DE102016219278A1

DE102016219278A1 - Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Tubenteils

Info

Publication number: DE102016219278A1
Application number: DE102016219278.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Pfestorf
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2018-04-05
Also published as: WO2018065230A1; EP3523064A1; US20190226042A1; CN109414742A; US11131002B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Tubenteils, mit den Schritten: Erzeugen einer Blechplatine, Erzeugen eines Tubenteils durch Kaltumformen der Blechplatine, gekennzeichnet durch den Schritt zumindest abschnittsweises Härten des Tubenteils zu einem hochfesten Tubenteil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Tubenteils gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Im heutigen Kraftfahrzeugbau werden Anbauteile, wie Verkleidungsteile, und dergleichen oder andere Aggregate, wie Getriebe, Motorträger, Hilfsrahmen, u. Ä. an die tragende Grundstruktur bzw. an die Karosserie montiert. Hierzu ist es bislang vorgesehen, an den Anbauteilen oder an den Strukturteilen Aufnahmen vorzusehen, zur Aufnahme von Befestigungsmitteln. Beispielsweise werden Gewindebuchsen, Schraubenmutter und dergleichen an diese Strukturteile befestigt. Dies geschieht in einem separaten Montageschritt, beispielsweise durch Schweißen. Seit geraumer Zeit haben sich jedoch sogenannte Tubenteile im Fahrzeugbau etabliert. Die sogenannte Tube schafft Anbindungsmöglichkeiten direkt im Blechteil bzw. im Bauteil, so dass auf zusätzliche Befestigungsmittel, wie z. B. Gewindebuchsen usw., verzichtet werden kann. Die Tube wird dabei integral, d. h. einstückig in dem Blechteil integriert. Um die Tube in das Blechteil einzubringen, können bislang nur weiche Stähle als Ausgangsmaterial der Blechplatine verwendet werden. Damit weisen solche Tubenteile insgesamt eine geringe Festigkeit auf. Da aus dem Stand der Technik bekannte Tubenteile eine geringe Festigkeit aufweisen, um verhältnismäßig hohe Umformgrade erreichen zu können, sind sie für die Verwendung als Struktur- und Sicherheitsbauteile ungeeignet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem Tubenteile erzeugbar sind, die den Anforderungen an Sicherheits- und Strukturbauteile genügen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Tubenteils vor, mit den Schritten: Erzeugen einer Blechplatine, Erzeugen eines Tubenteils durch Kaltumformen der Blechplatine, wobei zumindest abschnittsweise das Tubenteil zu einem hochfesten Tubenteil gehärtet wird. Dadurch können die hochfesten Tubenteile in den sogenannten Lastfaden der Rohkarosserie Verwendung finden, die im Crashfall den Schutz der Insassen gewährleisten sollen.
Weiterhin kann das Härten des Tubenteils in einem Warmumformschritt erfolgen. Dies bietet den Vorteil, dass Tubenteile mit einer Zugfestigkeit im Bereich von > 1300 MPa erzeugt werden können. Der Warmumformschritt im Sinne dieser Erfindung ist dabei so zu verstehen, dass die Hauptumformarbeit der Blechplatine im Kaltumformen erfolgt und nur noch eine geringe Restumformung beim Warmumformen geschieht. Alternativ dazu kann in dem Warmumformschritt auch keine geometrische Änderung der Bauteilgeometrie erfolgen, so dass im Sinne einer Presshärtung oder Kalibrierung lediglich die Festigkeitswerte des Tubenteils erhöht werden, jedoch nicht dessen Geometrie. Durch die Verwendung pressgehärteter bzw. warmumgeformter Bauteile kann eine Gewichtseinsparung ermöglicht werden, da eine geringere Wanddicke bei gleichen mechanischen Eigenschaften des Bauteils erzielbar ist.
Gemäß einer ersten Variante des Verfahrens erfolgt eine mechanische Bearbeitung, insbesondere das Einbringen von Gewinden in die Tube, nach dem Härten des Tubenteils, wobei das Tubenteil weichere und härtere Abschnitte aufweist. Die Tube bzw. der Bereich, in dem eine mechanische Bearbeitung erfolgt, entspricht einem Abschnitt des Tubenteils, der nach dem Härteschritt weich ist. In diesem Bereich weist das Tubenteil geringe Festigkeitswerte auf als im restlichen Bereich des hochfesten Tubenteils.
dem ungehärteten Tubenteil kann das Tubenteil Festigkeitswerte aufweisen, die dem Festigkeitswert des Materials der Ausgangsplatine entsprechen. Dadurch kann vorteilhafterweise eine besonders einfache mechanische Bearbeitung erfolgen, bei welcher der Verschleiß des Bearbeitungswerkzeugs auf ein Minimum reduziert ist. Mit anderen Worten wird – um eine Nacharbeit des möglichen Gewindes in der Tube zu gewährleisten – dieser Abschnitt der Tube bzw. des Tubenteils in weichem Zustand belassen oder nachträglich in diesem Abschnitt weichgeglüht. Dies kann durch typische Verfahren zur Herstellung weicher Abschnitte in warmumgeformten bzw. pressgehärteten Bauteilen erfolgen. Derartige Maßnahmen können beispielsweise die Verwendung einer Absorbermasse oder eines Hitzeschildes in dem Ofen sein, in dem das bereits kaltumgeformte Tubenteil erwärmt wird. Alternativ kann dazu auch ein 3-D-Hitzestrahler verwendet werden, mit dem nur die zu härtenden Bereiche des kaltumgeformten Tubenteils erwärmt werden, wobei nicht zu härtende Bereiche von dem 3-D-Strahler nicht erfasst werden. Alternativ dazu können jedoch auch Maßnahmen im Warmumformschritt bzw. beim Presshärten erzielt werden. Bei diesen Maßnahmen wird ein Teil des Umformwerkzeugs beheizt bzw. eine thermische Isolierung zwischen dem aufgeheizten Tubenteil und dem Warmumformwerkzeug, beispielsweise in Form eines Luftspalts, vorgesehen. Somit erfährt das Bauteil in diesen Bereich eine langsamere Abkühlung, so dass sich in diesem Abschnitt eine geringere Festigkeit einstellt. Nicht zuletzt können Maßnahmen am gehärteten Bauteil vorgenommen werden, wobei beispielsweise durch induktives Anlassen bestimmte Abschnitte des hochfesten Tubenteils erwärmt werden, wodurch die zunächst durch Härtung erzielte hohe Festigkeit in diesem Bereich wieder reduziert wird.
In einer zweiten Variante des Verfahrens, kann eine mechanische Bearbeitung, insbesondere das Einbringen von Gewinden, vor, während oder nach dem Kaltumformen, aber immer vor dem Härten des Tubenteils stattfinden. Dies bietet den Vorteil, dass das Tubenteil in weichem Zustand mechanisch bearbeitet wird, wobei der Verschleiß an den Werkzeugen auf ein Mindestmaß reduziert wird. Bevorzugt kann die mechanische Bearbeitung direkt im Kaltumformschritt erfolgen. Dabei wird eine besonders zeitoptimierte Verfahrensvariante erzielt.
Weiterhin kann als Material für das Tubenteils ein warmumformbarer Stahl, insbesondere 22MnB5, verwendet werden. Hierbei handelt es sich um einen Martensit-aushärtbaren Vergütungsstahl, dessen hochfeste Eigenschaften sich erst bei der Warmumformung durch Umwandlung in ein martensitisches Gefüge einstellt. Im Ausgangszustand beträgt die Festigkeit von Mangan-Bohr-Stahlsorten etwa 600 MPa. Nach deren Härten, beispielsweise durch Warmumformung, kann eine Zugfestigkeit bis etwa 1800 MPa erzielt werden. Übliche Mangan-Bohr-Stähle enthalten folgende Legierungselemente: 0,19–0,25 % Kohlenstoff, 1,10–1,40 % Mangan und 0,001–0,005 % Bohr. Selbstverständliche können auch andere Stahlsorten erfindungsgemäß verwendet werden, sofern ihre Festigkeitswerte nach dem Härten im Bereich > 1300 MPa liegen.
Darüber hinaus kann der warmumformbare Stahl der Platine mit einer Korrosionsschutzschicht versehen sein, wobei die Platine bzw. das Coil vorbeschichtet ist. Dies bietet den Vorteil, dass das Blechbauteil direkt nach dem Härten weiterverwendbar ist bzw. in die Montage überführt werden kann, ohne dass ein zusätzlicher Beschichtungsschritt erfolgt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann jedoch die Korrosionsschutzschicht in einem zusätzlichen Prozessschritt aufgetragen werden, wobei die Beschichtung wahlweise auf die Platine, auf das kaltumgeformte Tubenteil oder auf das hochfeste Tubenteil erfolgt. Die nachträgliche Beschichtung bietet eine besonders gute Ummantelung des vollständigen Tubenteils, und dadurch einen besonders hohen Korrosionsschutz. Als Beschichtungen eignen sich insbesondere Aluminium-Silizium-Beschichtungen, Zink-Beschichtungen, usw.
Mit dieser Erfindung können Tubenteile mit einer Dehngrenze > 950 MPa und einer Zugfestigkeit > 1300 MPa hergestellt werden. Dies geschieht durch die erfindungsgemäße Verwendung des indirekten Warmumformens bzw. des zweistufigen Warmumformverfahrens zur Herstellung solcher Tubenteile. Bei diesem Verfahren werden zunächst Platinen von einem Coil aus warmumformbaren Material abgeschnitten. Danach werden die Platinen kaltumgeformt, wodurch ein ungehärtetes Tubenteil entsteht. Insbesondere bei der Herstellung von Tubenteilen erfolgt die Kaltumformung in mehreren Schritten, wobei sukzessive in 10–20 Pressverfahren das Bauteil auf seine Endgeometrie umgeformt wird. Bei der Kaltumformung werden die Platinen über zahlreiche Zieh-Stufen umgeformt. Im Allgemeinen erfolgt in einer ersten Zieh-Stufe ein Tief-Ziehen der Platine. In darauf folgenden Umformstufen werden mithilfe von Matrize und Patrize Tubenabschnitte in die tiefgezogene Platine eingebracht, so dass ein Tubenteil mit seiner endgültigen Form sukzessive entsteht. Bei Bedarf kann in einem letzten Pressenschritt des Kaltumformens ein Gewinde eingebracht werden. Das Umformen in kaltem Zustand bietet höhere Freiheitsgrade bzgl. der Verformbarkeit der Platine als das Umformen in heißem Zustand.
Nach dem Kaltumformen kann das Tubenteil mechanisch bearbeitet, beispielsweise durch Einbringen von Gewinden oder durch Beschnitt auf eine gewünschte Kontur, erfolgen. Dabei können auch Lochungen und Stanzungen in dem weichen, unvergüteten Zustand eingebracht werden, da dies mit geringeren Presskräften möglich ist und ein kostenintensiver Laser- bzw. Hartbeschnitt entfallen kann. Die mechanische Bearbeitung kann allerdings auch erst nach dem Härten des Tubenteils erfolgen.
In einem weiteren Schritt werden die kaltumgeformten Tubenteile in einem Ofen auf die Austenitisierungs-Temperatur von ca. 900° C aufgeheizt. Bei diesem Arbeitsschritt kann wahlweise das Tubenteil vollständig erwärmt werden, oder nur bestimmt Abschnitte des Tubenteils erwärmt werden, wobei andere Abschnitte nicht aufgeheizt bzw. nur geringfügig erwärmt werden.
Nach der Aufheizung im Ofen erfolgt eine rasche Abkühlung des Tubenteils. Die Abkühlung erfolgt in einem Werkzeug, wodurch zum einen die Festigkeit des Stahls erhöht wird und zum anderen die Geometrie des Bauteils kalibriert wird. In diesem Werkzeug, in dem das Bauteil abgekühlt wird, kann optional eine Restumformung stattfinden. Sofern nur einzelne Bereiche des Tubenteils im Ofen erwärmt wurden, wird durch die rasche Abkühlung eine Festigkeitserhöhung nur in den vorher aufgewärmten Bereichen erzeugt. Nicht erwärmte Bereiche bzw. Bereiche, die nur unterhalb der Austenitisierungs-Temperatur erwärmt werden, erfahren keine Festigkeitssteigerung. In solchen ungehärteten Bereichen ist eine nachträgliche Bearbeitung nach dem Härten bzw. dem Warmumformschritt des Bauteils noch möglich, ohne dass ein hoher Verschleiß der mechanischen Bearbeitungswerkzeuge in Kauf genommen werden müsste.
Mit diesem Verfahren können dünnwandige Bauteile mit hohen Festigkeitswerten erzeugt werden, an die unmittelbare Aggregate, wie Getriebe, Motor, Motorlager, Aufnahmen für Achsträger und dergleichen, montiert werden können. Dadurch kann im Fahrzeug eine Gewichtseinsparung erzielt werden und zusätzliche Montageprozesse, wie beispielsweise das Montieren von Muttern, entfallen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Tubenteils, mit den Schritten: – Erzeugen einer Blechplatine, – Erzeugen eines Tubenteils durch Kaltumformen der Blechplatine, gekennzeichnet durch den Schritt – zumindest abschnittsweises Härten des Tubenteils zu einem hochfesten Tubenteil.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten des Tubenteils in einem Warmumformschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Bearbeitung, insbesondere Einbringen von Gewinden nach dem Härten des Tubenteils stattfindet, in nicht hochfesten Bereich des Tubenteils.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Bearbeitung, insbesondere Einbringen von Gewinden vor, während oder nach der Kaltumformung und vor dem Härten des Tubenteils stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für das Tubenteil ein warmumformbarer Stahl, insbesondere 22MnB5 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der warmumformbare Stahl mit einer Korrosionsschutzschicht versehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Platine, auf das Tubenteil oder auf das hochfeste Tubenteil eine Korrosionsschutzschicht aufgetragen wird.