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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung eines Blechs zu einem dreidimensionalen Bauteil durch Blechumformung, wobei das Blech mittels einer konduktiven Erwärmungseinrichtung auf eine für die Blechumformung notwendige Temperatur konduktiv erwärmt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Fertigungsanlage zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile aus Blech mit einer konduktiven Erwärmungseinrichtung zur Durchführung eines konduktiven Erwärmungsvorgangs eines Blechs.
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Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der Herstellung von Blech-Bauteilen, bei denen aus einem flachen Blech mit planparallelen oder zumindest im Wesentlichen planparallelen Oberflächen durch ein Verfahren der Blechumformung, z.B. Pressen, Presshärten bzw. Formhärten, ein dreidimensionales Bauteil hergestellt wird, d.h. ein Formteil wie z.B. ein Fahrzeugbauteil. Um das Blech auf die für das Pressen oder Presshärten erforderliche Temperatur zu erwärmen, hat man bisher mit großem Energieaufwand und erheblichem Anlagenaufwand die Bauteile durch Durchlauföfen geführt. Um z.B. den gewünschten Presshärtevorgang durchzuführen, muss das Blech auf eine Temperatur von ca. 950°C erwärmt werden und während der Formgebung, d.h. beim Pressprozess, gezielt abgekühlt werden. Durch diese Abkühlung wird zumindest an einigen Stellen ein Härten des Blechs durch Umwandlung des Blechwerkstoffgefüges in ein martensitisches Gefüge bewirkt, das zu den gewünschten Werkstoffeigenschaften des dreidimensionalen Bauteils führt. Hierbei ist beispielsweise eine Zugfestigkeit von mindestens 1.500 MPa bei einer Dehnung im Bereich von größer als 5% gefordert. Aber auch bei Blechmaterialien, z.B. Aluminium, Magnesium, Titan, bei denen während des Pressens kein Härten erfolgen soll, sondern die Blechumformung mit dem erwärmten Blech anhand eines Pressvorgangs durchgeführt wird, besteht ein Bedarf an einem aufwandsarmen Erwärmen des Blechs.
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Der Markt für pressumgeformte und pressgehärtete Bauteile wächst derzeit ständig. Dabei werden ressourcenschonendere und energiesparendere Fertigungsverfahren angestrebt. Es gibt bereits Vorschläge, konduktive Erwärmungsverfahren zur notwendigen Erwärmung der Bleche zu nutzen. Solche konduktiven Erwärmungsverfahren eignen sich aber nur für im Wesentlichen rechteckige Bleche, da ansonsten die Stromdichten zu sehr variieren und die Erwärmung ungleichmäßig wird. Aus der
DE 10 2014 102 033 B4 geht bereits ein Vorschlag für die konduktive Erwärmung nicht rechteckförmiger Bleche hervor. Aus der
WO 2016/139944 A1 ist die Erwärmung eines Blechs mittels konduktiver Erwärmung bekannt. Hierfür wird eine Elektrodenanordnung mit fest am Blech angeordneten Elektroden und eine Elektrodenanordnung mit über das Blech zu rollenden walzenförmigen Elektroden vorgeschlagen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umformung eines Blechs zu einem dreidimensionalen Bauteil durch Blechumformung hinsichtlich des konduktiven Erwärmens des Blechs weiter zu verbessern. Ferner soll eine hierfür geeignete Fertigungsanlage angegeben werden.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dies umfasst ein Verfahren zur Umformung eines Blechs zu einem dreidimensionalen Bauteil durch Blechumformung, wobei das Blech mittels einer konduktiven Erwärmungseinrichtung auf eine für die Blechumformung notwendige Temperatur konduktiv erwärmt wird, wobei die konduktive Erwärmungseinrichtung wenigstens zwei drehbar gelagerte, walzenförmige Elektroden zur konduktiven Strombeaufschlagung des Blechs aufweist, wobei das Blech zwischen wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden hindurchgeführt und mittels dieser Elektroden konduktiv erwärmt wird, und das Blech im noch durch die konduktive Erwärmung mittels der wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden erwärmten Zustand von der konduktiven Erwärmungseinrichtung einer Presseinrichtung zugeführt wird und dort im noch durch die konduktive Erwärmung erwärmten Zustand durch Pressen zu dem dreidimensionalen Bauteil umgeformt wird. Dementsprechend ist erfindungsgemäß der Erwärmungsprozess mittels der konduktiven Erwärmung getrennt vom Umformprozess, sowohl räumlich als auch hinsichtlich der Verfahrensschritte.
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Die Erfindung erlaubt eine einfache und effiziente Herstellung von Blechbauteilen für alle Anwendungszwecke, z.B. für Straßenfahrzeuge, Schienenfahrzeuge oder Luftfahrzeuge. Die Erfindung erlaubt die Verarbeitung von Blechen aller Art, z.B. Blechen aus Stahl oder, z.B. für Luftfahrzeuge, aus Aluminium, Magnesium, Titan oder vergleichbaren Werkstoffen. Werden Blechmaterialien verwendet, die während des Vorgangs der Blechumformung, d.h. beim Pressen, noch nicht gehärtet werden sollen, so kann anschließend nach dem Blechumformungsvorgang ein gesonderter Vorgang des Härtens durchgeführt werden. Die Erfindung erlaubt insbesondere auch eine einfache und effiziente Herstellung von pressgehärteten Blechbauteilen. In diesem Fall erfolgt die Umformung zu dem dreidimensionalen Bauteil durch einen Presshärtevorgang, d.h. direkt beim Pressen wird durch gezielte Abkühlung das Härten bewirkt, wie eingangs erläutert.
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Dies wird z.B. erreicht durch ein Verfahren zur Umformung eines Blechs zu einem dreidimensionalen Bauteil durch einen Presshärtevorgang, wobei das Blech mittels einer konduktiven Erwärmungseinrichtung auf eine für den Presshärtevorgang notwendige Temperatur konduktiv erwärmt wird, wobei die konduktive Erwärmungseinrichtung wenigstens zwei drehbar gelagerte, walzenförmige Elektroden zur konduktiven Strombeaufschlagung des Blechs aufweist, wobei das Blech zwischen wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden hindurchgeführt und mittels dieser Elektroden konduktiv erwärmt wird, und das Blech im noch durch die konduktive Erwärmung mittels der wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden erwärmten Zustand durch einen Umformprozess zu dem dreidimensionalen Bauteil umgeformt wird und hierbei ein Presshärtevorgang durch gezielte Abkühlung zumindest von Teilbereichen des Blechs oder des gesamten Blechs erfolgt.
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Vorteilhafterweise können erfindungsgemäß beliebig geformte Bleche, d.h. Bleche mit beliebiger Außenkontur, konduktiv erwärmt werden, insbesondere auch nicht rechteckförmige Bleche. Auch Bleche mit anderen Querschnittsveränderungen, z.B. durch Aussparungen im Blech, können auf diese Weise konduktiv erwärmt werden. Es können somit beliebig komplizierte Formplatinen mit jeglicher Geometrie konduktiv erwärmt werden. Durch den sich an die konduktive Erwärmung anschließenden Presshärtevorgang kann durch die gezielte Abkühlung über gekühlte Presswerkzeuge das erwähnte martensitische Gefüge erzeugt werden, das zu den gewünschten Werkstoffeigenschaften führt.
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Als Blechumformung kann man z.B. einen Umformvorgang ohne Zerspanen bezeichnen, bei dem das gewünschte dreidimensionale Bauteil aus einem zugeschnittenen Blechstück, in der Regel einem ebenen Blechstück, in seine endgültige Form gepresst wird, z.B. in einer Presseinrichtung mittels eines Stempels und einer Matrize, oder eines Obergesenks und eines Untergesenks. Dabei kann der Blechwerkstoff nur durch plastische Verformung die gewünschte Form erhalten, also ohne spanendes Bearbeiten und zumindest im Wesentlichen ohne Massivumformung. Der Begriff der Blechumformung kann somit ein von dem Gebiet der Massivumformung klar abgegrenztes technisches Gebiet bezeichnen, d.h. Blechumformung muss nicht zwangsläufig gleichgesetzt werden mit jeder Art des Umformens von Blech.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, dass fortlaufend Bleche mit gleicher Außenkontur in der konduktiven Erwärmungseinrichtung erwärmt werden. Es ist vielmehr möglich, dass wechselweise Bleche mit jeweils unterschiedlichen Außenkonturen durch die konduktive Erwärmungseinrichtung hindurchgeführt und dadurch erwärmt werden.
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Gegenüber konventionellen Herstellungsprozessen kann die Bearbeitungszeit des einzelnen Blechs sowie der dafür erforderliche Energieaufwand erheblich reduziert werden. So kann bei entsprechender Auslegung der konduktiven Erwärmungseinrichtung das Blech innerhalb von wenigen Sekunden, z.B. im Bereich von 1 bis 5 Sekunden, auf die erforderliche Temperatur erwärmt werden.
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Erfindungsgemäß wird somit ein Blech, das als im Wesentlichen plattenförmiges Teil mit planparallelen Oberflächen bereitgestellt wird, z.B. in Form von Tailored rolled blanks, Tailored blanks und Tailored welded Blanks, zu einem dreidimensionalen Bauteil umgeformt.
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Als dreidimensionales Bauteil wird hierbei insbesondere ein Bauteil verstanden, bei dem ein das Bauteil umhüllender Quader hinsichtlich jeder seiner Kantenlängen wenigstens das dreifache Maß, insbesondere das fünffache Maß, der Dicke des verwendeten Blechs aufweist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem Blech beim Hindurchführen des Blechs durch die wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden weder ein Umformprozess noch ein Fügeprozess durchgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass die konduktive Erwärmungseinrichtung mit wenig Aufwand realisiert werden kann, beispielsweise für die Lagerung der drehbar gelagerten Elektroden, und bei Umformprozessen oder Fügeprozessen zusätzlich erforderliche Bauteile nicht notwendig sind.
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Dementsprechend kann beim erfindungsgemäßen Verfahren an dem Blech beim Hindurchführen des Blechs durch die wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden im Wesentlichen keine Umformung erfolgen. Ein eventuell dennoch entstehender Umformgrad des Blechs ist jedenfalls sehr gering, z.B. weniger als 2% Umformung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Blech vor der Durchführung der konduktiven Erwärmung, d.h. außerhalb der konduktiven Erwärmungseinrichtung, in Form eines Blechstücks aus einem Blechvorrat abgetrennt wird. Auf diese Weise kann das Blech bzw. das Blechstück mit im Prinzip beliebiger vorgegebener äußerer Kontur für die konduktive Erwärmung bereitgestellt werden, insbesondere mit einer nichtrechteckigen Kontur. Das Blechstück kann z.B. aus einem Coil herausgeschnitten werden, insbesondere aus einem Coil mit einer Rollenbreite von mehr als 10 cm.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Hindurchführen des Blechs durch die wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden wenigstens ein Blechabschnitt nicht konduktiv erwärmt wird oder auf eine geringere Temperatur konduktiv erwärmt wird. Auf diese Weise können an den jeweiligen Einsatzzweck und den Bedarf angepasste Bauteile aus Blech bereitgestellt werden. So ist es bei vielen Bauteilen aus Blech nicht erforderlich, dass diese die eingangs genannten, hohen Zugfestigkeiten über ihre gesamte Erstreckung aufweisen. Häufig sind die gewünschten hohen Zugfestigkeiten nur in Teilbereichen des Bauteils notwendig, während in anderen Bereichen höhere Dehnungen von beispielsweise 15% bis 17% gewünscht sind, wie z.B. bei dem Fuß einer B-Säule eines Kraftfahrzeugs.
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Durch die genannte Weiterbildung ist es möglich, diese bereichsweise unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften zu erzeugen. Hierzu kann das Blech in den jeweiligen Teilbereichen einer unterschiedlichen Wärmebehandlung bei der konduktiven Erwärmung ausgesetzt werden und dann z.B. dem Presshärtevorgang zugeführt werden. Daher wird das Blech nur in den Bereichen hoher Zugfestigkeit auf eine Temperatur oberhalb des Härtepunkts der Legierung erwärmt ist, sodass nur in diesen Bereichen die Bedingungen einer anschließenden Presshärtung mit einer entsprechenden Gefügeumwandlung gegeben sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Hindurchführen des Blechs durch die wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden der Anpressdruck dieser Elektroden an das Blech konstant gehalten wird, entweder für das vollständige Blech oder zumindest für Teilabschnitte des Blechs. Solche Teilabschnitte des Blechs können insbesondere Abschnitte sein, die durch diese Elektroden auf eine für die Presshärtung mit einer entsprechenden Gefügeumwandlung notwendigen Temperatur konduktiv erwärmt werden. Hierdurch kann eine besonders gleichmäßige konduktive Erwärmung des Blechs während des Hindurchführvorgangs durch die Elektroden erreicht werden. Die Erzeugung des gleichmäßigen Anpressdrucks kann beispielsweise durch eine entsprechende mechanische Konstruktion der konduktiven Erwärmungseinrichtung realisiert werden, z.B. dadurch, dass eine oder beide walzenförmigen Elektroden mit einer bestimmten Nachgiebigkeit aufgehängt sind, z.B. lose und/oder gefedert aufgehängt, sodass sich hierdurch ein gleichbleibender Anpressdruck ergibt. Die walzenförmigen Elektroden können auch durch einen steuerbaren Anspressmechanismus der konduktiven Erwärmungseinrichtung gegen das Blech gepresst werden, z.B. pneumatisch, hydraulisch und/oder elektrisch, d.h. auch in Kombination miteinander. Ist ein solcher Anpressmechanismus vorhanden, so kann der Anpressdruck der Elektroden an das Blech auch durch eine Anpressdruckregelungseinrichtung geregelt werden.
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Da sich die für die Beibehaltung eines gleichmäßigen Anpressdrucks erforderliche Anpresskraft abhängig von dem jeweils zwischen den Elektroden vorhandenen Blechquerschnitt ändert, der über die Länge des Blechs variieren kann, kann als Eingangsgröße für die Regelung des Anpressdrucks und dementsprechend der Anpresskraft z.B. eine über eine Sensoreinrichtung erfasste, den Blechquerschnitt charakterisierende Größe und/oder der jeweils in das Blech eingespeiste elektrische Strom herangezogen werden, den die konduktive Erwärmungseinrichtung abgibt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Hindurchführen des Blechs durch die wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden die durch diese Elektroden in dem Blech erzeugte Stromdichte konstant gehalten wird, entweder für das vollständige Blech oder zumindest für Teilabschnitte des Blechs. Auch hierdurch wird die Erwärmung des Blechs während des Hindurchführvorgangs egalisiert. Für die Konstanthaltung der Stromdichte kann eine Stromdichteregelungseinrichtung eingesetzt werden. Die Stromdichteregelungseinrichtung kann beispielsweise als Eingangsgröße die direkt an den Elektroden gemessene aktuelle Spannung zwischen den Elektroden nutzen, um eine entsprechende steuerbare Spannungsquelle, die die elektrische Energie für die konduktive Erwärmung bereitstellt, anzusteuern. Die Stromdichteregelungseinrichtung kann beispielsweise im Sinne einer Konstantspannungsregelung bezüglich der direkt an den Elektroden gemessenen Spannung zwischen den Elektroden ausgebildet sein. Die Ansteuerung der Spannungsquelle durch die Stromdichteregelungseinrichtung kann alternativ oder zusätzlich auch aufgrund anderer Eingangssignale erfolgen, z.B. aufgrund der erwähnten den Blechquerschnitt charakterisierenden Größe.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Stromdichte konstant gehalten wird, indem die Spannung (Potentialdifferenz) zwischen den Elektroden gemessen und auf einen konstanten Wert geregelt wird und/oder eine den Blechquerschnitt charakterisierende Größe beim Hindurchführen des Blechs durch die wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden kontinuierlich gemessen und hiervon abhängig die an diese Elektroden angelegte Spannung geregelt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zu Beginn des Hindurchführens des Blechs durch die wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden durch das konduktive Erwärmen eine höhere Temperatur des Blechs erzeugt wird, als zum Ende des Hindurchführens. Auf diese Weise kann dem durch den Abkühlungseffekt, der an dem erwärmten Bereich des Blechs während des Weiterführens des Blechs durch die Elektroden auftritt, bewirkten unerwünschten Temperaturgradienten entgegengewirkt werden. So kann nach Abschluss des Hindurchführens des Blechs durch die wenigstens zwei walzenförmigen Elektroden letztendlich ein über seine gesamte Fläche gleichmäßig erwärmtes Blech für den anschließenden Pressvorgang oder Presshärtevorgang bereitgestellt werden.
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Die durch die konduktive Erwärmung erzielte Temperatur des Blechs kann beispielsweise von einem Anfangstemperaturwert T1 , der höher ist als ein Endtemperaturwert T2 , während des Hindurchführens des Blechs durch die wenigstens zwei walzenförmigen Elektroden kontinuierlich abgesenkt werden, z.B. linear oder nach einer anderen Übergangskurve. Alternativ oder zusätzlich kann dem Abkühlungsvorgang des bereits durch die Elektroden hindurchgeführten Teils des Blechs durch eine wärmeisolierte Kammer entgegengewirkt werden, in die der erwärmte Bereich des Blechs hineingefahren wird.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner durch eine Fertigungsanlage gemäß Anspruch 9 gelöst. Dies umfasst eine Fertigungsanlage zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile aus Blech, insbesondere Fertigungsanlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend wenigstens folgende Anlagenteile:
- a) eine konduktive Erwärmungseinrichtung zum Durchführen eines konduktiven Erwärmungsvorgangs eines Blechs, die wenigstens zwei drehbar gelagerte, walzenförmige Elektroden zur konduktiven Strombeaufschlagung des Blechs aufweist, wobei das Blech zwischen wenigstens zwei in Rotation versetzte walzenförmige Elektroden hindurchführbar und mittels dieser Elektroden konduktiv erwärmbar ist,
- b) eine der konduktive Erwärmungseinrichtung nachgeordnete Presseinrichtung, die zum Umformen des Blechs zu dem dreidimensionalen Bauteil durch Blechumformung mittels Pressen des erwärmten Blechs eingerichtet ist,
- c) eine automatische Transporteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Blech im noch durch die konduktive Erwärmung mittels der wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden erwärmten Zustand zur Presseinrichtung zu transportieren und dort für den Pressvorgang zu platzieren.
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Soll in der Presseinrichtung statt eines einfachen Pressvorgangs ein Presshärtevorgang durchgeführt werden, so ist die Presseinrichtung entsprechend zu erweitern, insbesondere mit einer Kühleinrichtung zum gezielten Abkühlen des Blechs während der Formgebung, d.h. beim Pressprozess. Die automatische Transporteinrichtung ist dann dazu eingerichtet, das Blech im noch durch die konduktive Erwärmung mittels der wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden erwärmten Zustand zur Presseinrichtung zu transportieren und dort für den Presshärtevorgang zu platzieren.
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Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Die automatische Transporteinrichtung kann beispielsweise ein Industrieroboter, ein Förderband oder eine Kombination aus solchen Elementen sein.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine konduktive Erwärmungseinrichtung zum Durchführen eines konduktiven Erwärmungsvorgangs eines Blechs, insbesondere konduktive Erwärmungseinrichtung einer Fertigungsanlage der zuvor erläuterten Art, wobei die konduktive Erwärmungseinrichtung wenigstens zwei walzenförmige Elektroden aufweist, die einen zur Durchführung des Blechs zwischen diesen Elektroden eingerichteten Durchführungsspalt zwischen den Elektroden aufweisen, der ohne in dem Durchführungsspalt befindliches Blech eine geringere Weite hat als die Dicke des Blechs, wobei die Anordnung der wenigstens zwei walzenförmigen Elektroden eine Nachgiebigkeit aufweist, durch die der Durchführungsspalt zwischen den Elektroden mittels des durchzuführenden Blechs auf das Maß der Dicke des Blechs aufweitbar ist. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Die konduktive Erwärmungseinrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor erläuterten Art. Durch die nachgiebige Aufhängung der Elektroden können sich die Elektroden dem hindurchzuführenden Blech anpassen, ohne dass das Blech dabei wesentlich verändert wird, wie dies beispielsweise bei einem Walzprozess der Fall wäre. Eine Veränderung der Form des Blechs während des Hindurchführens durch die walzenförmigen Elektroden ist bei der vorliegenden Erfindung nicht angestrebt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die konduktive Erwärmungseinrichtung eine Anpressdruckregelungseinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Anpressdruck der Elektroden an das Blech während der Durchführung des Blechs durch die Elektroden konstant zu halten, entweder für das vollständige Blech oder zumindest für Teilabschnitte des Blechs. Die Anpressdruckregelungseinrichtung kann als mechanische und/oder elektronische Einrichtung ausgebildet sein, wobei für die Erzeugung der Anpresskraft pneumatische, hydraulische und/oder elektrische Aktuatoren eingesetzt werden können. Durch die Konstanthaltung des Anpressdrucks wird eine gleichmäßige Flächenpressung und damit ein gleichmäßiger Übergangswiderstand zwischen den Elektroden und dem Blech sichergestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die konduktive Erwärmungseinrichtung wenigstens eine Stromdichteregelungseinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, die durch die Elektroden bei der konduktiven Erwärmung in dem Blech erzeugte Stromdichte während der Durchführung des Blechs durch die Elektroden konstant zu halten, entweder für das vollständige Blech oder zumindest für Teilabschnitte des Blechs. Die Stromdichteregelungseinrichtung ist als elektronische Einrichtung ausgebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die konduktive Erwärmungseinrichtung wenigstens eine optische Sensoreinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine den Blechquerschnitt charakterisierende Größe beim Hindurchführen des Blechs durch die wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden kontinuierlich zu messen und als Eingangssignal der Stromdichteregelungseinrichtung zuzuführen. Somit kann die Stromdichteregelungseinrichtung die Stromdichte in Abhängigkeit von dem zugeführten Signal, dass den Blechquerschnitt charakterisiert, regeln. Die optische Sensoreinrichtung kann beispielsweise eine Laserabstandsmesseinrichtung, eine elektronische Kamera und/oder weitere Elemente aufweisen. Mittels der Laserabstandsmesseinrichtung kann beispielsweise die jeweils vorhandene Blechbreite gemessen werden. Mittels der Kamera kann das jeweilige Blechprofil sowohl hinsichtlich der Außenkonturen als auch hinsichtlich von Aussparungen im Blech erfasst werden.
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Hierbei ist es vorteilhaft, die den Blechquerschnitt charakterisierende Größe an einer Position vor den Elektroden in Bewegungsrichtung des Blechs gesehen zu erfassen. Auf diese Weise wird die den Blechquerschnitt charakterisierende Größe zeitlich voreilend zum konduktiven Erwärmungsvorgang erfasst, sodass eine entsprechende Regelung der Stromdichte mit wenig Aufwand ohne Regelungs-Stabilitätsprobleme möglich ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anordnung der wenigstens zwei walzenförmigen Elektroden, die den zur Durchführung des Blechs zwischen diesen Elektroden eingerichteten Durchführungsspalt zwischen den Elektroden aufweisen, wenigstens einen Abstandhalter aufweist, durch den auch dann ein Mindestabstand zwischen den Elektroden aufrecht erhalten wird, wenn sich dazwischen kein Blech befindet. Wie erwähnt, weist die Anordnung der wenigstens zwei walzenförmigen Elektroden eine Nachgiebigkeit auf, durch die der Durchführungsspalt zwischen den Elektroden mittels des durchzuführenden Blechs auf das Maß der Dicke des Blechs aufweitbar und somit veränderbar ist. Wenn kein Blech zwischen den Elektroden vorhanden ist, kann sich der Durchführungsspalt somit verkleinern. Durch den Abstandhalter kann in solchen Fällen ein Aufeinandertreffen der Elektroden vermieden werden. Hierdurch kann ein Kurzschluss zwischen den Elektroden vermieden werden, wenn das Blech vollständig durch die Elektroden hindurchgeführt ist und daraus ausgetreten ist. Dementsprechend muss zwischen dem Hindurchführen unterschiedlicher Bleche durch die Elektroden die darin angelegte Spannung nicht abgeschaltet werden, was den Regelungsaufwand für die konduktive Erwärmungseinrichtung vereinfacht.
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Ein weiterer Vorteil des durch den Abstandhalter sichergestellten Mindestabstand ist, dass ein neues Blech automatisch durch die Drehung der walzenförmigen Elektroden hineingezogen werden kann. Der Abstandshalter kann beispielsweise als Anschlag für die Bewegung der Elektroden ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nachgiebigkeit durch eine elastische, lose Lagerung einer oder beider der wenigstens zwei walzenförmigen Elektroden und/oder durch Abstützung einer oder beider dieser Elektroden über eine jeweilige Stützrolle mit einer Elastizität realisiert ist. Hierdurch kann die Nachgiebigkeit auf einfache und kostengünstige Weise realisiert werden. Sind eine oder beide der walzenförmigen Elektroden über eine oder mehrere jeweilige Stützrollen abgestützt, so kann hierdurch die Ausgestaltung der walzenförmigen Elektroden vereinfacht werden, z.B. deren Durchmesser verringert werden, da diese über die Stützrollen abgestützt werden und daher selbst weniger steif sein können.
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Die konduktive Erwärmungseinrichtung kann ferner eine Temperaturregelungseinrichtung aufweisen, die den Vorschub des Blechs durch die Elektroden und/oder die durch das Blech hindurchtretende Stromdichte derart regelt, dass das aus den Elektroden austretende Blech eine gewünschte Solltemperatur erreicht. Die Temperaturregelungseinrichtung kann beispielweise ein Eingangssignal von einem Temperatursensor erhalten, der die Temperatur des Blechs nach dem Austritt aus den Elektroden erfasst. Der Temperatursensor kann z.B. als Pyrometer ausgebildet sein. Mittels der Temperaturregelungseinrichtung kann z.B. die von der elektrischen Energiequelle an die Elektroden angelegte Spannung beeinflusst werden.
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Die walzenförmigen Elektroden können beispielsweise aus einer ausreichend harten Kupferlegierung hergestellt sein, z.B. CuCoBe oder CuBe2. Der elektrische Kontakt von der elektrischen Energiequelle, die den Strom für die konduktive Erwärmung bereitstellt, zu den Elektroden kann z.B. über einen jeweiligen Schleifkontakt oder mehrere Schleifkontakte erfolgen, oder über die Drehachse der jeweiligen Elektrode.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für Bleche, bei denen auch sprunghafte Änderungen des Querschnitts über die Längserstreckung auftreten, z.B. sprunghafte Änderungen größer als 5% oder größer als 50%.
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Die konduktive Erwärmung wird beispielsweise durch Gleichstrom oder Wechselstrom durchgeführt, wobei Gleichstrom bevorzugt ist, da keine nachteiligen induktiven Effekte auftreten. Zudem ist eine schnellere Nachregelung der Stromdichte bei sich veränderndem Blechquerschnitt möglich. Der für die konduktive Erwärmung verwendete Strom kann z.B. aus einem Zweiphasennetz oder einem Dreiphasennetz, z.B. einem Drehstromnetz, entnommen werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- 1 - eine Fertigungsanlage in schematischer Darstellung und
- 2 - eine konduktive Erwärmungseinrichtung und
- 3 - ein weiteres Merkmal der konduktiven Erwärmungseinrichtung und
- 4 - weitere Merkmale der konduktiven Erwärmungseinrichtung.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die in 1 dargestellte Fertigungsanlage weist eine Blechzuschneideeinrichtung 1, eine konduktive Erwärmungseinrichtung 2 sowie eine Presseinrichtung 3 auf. Der Blechzuschneideeinrichtung 1 wird über eine automatische Transporteinrichtung 61 das Blech aus einem Blechvorrat 6, z.B. einem Coil, zugeführt. In der Blechzuschneideeinrichtung 1 wird hieraus das weiter zu verarbeitende Blech 4 in Form eines Blechstücks, z.B. als Formplatine, aus dem Blechvorrat 6 abgetrennt.
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Das Blech 4 wird dann über eine weitere automatische Transporteinrichtung 12 der konduktiven Erwärmungseinrichtung 2 zugeführt. In der konduktiven Erwärmungseinrichtung 2 wird das Blech 4 konduktiv erwärmt, indem das Blech zwischen wenigstens zwei in Rotation versetzten walzenförmigen Elektroden hindurchgeführt und mittels dieser Elektroden konduktiv erwärmt wird. Das durch die konduktive Erwärmungseinrichtung 2 erwärmte Blech 4 wird dann über eine weitere automatische Transporteinrichtung 23 der Presseinrichtung 3 zugeführt. In der Presseinrichtung 3 wird das vom konduktiven Erwärmungsprozess noch erwärmte Blech 4 mittels eines Pressvorgangs oder eines Presshärtevorgangs umgeformt und dabei durch gezielte Abkühlung zumindest in Teilbereichen in gewünschter Weise verfestigt. Hierdurch wird ein dreidimensionales Bauteil 5 hergestellt, das in der 1 beispielhaft in Form einer B-Säule eines Kraftfahrzeugs dargestellt ist.
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Jede der Transporteinrichtungen 61, 12, 23 kann beispielsweise als Industrieroboter, als Förderband oder sonstiges Fördermittel, auch als Kombination daraus, ausgebildet sein.
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Wie in der 1 ferner erkennbar ist, weist das Blech 4 über seine Längserstreckung (in vertikaler Richtung) relativ deutliche Änderungen der Breite und damit des Blechquerschnitts auf. So ändert sich die Blechbreite von einem Wert a fast sprunghaft auf einen im Wesentlichen nur halb so großen Wert b. Diese deutliche Veränderung des Blechquerschnitts stellt eine besondere Herausforderung bei der konduktiven Erwärmung dar, die durch die vorliegende Erfindung in besonders effizienter Weise gelöst wird.
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Die 2 zeigt die konduktive Erwärmungseinrichtung 2 in Seitenansicht. Erkennbar sind zwei walzenförmige Elektroden 20, die drehbar gelagert sind und sich in entgegengesetztem Drehsinn drehen, wie durch die gekrümmten Pfeile angedeutet ist. Die Elektroden 20 können z.B. motorisch in die Drehbewegung versetzt werden. Es ist dabei vorteilhaft, das Blech 4 mit gleichmäßiger Geschwindigkeit durch die Elektroden 20 zu führen. Das Blech 4 kann dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich, z.B. schrittweise, vorwärts bewegt werden. Das Blech 4 wird in der durch den nach rechts weisenden Pfeil angegebenen Richtung durch einen zwischen den Elektroden 20 gebildeten Durchführungsspalt geführt, wobei die Elektroden 20 mit einem gewissen Anpressdruck an dem Blech 4 anliegen. Die Elektroden 20 sind mit einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung 24, z.B. einer steuerbaren Spannungsquelle, elektrisch verbunden. Die Energieversorgungseinrichtung 24 speist den für die konduktive Erwärmung des Blechs 4 erforderlichen Strom in die Elektroden 20 ein.
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Damit die Stromdichte auch bei der erwähnten, relativ starken Querschnittsvariation des Blechs 4 über seine gesamte Länge zumindest im Wesentlichen gleichbleibt, ist eine Stromdichteregelungseinrichtung 23 vorhanden. Diese Stromdichteregelungseinrichtung 23 weist eine Spannungsmesseinrichtung auf, die die direkt an den Elektroden 20 anliegende Spannung, d.h. die Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden 20, über separate Leitungen erfasst. Die Stromdichteregelungseinrichtung 23 erzeugt ein Regelungssignal, das der Energieversorgungseinrichtung 24 zugeführt wird. Beispielsweise kann über das Regelungssignal die von der Energieversorgungseinrichtung 24 an den Elektroden 20 angelegte Spannung derart beeinflusst werden, dass letztendlich auch bei variierender Querschnittsfläche des Blechs die Stromdichte gleichbleibt.
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Die konduktive Erwärmungseinrichtung 2 kann ferner eine Anpressdruckregelungseinrichtung 22 aufweisen, die den Anpressdruck der Elektroden 20 an das Blech 4 konstant hält. Die Anpressdruckregelungseinrichtung 22 kann direkt auf die Elektroden 20 einwirken, oder indirekt über Stützrollen 21, die zur Abstützung der Elektroden 20 dienen. Die Stützrollen 20 können z.B. am Außenumfang eine elastische Beschichtung aufweisen.
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Um die Stromdichteregelungseinrichtung 23 weiter zu verbessern, kann zusätzlich, wie in 3 in einer Draufsicht auf das Blech 4 dargestellt, eine optische Sensoreinrichtung 26 vorhanden sein, z.B. in Form von Laserabstandsmessern, durch die die jeweilige Blechbreite vor Erreichen der Elektrode 20 jeweils erfasst wird und als ein entsprechendes Eingangssignal der Stromdichteregelungseinrichtung 23 zugeführt wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist eine besonders gleichmäßige konduktive Erwärmung des Blechs 4 möglich. Durch den im Vergleich zu den Elektroden 20 hohen Widerstand des Blechs 4 entsteht eine Schaltungsanordnung, bei der der Strom gleichmäßig über den Querschnitt des Blechs 4 abfließt und diesen entsprechend gleichmäßig konduktiv erwärmt. Wie erkennbar ist, weisen die Elektroden 20 im Wesentlichen eine Linienberührung mit dem Blech 4 auf. Für einen zwischen den Elektroden 20 gerade befindlichen Streifen des Blechs 20 wird eine konduktive Erwärmung durch den hindurchfließenden Strom durchgeführt. Nachdem dies erfolgt ist, werden die Elektroden 20 um ihre drehbare Lagerung gedreht und ein neuer Streifen des Blechs 4 ist zwischen den Elektroden 20 angeordnet. Dieser neue Streifen kann einen anders dimensionierten Querschnitt aufweisen, was aber durch die Stromdichteregelungseinrichtung 23 kompensiert wird. Statt eines solchen schrittweisen Bewegens des Blechs kann der gesamte Prozess des Hindurchführens des Blechs 4 durch die Elektroden 20 auch kontinuierlich erfolgen, was am zuvor erläuterten Wirkprinzip nichts ändert. Für den neuen Streifen des Blechs wird somit eine Änderung des Stroms vorgenommen, sodass die Stromdichte im jeweiligen Streifen des Blechs konstant bleibt. Dies wird durch das Signal der Spannungsmesseinrichtung, die die Spannung direkt an den Elektroden 20 misst, sowie durch das Signal der optischen Sensoreinrichtung 26 gestützt.
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Die Elektroden 20 können eine Kühlungseinrichtung aufweisen, z.B. eine Flüssigkeitskühlung. Auf diese Weise kann eine relativ verschleißfreie und damit kontinuierliche Erwärmung der Bleche 4 gewährleistet werden.
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Die 4 zeigt als weitere Merkmale der konduktiven Erwärmungseinrichtung eine den Elektroden 20 nachgeordnete Warmhaltekammer 26. Die Warmhaltekammer 26 kann beispielsweise vorgewärmt sein. Durch die Warmhaltekammer 26 wird eine im Verlaufe des Durchführens des Blechs 4 durch die Elektroden 20 auftretende Abkühlung des vorangehenden Abschnitts des Blechs 4 minimiert.
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Zusätzlich kann ein unerwünschter Abkühlungseffekt der vorangehenden Blechabschnitte dadurch minimiert werden, dass die zuerst durch die Elektroden 20 hindurchgeführten Bereiche des Blechs 4 auf eine höhere Temperatur T2 erwärmt werden als die eigentliche Zieltemperatur T1 , die am Ende des Blechs 4 erzeugt wird. Dies ist in dem unter den Elektroden 20 dargestellten Temperatur-Weg-Diagramm beispielhaft wiedergegeben.
