DE102016125510B3

DE102016125510B3 - Warmgeformtes metallisches Blechbauteil sowie Verfahren zur Herstellung einer Öffnung in einem solchen Blechbauteil

Info

Publication number: DE102016125510B3
Application number: DE102016125510.6A
Authority: DE
Inventors: Karsten Bake; Markus Kettler; Georg Frost; Frank Rabe
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-04-12
Anticipated expiration: 2036-12-23
Also published as: US20180178268A1; US11027325B2; CN108213171A; CN108213171B

Abstract

Warmgeformtes metallisches Blechbauteil mit einer Zugfestigkeit Rm > 1300 Megapascal und mit einer Öffnung, welche durch Hochgeschwindigkeitsstanzen mit einer Geschwindigkeit eines Stempels von mehr als 6 m/s ohne einen an die Kontur des Stempels angepassten Gegenhalter hergestellt ist, wobei der Glattschnittanteil der Schnittfläche der Öffnung über 50% beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein warmgeformtes metallisches Blechbauteil mit einer Öffnung, welche durch Hochgeschwindigkeitsstanzen hergestellt ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Öffnung in einem solchen Bauteil.
Öffnungen in metallischen Bauteilen mit Zugfestigkeiten Rm über 1.300 MPa können durch Scherstanzen hergestellt werden, allerdings führt das übliche Scherstanzen zu Mikrorissen am Lochumfang. Versuche haben gezeigt, dass die Mehrzahl von Mikrorissen eine Länge von über 50 µm hat. Zudem ist fertigungsbedingt mit einer Gratbildung und mit Gratlängen von über 40 µm zu rechnen. Die Gratbildung ist von den Werkstoffeigenschaften, der Schneidgeschwindigkeit und von der Schneidgeometrie abhängig. Ein weiterer Nachteil ist, dass mit einer Aufweitung der durch Scherstanzen hergestellten Öffnung im Bruchbereich zu rechnen ist, wobei die Aufweitung in der Regel größer als 10 % der Wanddicke ist. Ein weiterer nachteiliger Effekt des Scherschneidens ist eine erhöhte Kaltverfestigung, die zu einer Aufhärtung von über 15 % der Grundhärte im Schnittbereich und Bruchbereich führt. Eine Randverfestigung kann bis zu einer Tiefe von etwa 100 µm festgestellt werden. Beim Scherschneiden wird eine Matrize als Gegenhalter benötigt. Dadurch bedingt ist eine Vorrichtung erforderlich, welche die Matrize aufnimmt und ausreichend dimensioniert ist, um die beim Lochen auftretenden Kräfte aufzufangen. Die Matrizen sind oftmals bauteilspezifisch und an die gewünschte Öffnungsgeometrie angepasst.
Die DE 10 2014 002 903 A1 offenbart, dass Fügeflächen eines Fügebauteils durch den Arbeitsgang des Hochgeschwindigkeitsscherschneidens hergestellt werden, um nachfolgende Prozessschritte zur mechanischen Bearbeitung der Fügefläche einzusparen. Ein Schneidstempel schiebt einen Stanzbutzen in die sich konisch erweiternde Öffnung einer Schneidmatrize, die an die Kontur des Stanzbutzens und des Schneidstempels angepasst ist.
Die DE 10 2014 000 299 B3 beschreibt ebenfalls das Hochgeschwindigkeitsstanzen, wobei ebenfalls eine Stanzmatrize verwendet wird, die zur Aufnahme des Stanzbutzens dient, der nachträglich aus der Matrize entfernt werden muss.
Die DE 10 2010 007 955 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von hochfesten Bauteilen mittels adiabatischen Stanzens. Das Werkzeug weist eine Formauflage und einen Formstempel auf, wobei das Umformen durch eine hohe Auftreffgeschwindigkeit des Formstempels auf dem auf die Formauflage gelegten Werkstück erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Blechbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Blechbauteils aufzuzeigen, bei welchem mit reduziertem apparativen Aufwand Lochungen oder lokale Randbeschnitte ohne bauteilspezifische Vorrichtungen hergestellt werden können.
Diese Aufgabe ist bei einem warmgeformten metallischen Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bei einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Kern der Erfindung ist, dass eine Geschwindigkeit eines Stempels so hoch ist, dass auf eine spezifische Matrize, welche an die Kontur des Stempels oder an die Kontur der herzustellenden Öffnung angepasst ist, verzichtet werden kann. Dadurch wird das Verwenden einer speziellen Vorrichtung bzw. Matrize überflüssig. Die Vorrichtung zur Herstellung der Öffnung wird signifikant leichter und kann zudem auch an einem Roboterarm befestigt werden. Der Aufbau eines schlanken Fertigungsprozesses wird damit erleichtert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Öffnung durch Hochgeschwindigkeitsstanzen hergestellt wird. Die Geschwindigkeit des Stempels beträgt mehr als 6 m/s, ohne dass ein an die Kontur des Stempels angepasster Gegenhalter verwendet wird. Die Geschwindigkeit des Stempels von mehr als 6 m/s liegt mindestens im Moment des Eindringens des Stempels in das Blechbauteil an. Bevorzugt befindet sich der Stempel in seiner Ausgangsposition vor dem Stanzen in einem definierten Abstand zum Blechbauteil. Der Abstand kann zur Beschleunigung des Stempels auf die gewünschte Geschwindigkeit beim Aufprall bzw. Eindringen in das Blechbauteil genutzt werden. Die hohe Geschwindigkeit des Stempels kann z.B. mit Hilfe eines Magnetimpulses, mit Hilfe von pyrotechnischen Mitteln oder mit Hilfe elektromagnetischer Pulstechnik erzeugt werden. Die hohe Geschwindigkeit des Stempels bewirkt einen kurzzeitigen Temperaturanstieg im Werkstück, welcher auf einen sehr schmalen Werkstoffbereich begrenzt ist. Dadurch tritt Kaltverfestigung nicht in dem Maße auf wie beim normalen Scherschneiden mit geringerer Schergeschwindigkeit, d. h. mit einer Schergeschwindigkeit von weniger als 1 m/s. Durch den Entfall oder die Reduzierung der Kaltverfestigung entstehen keine Mikrorisse.
Die durch den Trennvorgang entstehende Wärme kann aufgrund der sehr kurzen Prozesszeiten nicht schnell genug in die umgebenden Bereiche des Werkstückes abfließen. Damit wird der Bereich der Trennfuge im Vergleich zum Scherschneiden mit normaler Stempelgeschwindigkeit lokal aufgeschmolzen und dadurch weicher.
Vorzugsweise liegt die Geschwindigkeit des Stempels zumindest im Moment des Eindringens in das Blechbauteil über 8 m/s, vorzugsweise über 10 m/s, insbesondere über 20 m/s. Sehr hohe Geschwindigkeiten des Stempels von z. B. 100 m/s sind nicht ausgeschlossen, erhöhen jedoch mit heutigen Mitteln den apparativen Aufwand. Daher wird eine Obergrenze von 100 m/s als zweckmäßig angesehen, um eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens noch kompakt genug dimensionieren zu können.
Die Stempeleindringtiefe beträgt mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 50% der Wanddicke des metallischen Blechbauteils und vorzugsweise nicht mehr als 80% der Wanddicke. Zudem liegt beim fertigen Blechbauteil der Glattschnittanteil der Schnittfläche der so hergestellten Öffnung über 50 % und bevorzugt über 70 %. Es wird ein möglichst hoher Glattschnittanteil angestrebt.
Das warmgeformte metallische Bauteil ist hochfest, insbesondere vor der Herstellung der Öffnung pressgehärtet mit Zugfestigkeiten über 1.300 MPa, zumindest in dem Bereich, in dem die Öffnung hergestellt wird. Es ist daher nicht erforderlich, das Blechbauteil im Schnittbereich vor Herstellung der Öffnung zu entfestigen oder vorzutrennen.
Bei dem metallischen Werkstoff, aus dem das Blechbauteil hergestellt ist, handelt es sich insbesondere um einen unbeschichteten Manganborstahl, randentkohlten Stahl, plattierten Stahl oder Al/Si- und/oder Zn-beschichteten Manganborstahl.
Bei dem Blechbauteil handelt es sich insbesondere um ein schalenförmiges Fahrzeugstrukturbauteil ausgewählt aus der folgenden Gruppe: B-Säule oder deren Innenverstärkung, C-Säule oder deren Innenverstärkung, A-Säule oder deren Innenverstärkung, Türaufprallträger, Stoßfängerquerträger, Längsträger, Schweller, Tunnel, Bodenquerträger, Stirnwand.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Öffnung in einem warmgeformten und pressgehärteten metallischen Blechbauteil sieht vor, dass eine Öffnung mit geschlossener oder offener Schnittlinie durch Hochgeschwindigkeitsstanzen mit einer Geschwindigkeit eines Stempels von mehr als 6 m/s ohne einen an die Kontur des Stempels angepassten Gegenhalter hergestellt ist. Bei diesem Verfahren dringt der Stempel in mindestens 50 % der Wanddicke des Blechbauteils in das Blechbauteil ein. Ein Glattschnittanteil der Schnittfläche der Öffnung von über 50 %, insbesondere über 70 % wird hergestellt. Bei diesem Verfahren spielt der in das Blechbauteil eingebrachte Impuls eine große Rolle. Die kinematische Energie des Stempels verhält sich proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des Stempels. Daher kann auch mit einem verhältnismäßig leichten Stempel bei sehr hohen Geschwindigkeiten ein starker Impuls erzeugt werden. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass die Geschwindigkeit des Stempels mehr als 6 m/s beträgt. Die Geschwindigkeit des Stempels im Rahmen des Verfahrens ist insbesondere als Auftreffgeschwindigkeit des Stempels zu verstehen, welche nach dem Auftreffen schnell und abhängig von der Eindringtiefe und der Stempelmasse reduziert wird. Eine Öffnung mit geschlossener Schnittlinie kann auch als Loch bezeichnet werden. Eine Öffnung mit offener Schnittlinie kann eine randseitig angeordnete Aussparung in dem Blechbauteil sein, also ein Beschnitt.
Der erfindungsgemäße Stempel kann an einem Roboterarm angeordnet sein und von diesem in einer Arbeitsposition relativ zum Blechbauteil bewegt werden. Die Vorrichtung zur Herstellung der Öffnung ist durch den Entfall des Gegenhalters wesentlich leichter. Die Erfindung ist nicht so zu verstehen, dass das zu bearbeitende Werkstück überhaupt nicht gelagert ist. Vielmehr befindet sich im Bereich der herzustellenden Kontur kein Gegenhalter, wie er üblicherweise beim Schwerschneiden mit niedriger Geschwindigkeit erforderlich ist. Das Blechbauteil als solches kann jedoch an einem Widerlager gehalten sein. Dies kann auch ein anderer Roboterarm sein, so dass das Blechbauteil über diesen Roboterarm relativ zum Stempel in einer Arbeitsposition lagefixiert wird. Der Roboterarm kann das bearbeitete Blechbauteil nach dem Herstellen der Öffnung auch wieder von dem Stempel entfernen.
Das Herstellen der Öffnung kann nach oder während der Entnahme aus einem Presshärtewerkzeug erfolgen. Die Öffnung wird nicht im Presshärtewerkzeug hergestellt, d. h. nicht im geschlossenen Presshärtewerkzeug. Die Bearbeitung während der Entnahme aus dem Presshärtewerkzeug oder unmittelbar nach der Entnahme aus dem Presshärtewerkzeug ermöglicht es, Bearbeitungen des metallischen Blechbauteils auch während der Transferzeiten durchzuführen. Die Taktzeiten liegen dabei vorzugsweise unter 20 Sekunden, insbesondere unter 12 Sekunden und bevorzugt unter 8 Sekunden.
Das Herstellen der Öffnung kann daher auch mittels eines an einem Linearförderer, einem Bauteilmarkierer oder einer Lokal-Entzunderungsstation angeordneten Stempels erfolgen. Bei den vorgenannten Vorrichtungen handelt es sich um Vorrichtungen, die während der Handhabung oder der Bearbeitung des Bauteils üblicherweise keine Öffnungen erzeugen. Durch den Entfall eines Gegenhalters ist es jedoch auch möglich, während der Linearbeförderung, während des Markierens oder sogar während des lokalen Entzunderns, insbesondere eines Bauteils aus edelstahlplattierten Manganborstahl, Öffnungen durch Hochgeschwindigkeitsstanzen in dem Blechbauteil herzustellen.
Es ist daher auch nicht erforderlich, eine vorhergehende Profilierung eines späteren Schnittbereiches der Öffnung durch Warm- und/oder Kaltumformung oder ein Vorschneiden bzw. Anschneiden vorzunehmen. Die Öffnung kann in einem einstufigen Verfahren hergestellt sein, wobei das Blechbauteil im Verlauf der Schnittkontur insbesondere eben ist.

Claims

Warmgeformtes metallisches Blechbauteil mit einer Zugfestigkeit Rm > 1300 Megapascal und mit einer Öffnung, welche durch Hochgeschwindigkeitsstanzen mit einer Geschwindigkeit eines Stempels von mehr als 6 m/s ohne einen an die Kontur des Stempels angepassten Gegenhalter hergestellt ist, wobei der Glattschnittanteil der Schnittfläche der Öffnung über 50% beträgt.
Blechbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff ein vor Herstellung der Öffnung pressgehärter oder kalt hochfester Stahl ist.
Blechbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff ausgewählt ist aus folgender Gruppe umfassend: unbeschichteter Manganborstahl, randentkohlter Stahl, plattierter Stahl, Al/Si- und/oder Zn-beschichteter Manganborstahl
Blechbauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ein schalenförmiges Fahrzeugstrukturteil ausgewählt aus der folgenden Gruppe ist: B-Säule oder deren Innenverstärkung, C-Säule oder deren Innenverstärkung, A-Säule oder deren Innenverstärkung, Türaufprallträger, Stoßfängerquerträger, Längsträger, Schweller, Tunnel, Bodenquerträger, Stirnwand.
Verfahren zur Herstellung einer Öffnung in einem warmgeformten und pressgehärteten metallischen Blechbauteil mit den Merkmalen eines der Ansprüche 2 oder 3, wobei eine Öffnung mit geschlossener oder offener Schnittlinie durch Hochgeschwindigkeitsstanzen mit einer Geschwindigkeit eines Stempels von mehr als 6 m/s ohne einen an die Kontur des Stempels angepassten Gegenhalter hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel in mindestens 20 % der Wanddicke des Blechbauteils in das Blechbauteil eindringt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel in mindestens 50 % der Wanddicke des Blechbauteils eindringt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Stempels kleiner als 100 m/s und größer als 10 m/s und alternativ größer als 20 m/s eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel an einem Roboterarm angeordnet ist und von diesem in eine Arbeitsposition relativ zum Blechbauteil bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechbauteil an dem Roboterarm oder an einem weiteren Roboterarm relativ zum Stempel in der Arbeitsposition lagefixiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Öffnung nach oder während einer Entnahme aus einem Presshärtewerkzeug erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Öffnung mittels eines an einem Linearförderer, einem Bauteilmarkierer oder einer Lokal-Entzunderungstation angeordneten Stempels erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung in einem einstufigen Verfahren hergestellt wird ohne vorhergehende Profilierung eines späteren Schnittbereichs durch Warmund/oder Kaltumformung.