DE102016208014A1

DE102016208014A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils

Info

Publication number: DE102016208014A1
Application number: DE102016208014.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Andreas Pfrang
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-11-16
Also published as: WO2017194313A1; EP3455006B1; CN108602104B; EP3455006A1; CN108602104A; US20190070652A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (12) aus einer härtbaren Aluminiumlegierung, mit den Schritten: – Erwärmen eines Rohteils (11) auf eine vorbestimmte Temperatur, – Umformen des erwärmten Rohteils (10) in einem Umformwerkzeug (20) zu einem Halbzeug (11), – Abkühlen des Halbzeugs (11), wobei das Abkühlen nach dem Umformen oder während des Umformens erfolgt, gekennzeichnet durch den Schritt – Umformen des abgekühlten Halbzeugs (11) in einem zweiten Umformwerkzeug (30) zu einem Bauteil (12).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer härtbaren Aluminiumlegierung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Zur Umformung von Aluminium haben sich vier grundsätzlich verschiedene Verfahren etabliert. Beim Kaltumformen im sogenannten T4-Zustand erfolgt das Umformen einer Aluminiumplatine in einem weichen Zustand. Danach wird durch Warmauslagern das Bauteil gehärtet. Beim W-Tempern und Umformen im W-Zustand wird eine Aluminiumplatine zunächst lösungsgeglüht, anschließend abgeschreckt und sofort im sehr weichen Zustand umgeformt. Auch hieran kann sich ein Warmauslagern anschließen zum Härten des Materials. Beim sogenannten Halbwarmumformen wird ein ausgehärteter Werkstoff auf ca. 200 bis 250 °C erwärmt und in diesem warmen und erweichten Zustand umgeformt. Darüber hinaus ist auch das Warmumformen bekannt, bei dem eine aushärtbare Legierung auf Temperaturen über 400 °C erwärmt wird und in einem kalten oder warmen Umformwerkzeug umgeformt wird. Beim Umformen des heißen Aluminiumblechs im kalten Werkzeug ergibt sich ein sehr weicher Zustand des umgeformten Blechs, ähnlich dem des W-Temper Zustands.
Das W-Temper Verfahren stellt erhöhte Anforderung an die Prozessführung der Anlagentechnik, denn die Bauteile müssen in einem engen zeitlichen Prozessfenster nach der Wärmebehandlung umgeformt werden. Die erreichbaren Umformgrade verglichen mit dem Warmumformen sind relativ gering.
Aus der DE 10 2008 032 911 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Formteils bekannt, mit den Schritten: Einlegen eines Aluminiumblechs in ein Umformwerkzeug, Teilumformen des Aluminiumblechs bei Raumtemperatur zu einem teilumgeformten Aluminiumblech, Warmauslagern des teilumgeformten Aluminiumblechs und anschließendes Endumformen des teilumgeformten Aluminiumblechs bei Raumtemperatur in eine Endform des Aluminium-Formteils.
Aus der DE 10 2012 007 213 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Formteils bekannt. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird eine umzuformende Aluminiumplatine erhitzt und unter gleichzeitiger Abschreckung in einem gekühlten Umformwerkzeug umgeformt. Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird die Aluminiumplatine nach dem Erhitzen abgeschreckt, mit einem Schmierstoff versehen und in kaltem Zustand in einem Umformwerkzeug umgeformt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Es ist eine besondere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem größtmögliche Umformgrade erzielbar sind. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches sich durch hohe Taktzeiten bzw. durch starke verfahrenstechnische Vereinfachung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die davon abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer härtbaren Aluminiumlegierung vor. Härtbare Aluminiumlegierungen im Sinne der Erfindung sind sogenannte 7000er Legierungen oder 6000er Legierungen sowie alle weiteren Legierungen, die durch Aushärtung hohe Festigkeitswerte erreichen können. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird ein Rohteil auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Als Rohteil sind beispielsweise Aluminiumplatinen zu verstehen, die vorher von einem Aluminium Coil abgelenkt wurden. Selbstverständlich können Rohteile auch Platinen mit einer vorbestimmten Form sein, die auf die zu erzielende Endform des fertigen Bauteils angepasst sind. Das Rohteil wird auf eine vorbestimmte Temperatur im Bereich von 450 bis 550 °C, insbesondere 500 °C, erwärmt. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird das erwärmte Rohteil in einem kalten Werkzeug umgeformt, wobei das Rohteil bei der Umformung zum Halbzeug gleichzeitig abgekühlt wird. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird das erwärmte Rohteil zunächst abgekühlt und dann in dem Umformwerkzeug umgeformt. In beiden beschriebenen Ausführungsformen erfolgt ein Abkühlen bzw. ein Abschrecken auf Umgebungstemperatur. Die Umgebungstemperatur liegt dabei in einem Bereich von 5 bis 50 °C. Nach dem Umformen liegt das Halbzeug in einem sogenannten W-Zustand vor. In diesem Zustand liegt weist das Rohteil ein weiches Materialgefüge auf.
Kern der Erfindung ist die Erkenntnis, dass in diesem Zustand eine sich unmittelbare Umformung im kalten Zustand anschließen kann, ohne dass das Bauteil lösungsgeglüht werden muss. Durch die Umformung des abgekühlten Halbzeugs in einem zweiten Umformwerkzeug wird nahezu die Endform des Bauteils erzeugt. Im Sinne der Erfindung ist ein Halbzeug ein zweidimensional oder dreidimensional geformtes Formteil. Im Sinne der Erfindung ist ein Bauteil ein ebenfalls zweidimensional oder dreidimensional gekrümmtes Formteil, dessen geometrische Form und Kontur im Wesentlichen dem fertigen Bauteil entspricht. Mit anderen Worten, ist nach dem zweiten Umformen nur noch eine geringfügige Bearbeitung oder auch gar keine Bearbeitung notwendig, um die Endform des Bauteils zu erreichen. Selbstverständlich können jedoch durch Nachbearbeitung noch Löcher eingebracht, Beschichtungen aufgebracht oder geringfügige Beschnitte am Bauteil vorgenommen werden.
Weiterhin kann das erwärmte Rohteil in einem Vorumformschritt zu dem Halbzeug vorgeformt werden und das abgekühlte und vorgeformte Halbzeug in einem zweiten, endkonturnahen Umformschritt zu einem Bauteil endgeformt werden. Bei einer Vorumformung in erwärmten Zustand können sehr große Umformgrade realisiert werden, ohne dass es zu Verfestigungen im Material kommt. Bei der zweiten, endkonturnahen Umformung werden nur noch geringfügige Formanpassungen realisiert, bei denen die Gefahr von Verfestigungen im Material des Bauteils verhältnismäßig gering ist. Durch die Kombination des Warmumformens in einer ersten Umformstufe, wobei der warme Werkstoff in einem kalten Werkzeug umgeformt wird, und im direkten Anschluss des Umformens im W-Zustand als zweite Umformstufe, verlässt das Material des Aluminiumblechs die erste Umformstufe im W-Zustand, der technisch für die zweite Umformstufe genutzt werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass eine zusätzliche Wärmebehandlung, die sonst für das Umformverfahren im W-Zustand notwendig ist, entfällt. Somit kann das Umformvermögen des Werkstoffs optimal ausgenützt werden und das Herstellverfahren um einen Erwärmungsschritt gekürzt werden. Der sogenannte W-Zustand ist in der EN-515:2000 definiert als Zustand unmittelbar nach dem Lösungsglühen und Abschrecken und stellt einen instabilen Zustand dar, da die Bruchdehnung/Umformbarkeit durch die Lagerung bei Raumtemperatur abnimmt.
Weiterhin kann sich das abgekühlte Rohteil vor der Umformung in dem zweiten Umformwerkzeug in einem W-Zustand befinden.
Weiterhin kann in einem anschließenden Verfahrensschritt das Bauteil durch eine Wärmebehandlung gehärtet werden. Eine derartige Wärmebehandlung kann beispielsweise in Form einer Warmauslagerung erfolgen. Dabei wird das Bauteil auf eine Temperatur im Bereich von 80 bis 250 °C, bevorzugt jedoch 200 °C, erwärmt und zwei Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Dadurch wird das Bauteil in einen sogenannten T6 oder einen sogenannten T7 Zustand überführt. Die Zustände T6 und T7 sind ebenfalls in der EN-515:2000 definiert.
Bevorzugt erfolgt vor der Härtung des geformten Halbzeugs ein Beschnitt des vorgeformten Bauteils oder des Rohteils. Das Rohteil bzw. das vorgeformte Halbzeug kann dabei endkonturnah beschnitten werden. Dies bietet den Vorteil, dass der Beschnitt in einem verhältnismäßig weichen Zustand erfolgt. Gegenüber einem Beschnitt des fertigen, d. h. gehärteten Bauteils, ergibt sich ein Vorteil dahingehend, dass der Verschleiß an den Beschnittwerkzeugen wesentlich reduziert werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Beschreibung, die Ansprüche und die Figuren zeigen eine Vielzahl von Merkmalen, die ein Fachmann auch in anderen Kombinationen in Erwägung ziehen würde, um sie an entsprechende Anforderungen anzupassen.
Dabei zeigen in schematischer, vereinfachter Darstellung:
1 den Verfahrensschritt des Aufheizens,
2 den Verfahrensschritt der ersten Umformung,
3 das vorgeformte Halbzeug,
4 den Verfahrensschritt der zweiten Umformung, und
5 den Verfahrensschritt der Bauteilhärtung.
Wie aus 1 ersichtlich ist, wird eine vorgeformte Platine 10 mit Hilfe einer Heizeinrichtung 40 auf eine vorbestimmte Temperatur im Bereich von ca. 500 °C +/– 10 % erwärmt. Das erwärmte Rohteil 10 wird in einem ersten Umformwerkzeug 20, welches eine obere Werkzeughälfte 21 und eine untere Werkzeughälfte 22 umfasst, eingebracht. Die beiden Werkzeughälften 21, 22 sind zum schließen aufeinander zu und zum öffnen voneinander weg bewegbar. Durch Schließen der beiden Werkzeughälften 21, 22 wird das erwärmte Rohteil 10 zu einem Halbzeug 11 umgeformt. Dabei werden große Umformgrade erzielt, so dass die Hauptumformarbeit, die für die Umformung vom Rohteil 10 zum fertigen Bauteil 12 notwendig ist, bereits in dem ersten Umformschritt im Werkzeug 20 verrichtet wird. Das umgeformte Halbzeug 11 kann dabei zeitgleich mit der Umformung in dem Umformwerkzeug 20 abgeschreckt werden.
Alternativ dazu kann es, wie in 3 dargestellt, nachträglich, beispielsweise durch Luft, aktiv oder passiv auf Raumtemperatur bzw. Umgebungstemperatur abgekühlt werden.
Sobald das umgeformte Halbzeug 11 abgekühlt ist, wird es in ein zweites Umformwerkzeug 30 eingebracht. Dieses umfasst analog zum ersten Werkzeug 20 ebenfalls eine obere Werkzeughälfte 31 und eine untere Werkzeughälfte 32, die aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind. Durch Schließen der Werkzeughälften 31 und 32 wird das vorgeformte Halbzeug 11 auf die Endkontur des fertigen Bauteils 12 gebracht. Wie aus 4 ersichtlich ist, werden hierbei nur noch geringfügige Umformgrade erzielt. Das auf Endkontur geformte Bauteil 12 bzw. das lediglich endkonturnah geformte Bauteil 12 wird aus dem zweiten Umformwerkzeug 30 entnommen und mit Hilfe einer Wärmebehandlung gehärtet. Diese Wärmebehandlung ist in 5 gezeigt, bei der mit Hilfe einer zweiten Heizeinrichtung 50 das Bauteil 12 auf eine vorbestimmte Temperatur z. B. im Bereich von 180°C bis 250°C erwärmt wird. Nachdem das Bauteil eine vorbestimmte Zeit, z. B. 2h, dieser Temperatur ausgesetzt wurde, hat das fertige Bauteil vorbestimmte Festigkeitseigenschaften.
Als Endprodukt des Verfahrens entsteht dadurch ein Aluminiumbauteil bzw. ein Aluminium-Formteil, das auf den Zustand T6 bzw. T7 gehärtet und zweifach umgeformt ist. Mit dem Verfahren werden höhere Umformgrade erzielt und Bauteile hergestellt, deren Geometrie mit einem einzelnen Verfahrensschritt nicht abbildbar wäre. Darüber hinaus erfolgt eine Kostenoptimierung durch den Entfall einer Wärmebehandlungsstufe, die aufgrund der Prozesskombination eingespart werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008032911 A1 [0004]
DE 102012007213 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN-515:2000 [0010]
EN-515:2000 [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (12) aus einer härtbaren Aluminiumlegierung, mit den Schritten: – Erwärmen eines Rohteils (11) auf eine vorbestimmte Temperatur, – Umformen des erwärmten Rohteils (10) in einem Umformwerkzeug (20) zu einem Halbzeug (11), – Abkühlen des Halbzeugs (11), wobei das Abkühlen nach dem Umformen oder während des Umformens erfolgt, gekennzeichnet durch den Schritt – Umformen des abgekühlten Halbzeugs (11) in einem zweiten Umformwerkzeug (30) zu einem Bauteil (12).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das erwärmte Rohteil (10) in einem Vorumformschritt zu dem Halbzeug (11) vorgeformt und – das abgekühlte und vorgeformte Halbzeug (11) in einem Endumformschritt zu einem Bauteil (12) endgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das abgekühlte Rohteil (11) vor der Umformung in dem zweiten Umformwerkzeug (30) in einem W-Zustand befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (12) gehärtet wird durch eine Wärmebehandlung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Härtung des Bauteils (12) ein Beschnitt des Bauteils (12), des Halbzeugs (12) oder des Rohteils (10) erfolgt.