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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Formen einer Komponente.
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HINTERGRUND
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Stanzen ist ein Herstellungsverfahren, das zur Bildung speziell geformter Komponenten aus Werkstückzuschnitten verwendet wird. Stanzen umfasst in der Regel solche Formvorgänge, wie Lochen, Stanzen, Prägen, Biegen, Bördeln und Münzen. Das Verfahren des Stanzens verwendet typischerweise eine Maschinenpresse, um den Werkstückzuschnitt zu formen oder zu schneiden durch Deformierung mit einer Matrize.
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Das Stanzverfahren könnte ein einstufiger Betrieb sein, wo jeder Hub der Presse die gewünschte Form auf das Werkstück erzeugt, oder könnte durch eine Reihe von Stufen auftreten. Obwohl das Stanzverfahren in der Regel auf Blechen durchgeführt wird, kann es auch eingesetzt werden, um Komponenten aus anderen Materialien zu bilden, wie beispielsweise Polystyrol.
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Stanzen eines Werkstücks in eine gewünschte Form wird häufig durch die Fähigkeit des Werkstücks, Deformation zu widerstehen, ohne Risse und Schlitze zu entwickeln, begrenzt. Tempern kann in solchen Fällen verwendet werden, um die Duktilität des Werkstücks zu verbessern, um in die gewünschte Form gebracht zu werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Verfahren zur Formung einer Komponente umfasst das anfängliche Bereitstellen einer Vielzahl von Werkstückzuschnitten. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen einer Kontur in jedem Werkstückzuschnitt, sodass jede Kontur durch einen Bereich des Materials des jeweiligen Werkstückzuschnitts begrenzt wird. Gemäß dem Verfahren kann eine Kontur eines Werkstückzuschnitts im Wesentlichen identisch mit Konturen der anderen Werkstückzuschnitte sein. Das Verfahren umfasst auch das Stapeln der Werkstückzuschnitte, sodass die Kontur eines Werkstückzuschnitt mit den Konturen der anderen Werkstückzuschnitte ausgerichtet ist. Das Verfahren umfasst zusätzlich das gleichzeitige Tempern des Materialbereichs das an der jeweiligen Kontur jedes gestapelten Werkstückzuschnitts angrenzt, um dadurch die Formbarkeit des betreffenden Materialbereichs zu verbessern. Ferner umfasst das Verfahren das Bilden einer Form in zumindest einem der Werkstückzuschnitten über das Strecken des getemperten Materialbereichs, das an die jeweilige Kontur angrenzt, um dadurch zumindest eine Komponente zu formen.
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Der Vorgang des Erzeugens der Kontur in jede der Vielzahl von Werkstückzuschnitten kann ohne Laserschneiden erreicht werden. Des Weiteren kann der Vorgang des Erzeugens der Kontur in jede der Vielzahl von Werkstückzuschnitten durch Matrizenschneiden erreicht werden.
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Der Vorgang des Stapelns der Vielzahl von Werkstückzuschnitten kann durch Anordnung der Werkstückzuschnitte in einer vertikalen Säule erreicht werden. Eine solche vertikale Säule kann zwischen 350 und 450 Werkstückzuschnitten umfassen.
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Der Akt des Bildens der Form in mindestens einem der Werkstückzuschnitte kann einzeln in einer Transferpresse auf jedem Werkstückzuschnitt durchgeführt werden.
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Der Akt des gleichzeitigen Temperns des Materialbereichs von jedem der gestapelten Werkstückzuschnitte kann über eine Induktionsspule erreicht werden.
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Der Akt des gleichzeitigen Temperns des Materialbereichs von jedem der gestapelten Werkstückzuschnitte über eine Induktionsspule kann bei einem Temperaturbereich von 675–800 Grad Celsius erreicht werden.
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Das Material des jeweiligen Werkstückzuschnitts kann ein Mehrphasen-Stahl (AHSS) sein. Der AHSS kann ein Dualphasen-Stahl sein.
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Jedes der Werkstücke kann eine strukturelle Verstärkungskomponente für ein Kraftfahrzeug sein.
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Die oben aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen ganz offensichtlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsform(en) und der besten Art(en) zum Ausführen der beschriebenen Offenbarungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und angehängten Ansprüche hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung einer Kontur, die innerhalb eines repräsentativen Werkstückzuschnitts geschnitten wird.
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2 ist eine schematische Darstellung von Werkstückzuschnitten, wie in 1 gezeigt, die gestapelt werden und ein Material wovon an die Kontur grenzt, die getempert wird.
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3 ist eine schematische Darstellung der Bildung einer Komponente aus dem repräsentativen Werkstückzuschnitt nach dem Tempern, das in 2 gezeigt wird.
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4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Formen einer Komponente veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen beziffert sind, veranschaulichen 1–3 im Detail die Verarbeitung, wie zum Beispiel das Formen einer Vielzahl von Werkstückzuschnitten 10. Solche Werkstückzuschnitte 10 werden oft in Herstellungsprozessen verwendet, wie beispielsweise Metall-Stanzen, das verwendet wird, um speziell geformte Komponenten zu bilden. Jeder Werkstückzuschnitt 10 ist typischerweise ein vorgeschnittenes Stück Blech, beispielsweise aus kaltgewalztem Stahl. Genauer kann das Material 12 des betreffenden Werkstückzuschnitts 10 ein Mehrphasen-Stahl (AHSS) sein.
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AHSS ist eine spezielle Art von legiertem Stahl, der sowohl stark als auch duktil ist. Es gibt mehrere kommerziell erhältliche Qualitäten von AHSS. Eine solche Qualität von AHSS ist Dualphasen-Stahl, der wärmebehandelt wird, um sowohl ein ferritisches als auch martensitisches Gefüge zu erhalten, um einen formbaren, hochfesten Stahl zu erzeugen. Eine andere Art von AHSS ist umwandlungsinduzierter (TRIP) Stahl, der spezielles Legieren und Wärmebehandlungen beinhaltet, um Mengen von Austenit bei Raumtemperatur in normalerweise Austenit freien niedrig legierten ferritischen Stählen zu stabilisieren. Durch Anlegen eines Zugs auf den TRIP-Stahl wird der Austenit veranlasst, einen Phasenübergang zu durchlaufen, um ohne Zugabe von Wärme zu martensieren. Noch eine andere Variante des AHSS ist doppelt induzierter (TWIP) Stahl, der eine bestimmte Art von Zug verwendet, um die Wirksamkeit der Kaltverfestigung der Legierung erhöhen. AHSS ist besonders vorteilhaft für Strukturkomponenten, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden. AHSS ermöglicht Strukturkomponenten von Kraftfahrzeugen, erforderliche Festigkeit zu erhalten, während eine geringere Menge an Material verwendet wird.
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Dualphasen-Stähle bieten eine vorteilhafte Kombination von Festigkeit und Tiefziehfähigkeit oder Formbarkeit infolge ihrer Mikrostruktur, in der eine harte martensitische oder bainitische Phase in einer weichen ferritischen Matrix dispergiert ist. Dualphasen-Stähle weisen auch eine hohe Kalthärtbarkeit auf. Hohe Kalthärtbarkeit wiederum gibt Dualphasen-Stählen gute Dehnungsumverteilungskapazität und Ziehbarkeit sowie mechanische Fertigteil-Eigenschaften, einschließlich Streckgrenze, die denen des Ausgangswerkstücks überlegen sind, zum Beispiel des Werkstückzuschnitts 10. Zusätzlich werden die Zusammensetzung und die Verarbeitung von Dualphasen-Stähle speziell entwickelt, um eine deutliche Erhöhung der Streckgrenze bei Niedrigtemperatur-Wärmebehandlung, wie Lackeinbrennen oder Warmverfestigung (BH), zu fördern.
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Hohe mechanische Fertigteil-Festigkeit verleiht Dualphasen-Stählen ausgezeichnete Dauerfestigkeit und gutes Energieaufnahmefähigkeit, was diese Stähle geeignet für den Einsatz in Strukturkomponenten und Verstärkungen macht. Die Kaltverfestigungskapazität von Dualphasen-Stählen kombiniert mit einem starken Warmverfestigungs-Effekt gibt ihnen ein ausgezeichnetes Potenzial zur Reduzierung des Gewichts von Strukturkomponenten. Aufgrund ihrer hohen Energieaufnahmefähigkeit und Dauerfestigkeit, sind kaltgewalzte Dualphasen-Stähle besonders gut geeignet für Automobil-Struktur- und Sicherheitsteile, wie Längsträger, Querträger und Verstärkungen. Ein 780 kaltgewalzter Dualphasen-Stahl, d. h. der Dualphasen-Stahl mit einer Zugfestigkeit von 780MPa, ist für hochfeste Strukturteile empfohlen, die für das Energiemanagement verantwortlich sind, vor allem in Situationen, wenn die Formbarkeits-Anforderungen höher sind, als die durch gleichwertige Arten von herkömmlichem hochfesten Niedriglegierungs(HSLA)-Stahl angeboten werden.
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In einigen Fällen, um eine notwendige Endform von jedem Werkstückzuschnitt 10 herzustellen, wird zunächst eine Kontur 14 durch Entfernen eines Materialabschnitts 12A und/oder eines Materialabschnitts 12B von jedem Werkstückzuschnitt erzeugt. Die Kontur 14 jedes Werkstückzuschnitts 10 soll im Wesentlichen identisch mit den jeweiligen Konturen jedes anderen betreffenden Werkstückzuschnitts sein. Als Ergebnis wird in jedem Werkstückzuschnitt 10 die Kontur 14 durch einen Bereich 16 des Materials 12 begrenzt. Die Entfernung des Materialabschnitts 12A erzeugt eine bestimmte Außenkontur 14A, während die Entfernung des Materialabschnitts 12B eine Öffnung oder einen geschlossenen Schnitt 14B erzeugt. Wie in 1 gezeigt, wird jede Außenkontur 14A und die Öffnung 14B durch den jeweiligen Bereich 16 begrenzt, der eine Materialkante 18 umfasst. Wie gezeigt, wird die Außenkontur 14A durch den Bereich 16 in dem jeweiligen Werkstückzuschnitt 10 beschrieben, sodass das Material 12 die jeweilige Außenkontur durch die Materialkante 18 definiert. Ferner, in dem Fall der Öffnung 14B, erstreckt sich die Materialkante 18 jedes Werkstückzuschnitts 10 über 360 Grad um die Öffnung, d. h. das Material 12 umgibt und definiert die Öffnung. Die Vielzahl von Werkstückzuschnitten 10 kann einzeln bearbeitet, um die gewünschte Kontur 14 zu erzeugen.
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Bei dem anschließenden Bilden des Werkstückzuschnitts 10, kann der Bereich 16, der die entsprechende Konturen 14 in den Werkstückzuschnitten 10 begrenzt, einer Zugbelastung und erheblicher Ringdehnung durch das Strecken des getemperten Bereichs an der Materialkante 18 unterliegen. Als Ergebnis kann, bei der anschließenden Bildung, der Bereich 16 Kanten, Brüche, Spalten oder Risse entwickeln, die zu erhöhten Ausschussraten der Werkstückzuschnitte 10 und reduzierter Robustheit der fertigen Komponenten führen können. Ein solches Problem ist besonders wahrscheinlich, wenn das Material 12 des Werkstückzuschnitts 10 AHSS ist.
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Die Verwendung eines Lasers, um die Kontur 14 in den Werkstückzuschnitt 10 zu schneiden, kann die Wahrscheinlichkeit von Brüchen in der Materialkante 18 des Bereichs 16 reduzieren. Jedoch verbraucht Laserschneiden der Kontur 14 in den Werkstückzuschnitt 10 viel Zeit und Energie und ist nachteilig für die Produktivität. Matrizenschneiden der Kontur 14 in den Werkstückzuschnitt 10 ist viel wirtschaftlicher. Örtliches Tempern des Materials 12, das die jeweilige Kontur 14 des Werkstückzuschnitts 10 begrenzt, kann verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeit von Brüchen in der Materialkante 18 des Bereichs 16 reduzieren. Jedoch verbraucht Tempern einzelner Werkstückzuschnitte 10 signifikante Zeit und Energie und ist nachteilig für die Produktivität.
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Um die oben genannten Schwierigkeiten zu überwinden, wird die zunächst die Kontur 14 durch Ausschneiden des Materialabschnitt 12A aus jedem Werkstückzuschnitt 10 erzeugt, d. h. ohne Laserschneiden. Insbesondere kann die Kontur 14 über eine Matrize 20 erzeugt werden, die eine obere Matrize 20A und eine untere Matrize 20B aufweist (wie in 1 gezeigt), beispielsweise durch Ausstanzen oder Stanzen des Materialabschnitts 12A in einer Presse 22. Nach der Erzeugung der Kontur 14, kann eine Vielzahl von Werkstückzuschnitten 10 in vertikalen Säulen gestapelt werden, d. h. in Stapeln 24 von Hunderten von Zuschnitten angeordnet, wie zum Beispiel ein Vielfaches im Bereich von 350 bis 450 Zuschnitten, sodass die Kontur 14 von einem Werkstückzuschnitt mit den Konturen der anderen Werkstückzuschnitte im betreffenden Stapel ausgerichtet sind.
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Nach der Anordnung der Vielzahl von Werkstückzuschnitten 10 in dem Stapel 24, kann der Bereich 16 des Materials 12, das die entsprechende Kontur 14 von jedem der Werkstückzuschnitte begrenzt, gleichzeitig lokal getempert werden unter Verwendung einer oder mehrerer Induktionsspulen 26, die mit einer geeigneten Stromversorgung 27 verbunden sind (wie in 2 gezeigt). Solch gleichzeitiges Tempern des Bereichs 16 von jedem der gestapelten Werkstückzuschnitte 10 über eine Induktionsspule(n) 26 soll die Formbarkeit des Bereichs fördern und kann bei einem Temperaturbereich von 675–800 Grad Celsius erreicht werden. Nach einem solchen gleichzeitigen Tempern des Bereichs 16 in jeder der Werkstückzuschnitte 10, kann eine vorbestimmte Form 28 in jedem Werkstückzuschnitte gebildet werden, wie beispielsweise durch Ziehen des Materials 12 in dem Bereich 16 über eine Matrize 21, die eine obere Matrize 21A und eine untere Matrize 21B aufweist (wie in 3 gezeigt). Die Form 28 kann in dem Bereich 16 gebildet werden, während die Möglichkeit von Brüchen usw. minimiert wird, trotz der Tatsache, dass das Material 12 im Bereich 16 Dehnen und erheblicher Ringdehnung unterworfen werden kann. Die Form 28 kann in jeden einzelnen Werkstückzuschnitt 10 mit einer progressiven Matrize in einer Transferpresse (nicht gezeigt) gebildet werden, um dadurch gewünschte Komponenten erzeugen, wie beispielsweise Strukturverstärkungen für Kraftfahrzeuge.
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4 zeigt ein Verfahren 30 zur Herstellung einer Komponente mit der Form 28, beispielsweise Formgebung einer Strukturverstärkung für ein Kraftfahrzeug (die nicht dargestellt ist, aber vom Fachmann auf dem Gebiet verstanden wird), wie oben beschrieben, mit Bezug auf die 1–3. Das Verfahren 30 beginnt in Frame 32, wo es das Bereitstellen einer Vielzahl von Werkstückzuschnitten 10 umfasst und fährt dann mit Frame 34 fort. In Frame 34 umfasst das Verfahren auch das Erzeugen der Kontur 14 in jedem der Vielzahl von Werkstückzuschnitten 10, sodass jede Kontur durch einen Bereich 16 des Materials 12 des jeweiligen Werkstückzuschnitts begrenzt wird. Wie oben mit Bezug auf die 1–3 beschrieben, kann die Kontur 14 aus den jeweiligen Werkstückzuschnitten 10 ohne Laserschneiden ausgeschnitten werden und kann über einen Matrizenschneidevorgang erzeugt werden. Nach Frame 34 fährt die Methode mit Frame 36 fort. In Frame 36 umfasst das Verfahren auch das Stapeln der Vielzahl von Werkstückzuschnitten 10, sodass die Kontur 14 eines Werkstückzuschnitt mit den Konturen der anderen Werkstückzuschnitte ausgerichtet ist. Das Stapeln der Werkstückzuschnitte 10 kann durch Anordnung der Werkstückzuschnitte in einer vertikalen Säule erreicht werden, sodass die Säule zwischen 350 und 400 der Werkstückzuschnitte umfasst.
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Nach dem Stapeln der Vielzahl von Werkstückzuschnitten 10, fährt das Verfahren mit Frame 38 fort. In Frame 38 umfasst das Verfahren das gleichzeitige Tempern des Bereichs 16 des Materials 12, das an der jeweiligen Kontur 14 von jedem der gestapelten Werkstückzuschnitt 10 angrenzt, um dadurch die Formbarkeit des betreffenden Bereichs zu verbessern. Das gleichzeitige Tempern des Bereichs des Materials 12 von jedem der gestapelten Werkstückzuschnitte 10 kann über eine Induktionsspule(n) 26 bei einem Temperaturbereich von 675–800 Grad Celsius erreicht werden. Nach Frame 38 fährt das Verfahren zu Frame 40 fort, wo es das Bilden der Form 28 in zumindest einem der Werkstückzuschnitten 10 über das Strecken des getemperten Bereichs 16 des Materials umfasst, das an die jeweilige Kontur 14 angrenzt, um dadurch zumindest eine Komponente zu formen, die die betreffende Form aufweist. Wie oben in Bezug auf die 1–3 beschriebenen, kann das Material des jeweiligen Werkstückzuschnitts 10 ein Mehrphasen-Stahlblech (AHSS) sein, zum Beispiel der 780 Dualphasen-Stahl. In Übereinstimmung mit der Offenbarung, kann die so von jedem Werkstückzuschnitte 10 gebildete und die Form 28 aufweisende repräsentative Komponente eine Strukturverstärkung für ein Kraftfahrzeug sein.
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Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Offenbarung, doch der Umfang der Offenbarung ist einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während ein paar der besten Arten und Weisen und weitere Ausführungsformen der beanspruchten Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der Offenbarung in den angehängten Ansprüchen. Darüber hinaus sollen die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt sind, nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen aufgefasst werden. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Beispiele einer Ausführungsform beschriebenen Merkmale mit einem oder mehreren anderen gewünschten Merkmalen aus anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, was andere Ausführungsformen zur Folge hat, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen derartige andere Ausführungsformen in den Rahmen des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche.
