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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechbauteiles.
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Im Kraftfahrzeugbereich geht weniger Gewicht mit weniger Kraftstoffverbrauch und weniger Emissionen einher. Demzufolge durchzieht Leichtbau nahezu alle Entwicklungsprojekte im Automobilbereich, vor allem diejenigen, die die Karosserie oder das Fahrwerk betreffen. Pressgehärtete Blechbauteile leisten hier einen entscheidenden Beitrag, die Leichtbaubestrebungen der Automobilindustrie großserientechnisch umzusetzen.
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Bei dem in der Blechumformung etablierten Presshärten wird üblicherweise ein höchstfester Stahl, wie 22MnB5, als Blech zur Platine geschnitten und in einem Ofen, vornehmlich einem Rollenherdofen, auf ca. 950°C erwärmt, sodass sich ein austenitisches Gefüge einstellt. Die erwärmte Platine wird anschließend in ein formgebendes Werkzeug eingelegt und umgeformt. Gleichzeitig erfolgt die Abkühlung und somit Härtung des Blechbauteiles. Das pressgehärtete (d. h. gleichzeitig warmumgeformte und gehärtete) Blechbauteil wird anschließend aus dem Werkzeug entnommen und beschnitten.
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Die in die Umformung integrierte Wärmebehandlung erzeugt ein martensitisches Gefüge, sodass die pressgehärteten Bauteile sehr hohe Zugfestigkeiten von bis zu 1800 MPa aufweisen und als crashrelevante Strukturbauteile (wie z. B. als A- und B-Säulenverstärkungen, als Stoßfänger, als Schweller oder auch im Antriebsstrang) eingesetzt werden können.
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Eine grundsätzliche Problematik beim Presshärten besteht jedoch darin, dass für jede qBauteilgeometrie ein eigenes spezielles Warmumform- und Abkühlwerkzeug (Presshärtewerkzeug) gefertigt werden muss, was mit erheblichen finanziellen Aufwendungen verbunden ist. Im Großserienbereich mit hohen Stückzahlen amortisieren sich diese hohen Werkzeugkosten aufgrund der Taktzeitreduzierung durch die geringeren Stückkosten. So eignet sich das Presshärten in der Regel für mittelgroße und große Stückzahlen.
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Hingegen stellen bei Blechbauteilen, die in kleinen und mittleren Stückzahlen hergestellt werden sollen, die Kosten für die Herstellung und Instandhaltung der Presshärtewerkzeuge den dominierenden Kostenfaktor dar und können dazu führen, dass eine wirtschaftliche Fertigung des jeweiligen Blechbauteiles durch Presshärten nicht mehr möglich ist. Es ist zu erwarten, dass sich die vorgeschilderten Wirtschaftlichkeitsnachteile des Presshärtens angesichts der globalen Tendenz im Automobilbau hin zu einer immer größer werdenden Anzahl an Fahrzeugvarianten und Derivaten und somit hin zu immer kleiner werdenden Stückzahlen der eingesetzten Bauteile pro Fahrzeugtyp in Zukunft sogar noch stärker auswirken werden.
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Vor dem Hintergrund zunehmender Modellvielfalt und sinkender Stückzahlen besteht daher ein dringlicher Bedarf an neuen, flexiblen und wirtschaftlichen Fertigungsmethoden. Derzeitige Fertigungskonzepte zum Presshärten von Blechbauteilen können diesen Bedarf jedoch nicht abdecken, da sie gegenüber der mit hohem Investitionsaufwand und hohen Rüstzeiten einhergehenden Verwendung von Presshärtewerkzeugen keine tragfähige Alternative anbieten.
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Im Bereich der Herstellung von Blechbauteilen in kleiner und mittlerer Stückzahl werden daher die wirtschaftlichen Nachteile konventioneller Presshärteverfahren entweder hingenommen oder die Blechbauteile werden nicht mittels Presshärtens, sondern bspw. durch die Verwendung höchstfester, kaltumformbarer Blechwerkstoffe hergestellt. Im letztgenannten Fall wird der Vorteil geringerer Werkzeugkosten allerdings durch die höheren Kosten für den Blechwerkstoff weitgehend zunichte gemacht, sodass diese Gegenstrategie nur eingeschränkt anwendbar ist.
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Aus dem Bereich der Innenhochdruck-Umformung (IHU) ist ein Verfahren bekannt (siehe
DE 602 20 618 T2 ), bei dem ein rohrförmiges Werkstück in eine formgebende Abschreckvorrichtung eingelegt wird, welche aus einzelnen Blechsegmenten besteht. Dadurch wird keine vollflächige Anlage des Werkstückes, jedoch eine Formgebung ermöglicht. Durch die Freiräume zwischen den Blechsegmenten wird nach der Umformung ein Kühlmedium auf das Werkstück aufgebracht, welches der Abkühlung des Werkstückes und ggf. der Härtung dient. Dieses Verfahren ist jedoch zum einen auf das enge Anwendungsfeld der Herstellung blasgeformter Gehäuse beschränkt und zum anderen bedingt durch die komplexe, segmentierte Bauweise der verwendeten Abschreckvorrichtung ebenfalls nicht für die wirtschaftliche Kleinserienfertigung geeignet.
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Gemäß dem in
DE 698 03 588 T2 beschriebenen Verfahren wird ein austenitisiertes Halbzeug in ein IHU-Werkzeug eingelegt und dort mittels eines gasförmigen Wirkmediums zu einem hohlen Gehäuseblock umgeformt. Nach der Umformung wird der noch im Werkzeug befindliche Gehäuseblock sowohl auf der Außenseite als auch der Innenseite rasch abgekühlt (abgeschreckt). Dieses Abschrecken findet dadurch statt, dass das IHU-Wirkmedium über eine Auslassleitung abgeführt und über ein Einlassleitung durch ein kühlendes gasförmiges Medium, vorzugsweise Luft, ersetzt wird. Neben der ebenfalls auf Hohlprodukte beschränkten Anwendung erfordert diese Lösung eine aufwendige Steuerungstechnik, um die Strömung durch die Ein- und Auslassleitungen schnell und präzise zu steuern, wodurch erhebliche Mehrkosten entstehen, die die bei kleinen Stückzahlen nicht tragbar sind.
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In Anbetracht der vorgenannten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik hat es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechbauteiles anzugeben, mit dem sich die hohe Qualität bekannter pressgehärteter Blechbauteile bei deutlich reduzierten Werkzeugkosten erreichen lässt.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechbauteiles, umfassend die aufeinander folgenden Verfahrensschritte:
- a) Beschneiden und/oder Kaltumformen und/oder Fügen eines Ausgangsblechmateriales zu einem Blechwerkstück mit einer Formgestaltung, die im Wesentlichen bereits jener des herzustellenden Blechbauteiles entspricht,
- b) zumindest partielles Erwärmen des Blechwerkstückes auf eine Austenitisierungstemperatur,
- c) Einlegen und Einspannen des erwärmten Blechwerkstückes in eine modulare Spannvorrichtung und
- d) zumindest partielles, verzugsminimiertes Härten des erwärmten Blechwerkstückes durch ein definiertes Abkühlen unter Aufrechterhaltung der Einspannung.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Herstellung der Bauteilgeometrie in einem ersten Verfahrensschritt a) durch das Beschneiden und/oder Kaltumformen und/oder Fügen eines Ausgangblechmateriales. Im Gegensatz zu einem konventionellen Presshärteverfahren kann dabei auf die Verwendung eines komplexen, bauteilspezifischen Warmumform- und Abkühlwerkzeuges (Presshärtewerkzeuges) verzichtet und stattdessen weitgehend auf flexible (d. h. geometrisch möglichst universelle) Schneid- und/oder Kaltumform- und/oder Fügewerkzeuge zurückgegriffen werden. Gleichzeitig wird aber durch die anschließenden Verfahrensschritte b), c) und d) sichergestellt, dass die Vorteile konventionell pressgehärteter Bauteile, nämlich ihre hohe Festigkeit bei verhältnismäßig geringer Masse, auch bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Blechbauteilen vorliegen.
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Im Ergebnis entfallen beim erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber einem konventionellen Presshärteverfahren zwar deutlich geringere Werkzeugkosten auf das einzelne Blechbauteil. Jedoch wird im erfindungsgemäßen Verfahren, bedingt durch die Verlängerung der Prozesskette (insbesondere bedingt durch die Trennung von Umform- und Härteprozess), auch eine längere Herstellzeit für das einzelne Blechbauteil benötigt als beim gewöhnlichen Presshärten. Bei kleinen und mittleren Stückzahlen übertrifft aber die durch den Wegfall des komplexen Presshärtewerkzeuges pro Bauteil erzielte Kostenersparnis bei Weitem die durch die Takzeitverlängerung pro Bauteil verursachten Zusatzkosten. Infolgedessen kann die Herstellung gehärteter Blechbauteile (insbesondere für crashrelevante Strukturbauteile und Fahrwerksteile von Kraftfahrzeugen) auch bei kleinen Stückzahlen wirtschaftlich bzw. wirtschaftlicher als bisher gestaltet werden.
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Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren durch die Verwendung zumeist universeller Werkzeuge in flexibler Weise leicht an wechselnde Anforderungen, d. h. wechselnde Bauteilgeometrien und -eigenschaften, angepasst werden. Da die Herstellung des Blechwerkstückes (Zwischenprodukt auf dem Weg zur Herstellung des gewünschten Blechbauteiles) durch einfache Beschneid- und/oder Kaltumform- und/oder Fügeoperationen möglich ist, sinkt gleichzeitig die Fehleranfälligkeit des gesamten Herstellungsprozesses.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird das Design des herzustellenden Blechbauteiles unter Beibehaltung der Bauteilfunktionalitäten derart angepasst, dass im Verfahrensschritt a) zur Herstellung des Blechwerkstückes keine oder nur eine einzige, insbesondere als Formschlagprozess ausgelegte, Kaltumformstufe mittels eines formspeichernden, bauteilspezifischen Umformwerkzeuges erforderlich ist.
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Demzufolge können bis auf maximal eine Umformstufe alle im Verfahrensschritt a) zur Herstellung des Blechwerkstückes erforderlichen Beschneid- und/oder Kaltumform- und/oder Fügeoperationen durch einfache, flexible System realisiert werden. Gegenüber der konventionellen Fertigung pressgehärteter Blechbauteile mittels komplexer Presshärtewerkzeuge, die aufwendig gekühlt werden müssen, was in der Regel über teure und störanfällige Kühlbohrungen erreicht wird, können signifikant Kosten eingespart und somit die Wirtschaftlichkeit, insbesondere bei Kleinserien, deutlich erhöht werden. Mittels der Auslegung der maximal verbleibenden einzigen bauteilspezifischen Umformstufe als Formschlagprozess wird zudem in ressourcensparender Weise der Blechausnutzungsgrad erhöht, da beim Formschlagen das Umformen der Blechplatine ohne Niederhalter erfolgt und das formgeschlagene Blechformteil somit keine oder geringstmögliche Ankonstruktionen aufweist und dessen Außenkontur nach dem Formschlagen schon weitgehend der späteren Bauteilendkontur entspricht.
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In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird das herzustellende Blechbauteil abwickelbar gestaltet, um das Blechwerkstück im Verfahrensschritt a) mittels einer flexiblen, bauteilunspezifischen Fertigungsmethode, wie insbesondere mittels Abkantens, auf seine endgültige Form zu bringen.
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Bereits bei der Planung der Formgebung des Blechbauteiles kann durch Beachtung einfacher Konstruktionsregeln (wie z. B. Ausführung von Kanten als Biegekanten, Mindestabstand von Formelementen zu diesen Biegekanten) das Blechbauteil abwickelbar gestaltet werden. ”Abwickelbar” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Blechbauteil (bis auf maximal eine formspeichernde Umformstufe) aus Blech gebogen bzw. gekantet werden kann. Folglich kann bei der Herstellung des Blechbauteiles auf das im Automobilbau dominierende klassische (zumeist mehrstufige) Tiefziehen verzichtet werden. Stattdessen können im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren flexible Fertigungsmethoden (wie Biegen unter Verwendung universeller, bauteilunspezifischer Biegewerkzeuge) zur Anwendung kommen, um insbesondere in der Kleinserienfertigung trotz des höheren Fertigungsaufwandes je Bauteil aufgrund der deutlichen Reduktion der Werkzeugkosten dennoch eine Kostenersparnis je Bauteil zu erzielen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das im Verfahrensschritt a) durchgeführte Beschneiden einen Anfangsbeschnitt einer als Ausgangsblechmaterial bereitgestellten Blechplatine und einen Fertigbeschnitt eines nach einer oder mehreren Kaltumformstufen erhaltenen Blechformteiles umfasst.
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Der Anfangsbeschnitt einer ebenen Blechplatine und der Fertigbeschnitt eines Blechformteiles können jeweils als zweidimensionaler Beschnitt auf einem flexiblen Stanz-Laser-Zentrum erfolgen. Die Verwendung von Standard-Blechplatinen in Kombination mit dem vorgenannten universellen Blechbearbeitungssystem ermöglicht eine hohe Flexibilität für spezifische Anforderungen. Außerdem wird durch die Nutzung der Funktion des Laserbeschnittes auch eine enge Schachtelung von Bauteilen ermöglicht und damit durch die Maximierung des Blechausnutzungsgrades ein bedeutender Beitrag zur Ressourceneffizienz geleistet.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das im Verfahrensschritt a) durchgeführte Kaltumformen eine oder mehrere mittels flexibler, bauteilunspezifischer Blechbearbeitungsmaschinen realisierte Kaltumformstufen umfassen, wobei diese Kaltumformstufen insbesondere als Stanz-, Biege- oder Abkantprozess ausgelegt sind.
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Indem das Blechwerkstück bzw. alle Einzelteile des Blechwerkstückes auf flexiblen Blechbearbeitungsmaschinen gefertigt werden, trägt das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren durch Wegfall oder zumindest Reduzierung bauteilspezifischer Umformstufen zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit im Prototypenbau und in der Kleinserienfertigung bei. Unter ”flexiblen, bauteilunspezifischen Blechbearbeitungsmaschinen” sind in diesem Zusammenhang standardisierte Werkzeugmaschinen zu verstehen, in denen zum Kaltumformen des Bleches keine formspeichernden, bauteilspezifischen Werkzeuge (wie Stempel oder Matrizen) benötigt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Verfahrensschritt a) Einzelteile des herzustellenden Blechwerkstückes auf flexiblen, bauteilunspezifischen Blechbearbeitungsmaschinen vorgefertigt werden und diese Einzelteile anschließend im Verfahrensschritt a) durch Fügeoperationen, insbesondere durch Punktschweißen, mittels einer flexiblen, bauteilunspezifischen Fügevorrichtung zum Blechwerkstück verbunden werden.
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Durch entsprechende Eingriffe in das Bauteildesign kann die Möglichkeit geschaffen werden, das Blechwerkstück im Verfahrensschritt a) aus mehreren Einzelteilen zu schweißen. Auf diese Weise können z. B. unterschiedliche Werkstoffe und/oder Blechdicken innerhalb des Blechbauteiles zum Einsatz kommen. Insbesondere das Punktschweißen mittels Laserstrahl ist hier als leistungsfähiges und flexibles Fügeverfahren geeignet, auch an schwer erreichbaren Stellen eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Einzelteilen herzustellen. Indem das Blechbauteil außerdem dahingehend gestaltet wird, dass alle Einzelteile unter Verzicht auf bauteilspezifische Umformstufen gefertigt werden können, wird die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für Blechbauteile in kleinen bis mittleren Serien weiter erhöht.
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Gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Verfahrensschritt a) die aufeinander folgenden Unterverfahrensschritte aufweisen:
- a1) Stanzen einer als Ausgangsblech bereitgestellten Blechplatine zu einem gestanzten Einzelteil,
- a2) Biegen des gestanzten Einzelteiles zu einem Blechformeinzelteil und
- a3) Fügen mehrerer Blechformeinzelteile zum Blechwerkstück mit der gewünschten Endform.
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Die Prozesskette Stanzen – Biegen – Fügen bietet neben den vorgenannten wirtschaftlichen Vorteilen im Bereich kleiner Stückzahlen weitere Potentiale. Diese Prozesskette erlaubt ein schnelleres ”Ramp-up” bis zur ”Start-of-production” und zudem eine wesentlich höhere Änderungsflexibilität und -agilität im Vergleich zu konventionellen Presshärteverfahren. Durch Regelung der Teilprozesse Stanzen, Biegen und Fügen können Material- und Prozessschwankungen ausgeglichen werden. Das lokal beschränkte Umformen und Fügen ermöglicht zudem den Einsatz von hoch- und höchstfesten Werkstoffen.
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Alternativ zur vorbeschriebenen Ausführungsvariante kann in einer anderen, besonders vorteilhaften Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass der Verfahrensschritt a) die aufeinander folgenden Unterverfahrensschritte aufweist:
- a1) Beschneiden, insbesondere Laserbeschneiden, einer als Ausgangsblechmaterial bereitgestellten Blechplatine,
- a2) Formschlagen der beschnittenen Platine zwischen zwei starren Werkzeughälften zu einem Blechformteil,
- a3) Fertigbeschneiden, insbesondere Laserbescheiden, des Blechformteiles,
- a4) Abkanten des fertigbeschnittenen Blechformteiles mittels standardisierter Abkantwerkzeuge zum Blechwerkstück mit der gewünschten Endform.
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Die einzelnen Prozessschritte zur Fertigung des Blechwerkstückes umfassen somit in dieser Ausführungsvariante zwei Beschnitt-Operationen, eine einzige, als Formschlagprozess ausgelegte formspeichernde Umformstufe und das Abkanten mit standardisiertem Werkzeug. Aufgrund der Verringerung der bauteilspezifischen Werkzeugstufen auf eine einzige Formschlagstufe gemäß Unterverfahrensschritt a2) kann das benötigte Werkzeugmaterial und die benötigte Prozessenergie gegenüber den bisher verwendeten mehrstufigen Umformwerkzeugen in Umformpressen drastisch reduziert werden. Zusätzlich resultiert aus der Auslegung der verbleibenden, bauteilspezifischen Umformstufe als Formschlagprozess in ressourcensparender Weise eine Erhöhung des Blechausnutzungsgrades bzw. ein dementsprechender niedriger Blechverschnitt.
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In weiter bevorzugter Weise wird die Temperatur des Blechwerkstückes im Verfahrensschritt b) auf eine Temperatur oberhalb der Ac3-Temperatur des jeweiligen Blechwerkstoffes erhöht.
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Dadurch wird ein für das Härten erforderlicher temperaturabhängiger Umwandlungsprozess initiiert. Vorzugsweise wird das Erwärmen mit Hilfe einer Wärmequelle, wie z. B. einem Rollenherdofen, realisiert, wobei sich die Aufheizgeschwindigkeit, eine Haltedauer und eine Ofenatmosphäre, vorzugsweise innerhalb des Rollenherdofens, einstellen lassen. Vorteilhaft ist dabei, dass die sehr kostenintensive Anlagentechnik zur Bauteiltemperierung, die in bestehenden konventionellen Presshärteanlagen eingesetzt wird, weiter verwendet werden kann. Zusätzlich besteht der Vorteil, dass auch der gleiche Werkstoff für die Blechbauteile wie bei konventionellen Presshärteprozessen eingesetzt werden kann. Vorzugsweise wird das Blechwerkstück, insbesondere ein aus einem Mangan-Bor-Stahl bestehendes Blechwerkstück, auf eine Temperatur oberhalb von 900°C erwärmt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsvarianten anhand der beigefügten Figuren und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Dabei zeigen im Einzelnen:
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1 eine schematische Abfolge der Verfahrensschritte a) bis d) bei einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines gehärteten Blechbauteiles; und
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2 eine Abfolge der Verfahrensschritte a) bis d) bei einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines gehärteten Blechbauteiles.
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In 1 und 2 sind die einzelnen Verfahrensschritte der beiden Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der am Ende dieser Verfahrensschritte jeweils vorliegenden Zwischenprodukte (beschnittene Platine 1a, formgeschlagenes Blechformteil 1b, fertigbeschnittenes Blechformteil 1c und Blechwerkstück 2) bzw. anhand der in den Verfahrensschritten jeweils zum Einsatz kommenden Vorrichtungen (Ofen 4 und modulare Spannvorrichtung 5) dargestellt. Oberhalb der einzelnen Darstellungen in 1 und 2 sind jeweils in Übereinstimmung mit den Patentansprüchen die korrespondierenden Verfahrensschritte bzw. Unterverfahrensschritte mit den Buchstaben a), b), c), d) bzw. a1), a2), a3), a4) bezeichnet worden.
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Die beiden in 1 und 2 dargestellten Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens stimmen hinsichtlich der drei ersten Verfahrensschritte a) bis c) miteinander überein, sodass die nachfolgend auf diese Verfahrensschritte a) bis c) bezugnehmenden Erläuterungen für beide Ausführungsvarianten gültig sind.
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Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt zunächst in den Unterverfahrensschritten a1) bis a4), die zusammen den ersten Verfahrensschritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden, die Herstellung eines dreidimensionalen Blechwerkstückes 2, dessen Bauteilgeometrie im Wesentlichen bereits jener des herzustellenden Blechbauteiles 3 entspricht. Bereits in der Konstruktionsphase bei der Auslegung des herzustellenden Blechbauteiles 3 ist darauf zu achten, das Design des Blechbauteiles 3 für die Herstellbarkeit mit einfachen Umformoperationen (wie Stanzen, Formschlagen, Biegen, Abkanten) und Fügeoperationen (wie Punktschweißen) anzupassen, wobei aber die Funktionalitäten und die Funktionselemente des Blechbauteiles 3 beizubehalten sind, um die spätere Anwendung des Blechbauteiles 3 (z. B. als Karosserie- oder Fahrwerksteil) nicht zu beinträchtigen. Ziel ist es dabei, die Herstellung des Blechwerkstückes 2 im Verfahrensschritt a) unter Einsatz geometrisch möglichst universeller Werkzeuge zu realisieren, wodurch auf das einzelne Blechbauteil 3 nur noch geringe Werkzeugkosten entfallen. Hierzu sind verschiedene Verfahrensabfolgen denkbar, wobei sich jedoch die in 1 und 2 dargestellte und nachfolgend beschriebene Abfolge der Unterverfahrensschritte a1) bis a4) als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
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In einem ersten Unterverfahrensschritt a1) findet hierbei zunächst auf einem Stanz-Laser-Zentrum der zweidimensionale (2D) Beschnitt einer als Ausgangsblechmaterial bereitgestellten ebenen Blechplatine statt, sodass eine beschnittene Platine 1a, deren Außenkontur bereits annähernd derjenigen des herzustellenden Blechbauteiles 3 entspricht, erhalten wird. Zusätzlich zur Außenkontur werden außerdem die Löcher für die Aufnahme des Halbzeuges im nachfolgenden Umformwerkzeug, genauer gesagt Formschlagwerkzeug, ausgeschnitten.
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Der zweite Unterverfahrensschritt a2) in der Prozesskette zur Herstellung des Blechwerkstückes 2 stellt die einzig verbliebene, formspeichernde und damit bauteilspezifische Umformstufe dar. Diese Umformstufe ist ressourcensparend als Formschlagprozess ausgelegt und erfolgt idealerweise zwischen zwei starren Werkzeughälften. Das Blechformteil 1b entspricht nach dem Formschlagen bereits weitestgehend der späteren Bauteilendkontur. In dieser Umformstufe werden alle komplexen Formelemente (wie Verprägungen, Dorne, Rippen ...) realisiert, die wegen ihrer Größe und/oder Form nicht im ersten Unterverfahrensschritt a1) auf dem Stanz-Laser-Zentrum eingebracht werden können.
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Der dritte Unterverfahrensschritt a3) ist eine zweite Beschnitt-Operation in der Prozesskette zur Herstellung des Blechwerkstückes 2, bei der sämtliche verbleibende Innenkonturen (Löcher, Aussparungen) sowie umformkritische Außenkonturen ins Halbzeug eingebracht werden. Auch für dieses Fertigbeschneiden des formgeschlagenen Blechformteiles 1b empfiehlt sich die Nutzung eines zweidimensionalen (2D) oder dreidimensionalen (3D) Lasers.
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Bei dem den ersten Verfahrensschritt a) abschließenden vierten Unterverfahrensschritt a4) werden mittels Abkantens auf standardisierten Abkantwerkzeugen alle geraden Biegekanten in das fertigbeschnittene Blechformteil 1c eingebracht, sodass ein Blechwerkstück 2 mit einer endgültigen Formgestaltung erhalten wird, die im Wesentlichen bereits derjenigen des herzustellenden Blechbauteiles 3 entspricht. Hierfür können abhängig von der jeweiligen Bauteilgeometrie und der bereits in der Formschlagstufe eingebrachten Laschen mehrere Biegeschritte veranschlagt werden.
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Die in den Unterverfahrensschritten a1) bis a4) nach 1 und 2 dargestellte Prozesskette zur Herstellung der Blechwerkstückes 2 ist exemplarisch zu verstehen. Von einer anderen Abfolge von Unterverfahrensschritten, die ggf. auch andere, nicht dargestellte flexible Beschneid- und/oder Umform- und/oder Fügeoperationen umfasst, kann Gebrauch gemacht werden, ohne dadurch den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Entscheidend ist die ausschließliche oder überwiegende Verwendung universeller Blechbearbeitungswerkzeuge und -maschinen zur Herstellung der Blechwerkstücke 2, die aufgrund ihrer Flexibilität leicht an wechselnde Werkstückgeometrien angepasst werden können. Auf bauteilspezifische abformende (formspeichernde) Werkzeuge kann hingegen bei der Herstellung der Blechwerkstücke 2 (zumindest weitgehend) verzichtet werden.
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Die geometrisch fertigen Blechwerkstücke 2 werden anschließend zur Erzielung der finalen Materialeigenschaften einer Erwärmungsanlage zugeführt und dort erwärmt. Vorteilhaft ist dafür auf die sehr kostenintensive Anlagentechnik zur Bauteiltemperierung, die bereits in bestehenden konventionellen Presshärteanlagen vorliegt, zurückzugreifen. Dementsprechend wird in 1 und 2 das Blechwerkstück 2 zur vollständigen Erwärmung einem Ofen 4 für das Presshärten zugeführt, vorzugsweise einem Rollenherdofen mit Ofenrollen unterhalb des Herdbodens, auf denen das aufzuheizende Blechwerkstück 2 in Ofenlängsrichtung transportiert wird. Grundsätzlich kann jedoch das im Verfahrensschritt b) durchgeführte Erwärmen des Blechwerkstückes 2 mittels jeder Art von Konvektions-, Kontakt-, Strahlungs-, Induktions- oder Konduktionserwärmung oder mittels einer Kombination von zwei oder mehr der vorgenannten Erwärmungsmethoden bewerkstelligt werden. Dabei erfolgt die Erwärmung idealerweise auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des jeweiligen Blechwerkstoffes, insbesondere oberhalb Ac3. Bei der Verwendung eines konventionellen, beim Presshärten eingesetzten Mangan-Bor-legierten Werkstoffes entspricht dies einer Erwärmung auf ca. 950°C. Durch ein Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur Ac3 und ein anschließendes Härten mit zügiger Abkühlung kann der jeweilige Blechwerkstoff von einem ferritischen Gefüge in ein rein martensitisches Gefüge umgewandelt werden. Hierdurch kann dem Werkstück aus Stahl eine vergleichsweise hohe Härte und Zugfestigkeit verliehen werden.
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Beiden Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens nach 1 und 2 ist außerdem gemeinsam, dass nach der Entnahme des Blechwerkstückes 2 aus der Erwärmungsanlage (Ofen 4) dieses in eine modulare Spannvorrichtung 5 in starrer (d. h. geometrie-fixierender) Anordnung eingelegt und eingespannt wird. Die modulare Spannvorrichtung 5 dient dabei der Verminderung eines im Verfahrensschritt d) durch die Abkühlung des Blechwerkstückes 2 auftretenden Verzuges, um ein Einhalten der wesentlichen Geometriemerkmale (innerhalb der vorgegebenen geometrischen Toleranzen) des Blechbauteiles 3 zu gewährleisten.
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Die modulare Spannvorrichtung 5 weist hierfür zwei mit Abstand einander gegenüberliegende Trägerplatten 6 auf, wobei das erwärmte Blechwerkstück 2 im Verfahrensschritt c) zunächst zwischen diesen zwei Trägerplatten 6 von einer Mehrzahl von parallel zueinander ausgerichteten und jeweils an einer der Trägerplatten 6 gelagerten Spannelementen 7 in einer die Werkstückgeometrie fixierenden Position eingespannt wird. Zum Einspannen im Verfahrensschritt c) wird das erwärmte Blechwerkstück 2 zunächst auf die Trägerplatte 6 mit den sich jeweils in geöffneter Stellung befindlichen Spannelementen 7 (z. B. Spannzangen) abgelegt. Anschließend werden die Spannelemente 7 (z. B. Spannzangen) geschlossen, so dass sie das Blechwerkstück 2 jeweils unter Ausbildung einer lagestabilen Fixierung umschließen.
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Die Spannelemente 7 sind frei an der jeweiligen Trägerplatte 6 verschiebbar, austauschbar, entfernbar und/oder auch durch weitere Spannelemente 7 ergänzbar. Diese modulare Bauweise der Spannvorrichtung 5 erlaubt es, die Lage der Spann- und Aufnahmepunkte im Raum beliebig an unterschiedlich gestaltete Blechbauteile 3 anzupassen, um somit einen im Verfahrensschritt d) infolge der Abkühlung des austenitisierten Blechwerkstückes 2 eintretenden Verzug zu minimieren.
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Gegenüber den vorgeschilderten Übereinstimmungen unterscheiden sich die beiden in 1 und 2 gezeigten Ausführungsvarianten aber im Hinblick auf den im Anschluss an das Einspannen des Blechwerkstückes 2 in die modulare Spannvorrichtung 5 erfolgenden Abkühlprozess zur Herstellung des gehärteten Blechbauteiles 3.
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In der ersten Ausführungsvariante nach 1 wird das Blechbauteil 3 in einem abschließenden Verfahrensschritt d) frei an Luft abgekühlt. Das Blechbauteil 3 ist dabei aus einem Werkstoff hergestellt, bei dem eine vollständige Härtung nur durch die Abkühlung an Luft erfolgt, also aus einem sog. Lufthärter wie LH®800. Solche Werkstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass die für eine vollständige Martensitbildung notwendige kritische Abkühlgeschwindigkeit durch den Zusatz verschiedener Legierungselemente derart niedrig ist, dass die durch Abkühlung an Luft erzielbare Abkühlgeschwindigkeit für eine Härtung des Werkstoffs ausreichend ist. Bei der konventionellen Blechumformung mittels Presshärtens werden hingegen Werkstoffe, hauptsächlich Mangan-Bor-Stähle, eingesetzt, welche für eine Härtung schnellere (an freier Luft nicht erreichbare) Abkühlgeschwindigkeiten erfordern. Durch die Ausführungsvariante nach 1 wird demgegenüber vorteilhafterweise eine Härtung des Blechbauteiles 3 bei verminderter Abkühlgeschwindigkeit durch einfache Abkühlung in ruhender Umgebungsluft ermöglicht, ohne dass der Einsatz von Zusatzkosten verursachenden technischen Belüftungs- bzw. Kühlmitteln erforderlich ist.
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Die zweite Ausführungsvariante nach 2 sieht vor, dass das eingespannte Blechbauteil 3 im abschließenden Verfahrensschritt d) mit einem Kühlmedium 8 (bspw. Wasser, Wassernebel, Stickstoff, bewegte Luft) in Kontakt gebracht wird, sodass eine für die Härtung des Blechbauteiles 3 kritische Abkühlgeschwindigkeit überschritten und die beabsichtigte vollständige Umwandlung des Gefüges in Martensit erzielt wird. Diese zweite Ausführungsvariante bringt daher den zusätzlichen Vorteil mit sich, dass der gleiche Werkstoff für die Blechbauteile 3 wie bei konventionellen Presshärteprozessen eingesetzt werden kann. Die Blechbauteile 3 können also aus bekannten presshärtbaren Stählen (wie bspw. 22MnB5, 34MnB5) hergestellt werden, wobei das in 2 durch Pfeile symbolisierte, wärmeabführende Kühlmedium 8 über eine Vielzahl an Düsen, die wiederum über einen Kühlkreislauf mit dem Kühlmedium 8 versorgt werden, zur raschen Abkühlung direkt an das zu härtende Blechwerkstück 2 geleitet wird.
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In zeichnerisch nicht dargestellter Weise ist bei einer dritten Ausführungsvariante, die in der Abfolge mit den beiden vorangegangenen Ausführungsvarianten kombinierbar ist, vorgesehen, dass die Bauteilerwärmung im Verfahrensschritt b) (entgegen 1 und 2) keine vollständige, sondern nur eine lokale Erwärmung des Blechwerkstückes 2 in den Bereichen bewirkt, die ein austenitisches Gefüge erhalten sollen. Dies kann dadurch realisiert werden, dass das Blechwerkstück 2 partiell abgedeckt und in einem Ofen 4 nur in den nicht abgedeckten Bereichen auf eine Austenitisierungstemperatur des jeweiligen Blechwerkstoffes erwärmt wird. Möglich ist auch eine teilweise Erwärmung des Blechwerkstückes 2 durch Konvektion, Konduktion, Kontakterwärmung, Wärmestrahlung oder Induktion. Bei der folgenden Abkühlung an Luft (gemäß 1 mit einem Lufthärter als Blechwerkstoff) oder durch Inkontaktbringen mit einem Kühlmedium 8 (gemäß 2 mit einem konventionellen Presshärtestahl, wie 22MnB5, als Blechwerkstoff) kommt es zu einer partiellen Härtung des Blechbauteiles 3 in eben diesen Bereichen. Demgegenüber wird durch das partielle Abdecken das Austenitisieren in den abgedeckten und thermisch abgeschirmten Bereichen ganz oder zumindest teilweise verhindert, womit in diesen Bereichen auch keine oder nur eine geringere Härtung beim anschließenden Abkühlen erreichbar ist.
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Für große Stückzahlen ist der vorbeschriebene Herstellungsprozess nach 1 und 2 weniger interessant, da die beim etablierten Presshärten anteilig auf das Blechbauteil entfallenden Kosten für das komplexe Umform- und Abkühlwerkzeug (Presshärtewerkzeug) vergleichsweise gering werden und von den Kosten überragt werden, die u. a. die längere Herstellzeit des vorbeschriebenen flexiblen Prozesses verursacht. Die Verfahrensschritte a) bis d) des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen es aber, die Fertigung von gehärteten Blechbauteilen 3, die qualitativ mit konventionell pressgehärteten Bauteilen gleichwertig sind, auch bei kleinen Stückzahlen wirtschaftlich bzw. wirtschaftlicher als bisher zu machen. Durch den Wegfall aufwendiger bauteilspezifischer Umform- und Abkühlwerkzeuge, wie sie in konventionellen Presshärteanlagen regelmäßig zur Anwendung kommen, können die Werkzeugkosten, die für kleinere Serien einen dominierenden Kostenfaktor darstellen, erheblich reduziert werden. Diese Reduktion der Werkzeugkosten führt daher im Kleinserienbereich zu einer Senkung der Stückkosten und somit zu einer Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Herstellung von gehärteten Blechbauteilen 3. Gleichzeitig wird durch die Einschränkung der Formgebung des Blechwerkstückes 2 im Verfahrensschritt a) auf einfache Beschneid- und/oder Kaltumform- und/oder Fügeoperationen die Fehleranfälligkeit des Prozesses der Bauteilherstellung deutlich abgesenkt.
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Das Hauptanwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Herstellen von gehärteten Blechbauteilen 3, deren Herstellung bislang durch Presshärten erfolgt ist. Hier ist insbesondere die Herstellung von crashrelevanten Strukturbauteilen für die Karosserie oder das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges zu nennen. Dabei werden durch das erfindungsgemäße Verfahren hochfeste Blechbauteile 3 mit verhältnismäßig geringer Masse hergestellt, welche dazu beitragen die Gesamtmasse des Fahrzeuges bei gleichbleibenden Komfort- und Sicherheitseigenschaften zu reduzieren. Weitere Anwendung kann das Verfahren bei der Herstellung von Bauteilen aus Werkstoffen finden, die bislang einem vergleichbaren Umform- und Abkühlprozess unterworfen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- beschnittene Platine
- 1b
- formgeschlagenes Blechformteil
- 1c
- fertigbeschnittenes Blechformteil
- 2
- Blechwerkstück
- 3
- Blechbautei4
- 4
- Ofen (Rollenherdofen)
- 5
- modulare Spannvorrichtung
- 6
- Trägerplatten
- 7
- Spannelemente
- 8
- Kühlmedium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60220618 T2 [0009]
- DE 69803588 T2 [0010]
