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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Warmformlinie zur Herstellung warmumgeformter und pressgehärteter Bauteile gemäß den Markmalen im Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben der Warmformlinie gemäß den Merkmalen im Anspruch 7.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Stahlbauteile warmumzuformen und zu härten. Dies wird auch als Warmumformen mit anschließendem Presshärten bezeichnet. Eine Platine aus einer härtbaren Stahllegierung wird dazu zumindest bereichsweise auf eine Temperatur über AC3 Temperatur (Austenitisierungstemperatur) erwärmt. Die Platine befindet sich somit zumindest bereichsweise in einem austenitisierten Zustand. In diesem warmen Zustand sind die Formgebungsfreiheitsgrade vergrößert, so dass in einem Pressumformwerkzeug eine Warmumformung stattfinden kann. Anschließend wird das warmumgeformte Bauteil derart schnell abgekühlt, dass ein Abschreckhärten bzw. Presshärten stattfindet. Insbesondere in den zuvor austenitisierten Bereichen wird somit ein martensitisches und damit hoch- oder höchstfestes Werkstoffgefüge eingestellt.
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Damit die Platinen zunächst auf die Austenitisierungstemperatur, mithin auf ca. 900°C oder mehr, gebracht werden, ist dem Warmumform- und Presshärtewerkzeug eine Erwärmungseinrichtung vorgeschaltet. Diese ist zumeist ein Durchlaufofen, welcher jedoch relativ viel Energie und auch Platz in einer Produktionshalle bedarf.
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In den letzten Jahren ist die platzsparende und deutlich schneller durchzuführende Kontakterwärmung bekannt geworden. Hierbei wird eine Temperierstation verwendet, die Temperierplatten aufweist. Die zu erwärmende Blechplatine wird in die Temperierstation eingelegt und die Temperierstation wird geschlossen. Die in den Temperierplatten vorhandene Wärme geht durch Wärmeleitung in die zu erwärmende Platine über. Dies wird auch als Kontakterwärmung bezeichnet. Beispielsweise ist eine solche Temperierstation aus der
DE 10 2012 110 649 B3 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Warmformlinie mit Temperierstation bereitzustellen, mit der es möglich ist, präzise eine Platine partiell voneinander verschieden zu erwärmen, bei geringem Energiebedarf und besonders kurzer Erwärmungszeit.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Ein verfahrenstechnischer Teil der Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zum Betreiben der Warmformlinie gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 7 gelöst.
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Die Erfindung betrifft eine Warmformlinie zur Herstellung warmumgeformter und pressgehärteter Bauteile aus einer härtbaren Stahllegierung. Die Warmformlinie weist hierzu zumindest eine Temperierstation und eine Warmumform- und Presshärtestation auf, wobei die Temperierstation die Blechplatine mittels Kontakterwärmung partiell, also nur bereichsweise auf über Austenitisierungstemperatur erwärmt. Die Blechplatine wird nachfolgend auch Platine genannt.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich die Warmformlinie dadurch aus, dass die Temperierstation an einem Unterwerkzeug oder an einem Oberwerkzeug eine Temperierplatte aufweist, die insbesondere vollständig auf eine Temperatur größer AC3 Temperatur erwärmt ist. Bevorzugt ist die Temperierplatte hierzu mehr als 50°C, insbesondere mehr als 100°C und besonders bevorzugt mehr als 150°C, ganz besonders bevorzugt mehr als 200°C, jedoch mitunter nicht mehr als 300°C über der AC3 Temperatur erwärmt. Die Temperierplatte deckt mit ihrer flächenmäßigen Erstreckung die Blechplatine vollständig ab. Mithin ist die Temperierplatte flächenmäßig mindestens gleich, bevorzugt größer als die Blechplatine selbst.
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Auf der gegenüberliegenden Seite, also am Unterwerkzeug bzw. am Oberwerkzeug ist eine Profilierung ausgebildet, die bei geschlossener Temperierstation nur bereichsweise mit der Blechplatine zur Anlage kommt, dergestalt, dass Bereiche erster Art der Blechplatine mit der Profilierung vollflächig zur Anlage kommen und austenitisiert werden und Bereiche zweiter Art, die nicht mit der Profilierung zur Anlage kommen, auf eine Temperatur unter AC3 erwärmt werden. Die Profilierung kann auch Maskierung bzw. Maske genannt werden.
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Es hat sich erfindungsgemäß herausgestellt, dass besonders kurze Aufheizzeiten bei gleichzeitig scharf voneinander abgegrenzten Bereichen ermöglicht wird, indem nur eine Temperierplatte aktiv geheizt wird. Eine der Temperierplatte auf der anderen Seite der Blechplatine gegenüber liegende Profilierung, die bevorzugt auch aus metallischem Werkstoff ausgebildet ist, sorgt in den zu austenitisierenden Bereichen für einen vollflächigen Anlagenkontakt und das Aufbringen einer Pressenkraft, so dass in diesen Bereichen ein vollflächiger Anlagenkontakt und damit eine besonders gute Wärmeleitung von Temperierplatte in die Platine erfolgt. Somit ist sichergestellt, dass diese Bereiche besonders schnell und insbesondere prozesssicher auf Austenitisierungstemperatur gebracht werden. Die Bereiche, in denen keine Profilierung ausgebildet ist, werden folglich auch nicht mit der Profilierung zur Anlage kommen, wobei hier bevorzugt ein Spalt bzw. Raum verbleibt. Diese Bereiche werden folglich auch nicht an die Temperierplatte angepresst, sondern kommen lediglich zur Anlage. Diese Bereiche zweiter Art werden somit nicht so stark erwärmt, insbesondere jedoch nicht austenitisiert. Eine Erwärmung erfolgt hier bevorzugt auf eine Temperatur unter AC3 Temperatur, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 400 und 800°C, bevorzugt zwischen 500 und 700°C. Diese Temperatur ist ausreichend, um beim Warmumformen verbesserte Umformgrade zu erreichen. Dadurch, dass das Werkstoffgefüge hier nicht austenitisiert ist, wird dieses durch den nachfolgenden Abschreckvorgang auch nicht oder nur teilweise gehärtet. In der Folge stellen sich weichere bzw. duktilere Bereiche ein, gegenüber den vollständig gehärteten harten Bereichen.
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Erfindungsgemäß ergibt sich der Vorteil, dass auf aufwendige Maßnahmen in dem Warmumform- und Presshärtewerkzeug, beispielsweise partiell beheizte Bereiche oder ähnliches verzichtet werden kann. Auch muss kein partielles Abkühlen, welches eine aufwendige Prozessführung erfordert, in oder vor dem Presshärtewerkzeug vorgenommen werden. Die partiell insbesondere im Takt des Pressenwerkzeuges aufgewärmte Platine kann im Presshärtevorgang vollständig abgeschreckt werden. Partiell voneinander verschiedene Festigkeitsbereiche werden durch das Aufprägen der verschiedenen Temperaturen in der Temperierstation lokal in der Platine erzeugt.
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Die Profilierung erfährt im Rahmen der Erfindung während des Betriebs der Warmformlinie eine indirekte Erwärmung bzw. passive Erwärmung, indem die Profilierung bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist. Während des jeweiligen Anlagenkontakts erfolgt eine Wärmeleitung von der Temperierplatte durch die zu erwärmende Platine auch an die Profilierung. Um zunächst einen Betriebszustand zu erreichen, ist es daher bevorzugt zunächst vorgesehen, dass die Temperierplatte aufgewärmt wird und die Temperierstation geschlossen wird, so dass die Temperierplatte direkt an der Profilierung anliegt. Die Profilierung wird somit auf eine Temperatur erwärmt, welche bevorzugt größer 800°C ist und im folgenden Betrieb der Warmformlinie durch den Anlagenkontakt mit der zu erwärmenden Platine und der damit einhergehenden Erwärmung der Platine ebenfalls auf dieser Temperatur gehalten wird. Dadurch, dass nur eine Temperierplatte erwärmt werden muss, ist erfindungsgemäß die benötigte Energie zum Betrieb der Temperierstation geringer im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Temperierstationen, bei denen auf gegenüberliegenden Seiten angeordnete Temperierplatten erwärmt werden. Gleichzeitig kann durch die Profilierung einen schnelle und effektive sowie prozesssichere Erwärmung der zu erwärmenden Platine stattfinden.
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Damit sich die Profilierung nicht übermäßig erwärmt und/oder Wärmeenergie von der Profilierung an das Unterwerkzeug bzw. Oberwerkzeug abgeführt wird, ist bevorzugt unterhalb der Profilierung bzw. auf der Rückseite der Profilierung eine Isolierlage angeordnet. Verlustwärme, die über die Profilierung abgeführt wird, ist damit weitestgehend vermieden. Bevorzugt befindet sich auch an der Rückseite der Temperierplatte eine Isolierlage. Dies senkt weiterhin den Energieverbrauch der Temperierstation.
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Die Profilierung selbst ist aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet und besteht aus mindestens einem, bevorzugt mehreren Körpern, insbesondere einzelnen Körpern, welche gegenüber dem Unterwerkzeug bzw. Oberwerkzeug überstehend ausgebildet sind. Zwischen den einzelnen Körpern der Profilierung sind somit freie Räume angeordnet, in denen die zweiten Bereiche der zu erwärmenden Platine somit nicht zur Anlage kommen.
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Die Profilierung kann dabei aus Stahl und/oder keramischen Werkstoffen ausgebildet sein, die insbesondere eine hohe Resistenz gegen abrasiven Verschleiß haben. Bevorzugt weist die Profilierung eine Höhe größer gleich 3 mm, insbesondere größer gleich 4 mm, ganz besonders bevorzugt von 5 mm auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Temperierstation ein Durchlaufofen vorgeschaltet ist. Hierbei kann die Blechplatine homogen in dem Durchlaufofen vorerwärmt werden.
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Besonders bevorzugt weist der Durchlaufofen in Durchlaufrichtung zwei aufeinander folgende Temperaturzonen auf. Eine erste Temperaturzone weist bevorzugt eine Temperatur größer AC3 auf. Die Platine wird bei Passieren dieser ersten Temperaturzone bevorzugt vollständig austenitisiert. Insbesondere bei einer vorbeschichteten Platine, besonders bevorzugt mit einer AISi-Beschichtung, wird somit die Vorbeschichtung durch Legieren mit der Platine eine intermetallische Phase ausbilden. Die darauf in Durchlaufrichtung folgende zweite Temperaturzone weist bevorzugt eine geringere Temperatur auf, insbesondere kleiner AC3, so dass die Platine auf eine Temperatur zwischen 500°C und 750°C, insbesondere von im Wesentlichen 600°C temperiert wird. Im Anschluss daran wird die auf ca. 600°C befindliche Platine in die erfindungsgemäße Temperierstation überführt und mittels Kontakterwärmung bereichsweise wiederum auf über AC3 Temperatur erwärmt.
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In bevorzugter Ausgestaltungsvariante kann weiterhin an der Rückseite der Profilierung ein Kühlsystem angeordnet sein. Sollte sich im Zuge des Betriebes die Temperierstation und hier die Profilierung zu stark erwärmen, kann der Prozess mit Hilfe des Kühlsystems sicher gesteuert werden. Insbesondere wird sichergestellt, dass die Bereiche zweiter Art keine Temperatur größer AC1-Temperatur erreichen.
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Als bevorzugte Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist die Temperierplatte und/oder die Profilierung im jeweiligen Unterwerkzeug bzw. Oberwerkzeug mittels Federn, insbesondere Druckfedern gelagert. Somit stehen Profilierung bzw. Temperierplatte in Pressenhubrichtung im geöffneten Zustand der Temperierstation vor. Beim Schließen der Temperierstation kommt somit zeitlich früher ein Anlagenkontakt zustande, was die effektive Anlagenzeit und damit Erwärmungszeit zum Erwärmen der Platine verlängert.
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Alternativ ist es möglich, das gesamte Unterwerkzeug auf Federn aufgehangen zu lagern.
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Insbesondere kann die Temperierstation somit im Takt des Warmumform- und Presshärtewerkzeuges arbeiten. Die effektive Erwärmungszeit ist jedoch durch die Federn bevorzugt verlängert. Der Takt der Warmformlinie beträgt bevorzugt von 3 bis 30s, besonders bevorzugt von 5 bis 20s und insbesondere von 7 bis 10s. In diesem Takt wird somit eine Platine erwärmt. Im Folgetakt wird die erwärmte Platine in das Warmumform- und Presshärtewerkzeug eingelegt, dieses geschlossen, die Platine umgeformt und abschreckgehärtet. Am Ende des Taktes wird das umgeformte und gehärtete Bauteil aus dem Warmumform- und Presshärtewerkzeug entnommen.
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Weiterhin besonders bevorzugt ist die Temperierplatte selbst als elektrischer Widerstand ausgebildet. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Temperierplatte durch Erwärmungsmittel zu erwärmen, wobei dann die Temperierplatte ihre Wärme mittels Kontakterwärmung über Wärmeleitung an die Platine weitergibt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist weiterhin vorgesehen, dass die Profilierung passiv durch den Anlagenkontakt mittels der Blechplatine durch die Temperierplatte erwärmt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfacheren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1a eine erfindungsgemäße Warmformlinie in perspektivischer Seitenansicht,
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1b die Warmformlinie aus 1a mit zusätzlichem Durchlaufofen,
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2 eine erfindungsgemäße Temperierstation in Seitenansicht,
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3 eine alternative Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Temperierstation gemäß 2 und
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4 eine alternative Ausgestaltungsvariante zu 3, bei der das gesamte Unterwerkzeug federnd gelagert ist.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Warmformlinie 1 in perspektivischer Seitenansicht. Eine Platine 2 wird einer Temperierstation 4 zugeführt und in der Temperierstation 4 partiell erwärmt, so dass eine partiell unterschiedlich erwärmte Platine 3 vorhanden ist. Die erwärmte Platine 3 wird in ein Warmumform- und Presshärtewerkzeug 5 transferiert und hier dann durch Schließen des Warmumform- und Presshärtewerkzeuges 5 warmumgeformt und partiell aufgrund der vorher verschiedenen Temperatureigenschaften gehärtet durch Abschrecken.
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In dem Warmumform- und Presshärtewerkzeug 5 wird somit ein warmumgeformtes partiell voneinander verschieden gehärtetes Bauteil 19 hergestellt.
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1b zeigt die Warmformlinie aus 1a, wobei jedoch der Temperierstation 4 ein Durchlaufofen 22 vorgeschaltet ist. Der Durchlaufofen 22 weist in Durchlaufrichtung DL in der hier gezeigten Ausführungsvariante zwei Temperaturzonen T1 und T2 auf. Eine erste Temperaturzone T1 kann dabei bevorzugt auf eine Temperatur von 900°C oder mehr aufgeheizt sein. Eine gegebenenfalls vorbeschichtete, bevorzugt mit AISi vorbeschichtete Platine kann somit vollständig austenitisiert werden. Eine in Durchlaufrichtung DL nachgeschaltete Temperaturzone T2 kann eine demgegenüber geringere Temperatur aufweisen, beispielsweise 500°C bis 750°C, bevorzugt im Bereich von ca. 600°C. Die so vorbeschichtete und gegebenenfalls durchlegierte Platine weist ein homogenes Temperaturprofil auf. Diese kann dann in die Temperierstation 4 überführt werden. Hier wird mittels Kontakterwärmung dann ein jeweils lokal abgegrenztes Temperaturprofil aufgeprägt, so dass scharf berandete Übergangsbereiche zwischen den einzelnen Bereichen mit voneinander verschiedenen Temperaturen erzeugt werden. Zwischen den einzelnen Stationen können nicht näher dargestellte Industrieroboter oder Manipulatoren die jeweils temperierte Platine bzw. das hergestellte Bauteil überführen.
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2 zeigt nunmehr die Temperierstation 4 in geöffnetem Zustand in Detailansicht. An einem nicht näher dargestellten Oberwerkzeug 7 ist eine Temperierplatte 6 angeordnet, welche bevorzugt als elektrischer Widerstand ausgebildet ist. Somit weist diese Anschlüsse zum Beaufschlagen mit elektrischem Strom auf. Auf der gegenüberliegenden Seite im Bereich eines nicht näher dargestellten Unterwerkzeuges 8 ist einen Trägerplatte 9 angeordnet, auf welcher eine optionale Isolierlage 10 angeordnet ist. Gegenüber der Isolierlage 10 stehen mit einer Höhe H Körper 11 als Profilierung 12 über. Zwischen den Körpern 11 sind jeweils Freiräume 13 ausgebildet, die an einer hier dargestellten Unterseite 14 der partiell erwärmten Platine 3 zu einem Nichtanlagenkontakt führen.
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Im Bereich der Körper 11 wird die Platine 2 an die Temperierplatte 6 mit einer Pressenkraft angedrückt. In der Folge werden an der erwärmten Platine 3 Bereiche erster Art 15 ausgebildet sowie Bereiche zweiter Art 16. Die Bereiche erster Art 15 sind vollständig austenitisiert. Die Bereiche zweiter Art 16 sind auf eine Temperatur unter AC3 Temperatur erwärmt. Ist die Temperierstation 4 geschlossen, erfolgt eine Wärmeleitung von der Temperierplatte 6 aufgrund Anlagenkontakt von der Temperierplatte über eine Oberseite 17 in die Platine.
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Insbesondere werden auch die Körper 11 passiv erwärmt. Diese liegen an der Unterseite 14 der Platine 2 an. Es erfolgt folglich eine Wärmeleitung von der Temperierplatte 6 über die Platine auch in die Körper 11. In der Trägerplatte 9 können optional Kühlkanäle 18 angeordnet sein, so dass eine zu starke Erwärmung der Trägerplatte 9 während eines Dauerbetriebs der Temperierstation 4 entgegengewirkt wird. Die Temperierstation 4 wird in Pressenhubrichtung 20 geschlossen.
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3 zeigt die Temperierstation 4 analog zu 2. Hier sind jedoch die Körper 11 durch Federn 21 in Pressenhubrichtung 20 gegenüber der Isolierlage 10 überstehend. Somit sind die Körper 11 federnd gelagert.
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4 zeigt eine alternative Ausgestaltungsvariante, bei der das gesamte Unterwerkzeug 8 federnd gelagert ist, beispielsweise auf einer Werkzeugplatte oder auf einem Untergrund. Auch hierdurch kann die Zeit der wärmeleitenden Anlage von Platine 2 und Körper 11 verlängert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Warmformlinie
- 2
- Platine
- 3
- erwärmte Platine
- 4
- Temperierstation
- 5
- Warmumform- und Presshärtewerkzeug
- 6
- Temperierplatte
- 7
- Oberwerkzeug
- 8
- Unterwerkzeug
- 9
- Trägerplatte
- 10
- Isolierlage
- 11
- Körper
- 12
- Profilierung
- 13
- Freiraum
- 14
- Unterseite
- 15
- Bereich erster Art
- 16
- Bereich zweiter Art
- 17
- Oberseite
- 18
- Kühlkanal
- 19
- Bauteil
- 20
- Pressenhubrichtung
- 21
- Feder
- 22
- Durchlaufofen
- H
- Höhe
- T1
- Temperaturzone
- T2
- Temperaturzone
- DL
- Durchlaufrichtung
