges ist, desto höher kann die Endfestigkeit des Fertigbauteils ausgebildet werden. Die Endfestigkeit des Fertigbauteils kann somit individuell an die Anforderungen bei dem späteren Einsatz des Fertigbauteils in Form eines Fahrzeugbauteils angepasst werden, wobei diese Anpassung durch die Stärke der Umformung während des Hauptumformungsschrittes und/oder während des Vorformungsschrittes erfolgen kann. Entsprechend einer verformungsabhängigen Konstruktion können so an einem Bauteil die gewünschten Bereiche optimaler Festigkeiten in einem Prozessschritt eingestellt werden, ohne dass verschiedene Materialien oder Zusatzprozesse zum Einsatz kommen.
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Weiter ist es möglich, dass innerhalb des Fertigbauteils Bereiche mit unterschiedlichen Festigkeitsgraden durch unterschiedliche Umformungsgrade während des Hauptumformungsschrittes und/oder des Vorumformungsschrittes eingestellt werden. Während der Umformung des Halbzeuges beim Hauptumformungsschritt und/oder beim Vorumformungsschritt können damit durch unterschiedliche Umformungsgrade über den Querschnitt des Halbzeuges verteilt in dem Fertigbauteil Bereiche mit unterschiedlichen Festigkeitsgraden ausgebildet werden. Durch unterschiedliche Umformungsgrade können damit während der Formung des Halbzeuges zu dem Fertigbauteil Bereiche mit höherer Festigkeit und Bereiche mit niedrigerer Festigkeit in dem Fertigbauteil ausgebildet werden. Damit können in dem Fertigbauteil gezielt Festigkeitsbereiche mit den gewünschten, vorher festgelegten Festigkeitswerten eingestellt werden. Auch die Dicke des Fertigbauteils kann durch die Höhe des Umformungsgrades des Halbzeuges während des Hauptumformungsschrittes und/oder des Vorumformungsschrittes eingestellt werden. Der Freiheitsgrad bei einer Konstruktion komplexer Bauteile kann dadurch erhöht werden. Zudem kann durch die Möglichkeit der gezielten Einstellung der Dicke des Fertigbauteils das Gewicht des Fertigbauteils und damit des Fahrzeugbauteils reduziert werden.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe erfolgt ferner mittels eines Fahrzeugbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils für eine Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges, welches mittels eines wie vorstehend beschriebenen, aus- und weitergebildeten Verfahrens hergestellt ist. Das Fahrzeugbauteil kann beispielsweise eine A-, B-, oder C-Säule eines Fahrzeuges sein. Ferner kann das Fahrzeugbauteil auch ein Anbauteil eines Karosseriebauteils sein. Aber auch andere Fahrzeugbauteile, wie beispielsweise ein Batteriegehäuse, können mit einem derartigen Verfahren hergestellt sein.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ablaufschemas für ein Verfahren zum Herstellen eines Fahrzeugbauteils gemäß der Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung eines Vorumformungsschrittes gemäß des in 1 gezeigten Verfahrens,
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3 eine schematische Darstellung eines Hauptumformungsschrittes gemäß des in 1 gezeigten Verfahrens, und
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4 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugbauteils hergestellt mit einem wie in 1 gezeigten Verfahren.
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In 1 ist ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch gezeigt. Hierbei wird zunächst aus zwei Einzelteilen 10, 10‘ ein Halbzeug 11 ausgebildet. Die Einzelteile 10, 10‘ werden dafür beispielsweise mittels eines thermischen Fügeverfahrens, vorzugsweise durch Punktschweißen oder Laserschweißen, miteinander verbunden. Dieser Fügeverfahrensschritt ist durch den Pfeil 12 dargestellt. Die Einzelteile 10, 10‘ können aus unterschiedlichen austenitischen Stahllegierungen ausgebildet sein, so dass ein aus derartigen Einzelteilen 10, 10‘ zusammengefügtes Halbzeug 11 bereits durch die unterschiedlichen austenitischen Stahllegierungen unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann. Die Einzelteile 10, 10‘ werden vorzugsweise nicht vorumgeformt, so dass das Halbzeug 11 ebenfalls nicht vorumgeformt ist, sondern beispielsweise plattenförmig ausgebildet sein kann.
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Das Halbzeug 11 wird anschließend in ein Werkzeug 13 eingelegt, wie es in 2 und 3 schematisch angedeutet ist. In diesem Werkzeug 13 findet eine Umformung des Halbzeuges 11 statt. Dabei kann das Halbzeug 11 zunächst in einem Vorumformungsschritt, welcher in 1 mit dem Pfeil 14 angedeutet ist, vorumgeformt werden, so dass ein vorumgeformtes Halbzeug 15 ausgebildet wird. Bei dem Vorumformungsschritt 14 wird das Halbzeug 11 vorzugsweise kaltumgeformt, wobei die Vorumformung durch ein Tiefziehverfahren erfolgen kann.
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Nach dem Vorumformungsschritt 14 verbleibt das vorumgeformte Halbzeug 15 in dem Werkzeug 13 und es schließt sich unmittelbar der Hauptumformungsschritt, angedeutet mit dem Pfeil 16, an. Der Hauptumformungsschritt 16 erfolgt somit in ein und demselben Werkzeug 13 wie der Vorumformungsschritt 14. Bei dem Hauptumformungsschritt 16 erfolgt die Formgebung des Halbzeuges 15 hin zu dem Fertigbauteil 17, welches das herzustellende Fahrzeugbauteil darstellt. Nach dem Hauptumformungsschritt 16 erfolgt somit vorzugsweise kein weiterer Umformungsschritt. Das Fertigbauteil 17 kann jedoch noch mechanisch nachbearbeitet werden, um beispielsweise Öffnungen, Aussparungen und/oder Bohrungen in das Fertigbauteil 17 einzubringen.
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Bei dem Hauptumformungsschritt 16 wird das Halbzeug 15 ebenfalls kaltumgeformt, so dass sowohl bei dem Hauptumformungsschritt 16 als auch bei dem Vorumformungsschritt 14 das Halbzeug 11, 15 nicht erwärmt werden muss, sondern die Formung bei Raumtemperatur erfolgen kann. Bei dem Hauptumformungsschritt 16 wird ein Hydroumformverfahren eingesetzt, bei welchem das Halbzeug 15 mittels eines Wirkmediums, wie beispielsweise einem Wasser-Öl-Gemisch, durch Aufbringen eines hohen Druckes umgeformt wird.
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Das in 1 gezeigte Verfahren kann auch ohne einen Vorumformungsschritt 14 durchgeführt werden, so dass dann das Halbzeug 11 unmittelbar in einem Hauptumformungsschritt 16 zu dem Fertigbauteil 17 umgeformt wird, wie mit dem Pfeil 24 angedeutet ist.
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Weiter kann es auch sein, dass das Halbzeug 11 nicht aus zwei oder mehr Einzelteilen 10, 10‘ zusammengesetzt wird, sondern dass das Halbzeug 11 aus einem Stück gefertigt ist und damit einteilig ausgebildet ist.
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In 2 ist ein Vorumformungsschritt 14 des Halbzeuges 11 hin zu einem vorumgeformten Halbzeug 15 schematisch dargestellt. Das Halbzeug 11, welches beispielsweise die Form eines Bandes oder einer Platte aufweist, wird für die Vorumformung in das Werkzeug 13 eingelegt. Das Werkzeug 13 weist hier einen Stempel 18 auf, welcher an einer Werkzeugoberseite 19 angeformt sein kann oder aber der Stempel 18 wird durch die Werkzeugoberseite 19 selber ausgebildet. Beim Schließen des Werkzeuges 13, indem die Werkzeugoberseite 19 in Richtung der Werkzeugunterseite 20 bewegt wird, fährt der Stempel 18 gegen das Halbzeug 11, so dass damit eine mechanische Umformung des Halbzeuges 11 hin zu dem vorumgeformten Halbzeug 15 stattfindet, wie auf der rechten Seite in 2 zu erkennen ist.
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Ist das Werkzeug 13 geschlossen, erfolgt der Hauptumformungsschritt 16, welcher in 3 gezeigt ist. In das Werkzeug 13, in welchem zuvor der Vorumformungsschritt 14 durchgeführt wurde, wird dann ein Wirkmedium mit einem hohen Druck eingebracht, so dass mittels des unter hohem Druck stehenden Wirkmediums das Halbzeug 15 weiter kaltumgeformt wird, bis das Halbzeug 15 und damit das Fertigbauteil 17 an der Innenfläche der Werkzeugunterseite 20 flächig anliegt und dadurch die Endkontur des Fertigbauteils 17 ausgebildet ist.
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Das Halbzeug 11, 15 und damit auch das Fertigbauteil 17 ist vorzugsweise aus einer oder mehreren austenitischen Stahllegierungen, insbesondere austenitischen Stahlgusslegierungen ausgebildet. Bei der Kaltumformung während des Vorumformungsschrittes 14 und/oder des Hauptumformungsschrittes 16 können durch eine gezielte Verfestigung des austenitischen Gefüges der Stahllegierungen unterschiedliche Festigkeitsbereiche in dem Halbzeug 11, 15 und dem Fertigbauteil 17 ausgebildet werden. Die Stärke der Verfestigung des austenitischen Gefüges der Stahllegierungen in dem Halbzeug 11, 15 und dem Fertigbauteil 17 können durch gezielte, aufeinander abgestimmte unterschiedliche Umformungsgrade während des Vorumformungsschrittes 14 und/oder des Hauptumformungsschrittes 16 eingestellt werden.
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4 zeigt ein Fertigbauteil 17 in Form eines Fahrzeugbauteils, welches hier eine B-Säule für die Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges ist. Das in 4 gezeigte Fertigbauteil 17 ist mittels des in 1–3 gezeigten Verfahrens hergestellt. Das Fertigbauteil 17, welches aus einer oder mehreren austenitischen Stahllegierungen, insbesondere einer oder mehreren austenitischen Stahlgusslegierungen ausgebildet ist, weist hier drei verschiedene Festigkeitsbereiche auf, indem an dem oberen Teil des Fertigbauteils 17 ein Bereich 21 mit einer hohen Festigkeit und an dem unteren Teil des Fertigbauteils 17 ein Bereich 22 mit einer niedrigeren Festigkeit ausgebildet ist. Zwischen den beiden Bereichen 21, 22 ist ein Bereich 23 in Form eines Übergangsbereichs ausgebildet, dessen Festigkeit zwischen der Festigkeit des Bereiches 21 und des Bereiches 22 liegt.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausgestaltungen. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von den dargestellten Lösungen auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile einschließlich konstruktiven Einzelheiten räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10‘
- Einzelteil
- 11
- Halbzeug
- 12
- Fügeverfahrensschritt
- 13
- Werkzeug
- 14
- Vorumformungsschritt
- 15
- Halbzeug
- 16
- Hauptumformungsschritt
- 17
- Fertigbauteil
- 18
- Stempel
- 19
- Werkzeugoberseite
- 20
- Werkzeugunterseite
- 21
- Bereich mit hoher Festigkeit
- 22
- Bereich mit niedrigerer Festigkeit
- 23
- Bereich mit einer mittleren Festigkeit
- 24
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009040935 B4 [0002]
