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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines formgehärteten Fahrzeugbauteils mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften.
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Seit vielen Jahren ist das Herstellen von crashrelevanten Karosseriebauteilen durch Warmumformen und Formhärten bekannt. Es wird dabei Blechmaterial aus einem härtbaren Stahlmaterial entweder vorgeformt und anschließend zum Zwecke der Austenitisierung erwärmt oder sofort im unverformten Zustand erwärmt. Anschließend erfolgt ein Transfer in ein gekühltes Presswerkzeug und das eigentliche Warmumformen und Formhärten, wobei im Fall der Vorformung von einem indirekten Prozess gesprochen wird und beim Warmformen nur noch eine geringfügige Umformung, ein so genanntes Kalibrieren, stattfindet. Im Falle der direkten Erwärmung des Blechmaterials wird auch vom direkten Warmformen oder direkten Formhärteprozess gesprochen.
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Aus der
DE 10 2014 101 539 A1 ist es bekannt, ein direktes Warmformen derart auszuführen, dass durch unterschiedliche Erwärmung des Blechmaterials beim anschließenden Formhärten abschnittsweise keine vollständige Härtung eintritt.
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In der
EP 2 423 337 A2 wird offenbart, Blechmaterial in Form von flachen Blechplatinen zwischen zwei als Wärmespeicher ausgebildeten Platten einzuspannen, wobei die Platten zunächst Wärme aus einer heißen eingelegten Blechplatine aufnehmen und anschließend Wärme an eine zweite danach eingelegte Blechplatine abgeben. Die so erzeugte Erwärmung oder Abkühlung der Blechplatinen kann auch nur abschnittsweise erfolgen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ausgehend vom genannten Stand der Technik, ein Verfahren zur Herstellung formgehärteter Fahrzeugbauteile mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften sowie eine geeignete Vorrichtung vorzuschlagen, welches hinsichtlich des Produktionsaufwands bei der Wärmebehandlung ökonomischer ist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche 2 bis 11 stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
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Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 12 gelöst.
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Es wird vorgeschlagen, dass zur Herstellung eines formgehärteten Fahrzeugbauteils mit abschnittsweise unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften aus einem Blechmaterial mit abschnittsweise variierender Blechstärke aus einer härtbaren Stahllegierung folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- • Bereitstellen eines Blechmaterials,
- • Optional Vorformen des Blechmaterials,
- • abschnittsweise unterschiedliches Temperieren des Blechmaterials in einer Temperiervorrichtung,
- • Einlegen des temperierten Blechmaterials in ein Formhärtewerkzeug,
- • Umformen und Formhärten des Blechmaterials im Formhärtewerkzeug zum Fahrzeugbauteil,
wobei beim Temperieren zumindest ein erster Flächenabschnitt des Blechmaterials durch direkten Kontakt mit einem Wärmespeicher auf eine erste Temperatur erwärmt oder dessen Temperatur gehalten wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Flächenabschnitt des Blechmaterials gleichzeitig durch den Wärmespeicher kontaktlos weniger stark erwärmt und/oder kontaktlos auf eine niedrigere, zweite Temperatur temperiert wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine besonders einfache Herstellung von formgehärteten Kraftfahrzeugbauteilen möglich, indem die Wärmebehandlung insbesondere von Blechmaterial variierender Blechstärke vereinfacht, die Prozesssicherheit erhöht und ein Übergangsabschnitt zwischen einem vollständig gehärteten ersten Flächenabschnitt und einem daran angrenzenden zweiten Flächenabschnitt ausreichend schmal gestaltet werden kann. Insbesondere kann auf eine aufwändige Segmentierung und Temperaturregelung der aktiv heizenden Flächen beziehungsweise heizenden Teile der Temperiervorrichtung verzichtetet werden, die sonst zur Temperierung von Blechmaterial mit abschnittsweise variierender Blechstärke üblich waren.
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Durch die kontaktlose Temperierung des zweiten Flächenabschnittes ist es erfindungsgemäß besonders einfach möglich, die Temperatur in diesem Flächenabschnitt durch Wärmestrahlung unterhalb der Austenitisierungstemperatur des Blechmaterials zu halten oder auf unterhalb der Austenitisierungstemperatur zu erwärmen.
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Erfindungsgemäß liegt das Blechmaterial als flaches Blechband oder als endkonturnah zugeschnittene beziehungsweise vereinzelte Blechplatine vor. Der Zuschnitt kann auch das Einbringen von Löchern beinhalten und wird bevorzugt vor dem Vorformen durchgeführt. Es ist im Falle des indirekten Prozesses auch möglich, dass nach dem Vorformen des Blechmaterials zur Vorform ein weiterer, der Endkontur des fertig geformten Kraftfahrzeugbauteils im Wesentlichen entsprechender Beschnitt erfolgt, bevor die Vorform temperiert, insbesondere auf Austenitisierungstemperatur erwärmt wird. Somit kann ein Randbeschnitt am formgehärteten Kraftfahrzeugbauteil entfallen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Kraftfahrzeugbauteile herstellen, an welche hohe Ansprüche an Steifigkeit, Energieaufnahmevermögen oder dynamischer Belastbarkeit, Korrosionsschutz und thermischer oder mechanischer Fügbarkeit bestehen. Insbesondere Strukturbauteile wie Säulen, Boden oder Dachquerträger, Aufprallträger, Längsträger, oder Fahrwerkbauteile mit zusätzlicher struktureller Funktion wie Hilfsrahmen, Leiterrahmen sowie Kraftstoff- oder Batteriebehälter sind dabei zu nennen. Wenigstens ein zweiter Flächenabschnitt des formgehärteten Kraftfahrzeugbauteils wird dabei als Solldeformationsstelle, als Fügestelle, als relativ zum ersten Flächenabschnitt weicherer Beschnittrand oder als zu einem späteren Produktionszeitpunkt weiter kalt umzuformender Abschnitt ausgebildet. Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen mit großflächigen ersten Flächenabschnitten, oder zwischen ersten Flächenabschnitten vollständig eingeschlossenen zweiten Flächenabschnitten.
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Bevorzugt weist das Blechmaterial einen ersten Flächenabschnitt mit einer Blechstärke und einen zweiten Flächenabschnitt mit einer relativ dazu geringeren Blechstärke auf, wobei zwischen dem ersten Flächenabschnitt und dem zweiten Flächenabschnitt ein Blechstärkeübergang ausgebildet ist mit einer Breite, in welchem die kleinere Blechstärke des zweiten Flächenabschnitts in die größere Blechstärke übergeht. Dadurch kann am fertigen Kraftfahrzeugbauteil eine verbesserte Anpassung an die Belastungen erfolgen, und beispielweise das Deformationsverhalten des Fahrzeugbauteils bei einem Fahrzeugcrash.
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Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass ein kleineres Blech mit einem größeren Blech flächig stoffschlüssig gekoppelt wird, so dass eine lokale Verstärkung des Blechmaterials beziehungsweise des Kraftfahrzeugbauteils ermöglicht ist. Beide Bleche bilden im Rahmen der Erfindung das Blechmaterial und werden bevorzugt gleichzeitig temperiert und anschließend formgehärtet. Dabei spielt es für die Temperierung keine Rolle, ob das kleinere verstärkende Blech oder das größere Blech die Temperierfläche des Wärmespeichers kontaktiert, solange es sich bei beiden Blechen um Stahllegierungen handelt.
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Ein Vorteil der Erfindung bei Verwendung von Blechmaterialien mit verschiedener Blechstärke ist, dass insbesondere auf eine aufwändige Bearbeitung beziehungsweise Anpassung des Wärmetauschers an die Oberfläche des Blechmaterials verzichtet werden kann. Zudem ist eine Segmentierung des Wärmespeichers zur Anpassung an die verschiedenen Flächenabschnitte und Blechstärkeübergänge oder eine individuelle Temperaturregelung nicht erforderlich.
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Ein Blechstärkeübergang ist weiterhin bevorzugt nur auf der dem Wärmespeicher zugewandten Oberfläche des Blechmaterials ausgebildet, wodurch sowohl die Umformbarkeit zum fertig geformten Bauteil als auch die Koppelbarkeit an oder mit anderen Komponenten des Kraftfahrzeugs, insbesondere der Karosserie, verbessert ist. Typische Blechmaterialien derartiger Ausprägung sind lasergeschweißte Bänder aus unterschiedlich dicken Einzelbändern, lasergeschweißte Blechplatinen aus Einzelplatinen unterschiedlicher Blechstärke oder auf verschiedene Blechstärken flexibel abgewalzte Bänder oder lokal abgewalzte Blechplatinen. Im Falle von lasergeschweißten Blechmaterialien ist der Blechstärkeübergang sehr schmal als Blechstärkesprung ausgebildet und weist eine Wärmeeinflusszone sowie durch optionale Schweißzusatzstoffe oder durch eine vorhandene metallische Vorbeschichtung eine Materialzusammensetzung auf, welche von der des Blechmaterials im ersten Flächenabschnitt und im zweiten Flächenabschnitt abweicht.
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Alternativ ist der Blechstärkesprung insbesondere symmetrisch auf beiden Oberflächen des Blechmaterials ausgebildet, und wiederum aus flexibel abgewalzten Bändern oder lokal abgewalzten Blechplatinen erzeugt, oder als so genannte Tailored Formed Blanks, wobei in einem flachen Blechmaterial mit einem ersten Flächenabschnitt durch Tiefziehen beziehungsweise Abstrecken ein zweiter Flächenabschnitt reduzierter Blechstärke erzeugt wird. Ein Blechmaterial mit einem Blechstärkeübergang relativ großer Breite kann so erzeugt werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist als Wärmespeicher eine Vorrichtung oder ein Element zu verstehen, welche in der Lage ist, eine Wärmemenge geeigneter Größe zumindest für einen kurzen Zeitraum zu speichern. Die Speicherung kann sich allein aufgrund seiner Werkstoffeigenschaften ergeben, beispielsweise bei einer Platte oder einem Block aus einer Stahllegierung mit vorgegebener spezifischer Wärmekapazität. Die Wärmespeicherung kann aber auch infolge einer umfassenden und mehrseitigen Einhausung oder Isolierung und einem als Speichermedium dienenden Grundkörper ausgebildet sein. Das Speichermedium kann bei Umgebungstemperatur sowie bei Einsatztemperatur von bis zu über 1000 Grad Celsius (°C) fest oder flüssig vorliegen. Beispielsweise eignet sich eine ummantelte Salzlauge als Speichermedium innerhalb einer formgebenden Einhausung. In einfacher Ausgestaltung des Wärmespeichers handelt es sich um eine Stahlplatte oder einen Stahlblock mit einer Dicke, welche es erlaubt, ausreichend Wärme an das Blechmaterial abzugeben, ohne dabei selbst während des Temperierens vollständig die Temperatur des Blechmaterials anzunehmen.
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Bevorzugt weist der Wärmespeicher einen Grundkörper aus einem hoch wärmefesten Werkstoff auf. In jedem Fall ist der Grundkörper wärmestabil bis zu einer Temperatur von circa 1500 °C. Vor allem ist die Zunderfreiheit durch ein entsprechendes Legierungskonzept bei Verwendung von Stahl als Werkstoff des Grundkörpers oder durch eine Beschichtung sichergestellt.
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Bevorzugt ist der Wärmespeicher jedoch einteilig und werkstoffeinheitlich, bevorzugt aus einer dickeren Stahlplatte ausgebildet.
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Alternativ kann auch ein keramischer Werkstoff, beispielsweise in Plattenform, Verwendung finden, welcher besonders hohe Temperaturbeständigkeit und niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine Keramikplatte als Wärmespeicher ist bevorzugt in Verbindung mit einer weiteren Keramikplatte zur flächigen Einspannung des Blechmaterials und ohne einen aktiven Schließantrieb während der Temperierung einsetzbar und kann mit besonders hoher Temperatur betrieben werden. Eine geringere Flächenpressung aufgrund des fehlenden Antriebs während der Temperierung dient dem Schutz vor Zerstörung der Keramik, während die Temperatur von bis zu 450 °C oberhalb der Austenitisierungstemperatur der Stahllegierung im ersten Flächenabschnitt eine besonders schnelle Temperierung auf die erste Temperatur innerhalb von unter 10 Sekunden pro Millimeter Blechstärke ermöglicht.
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In einem ersten Aspekt der Erfindung wird das Blechmaterial oder die Vorform nur abschnittsweise auf mindestens die Austenitisierungstemperatur des Blechmaterials temperiert. Bevorzugt erfolgt die Temperierung von der Umgebungstemperatur ausgehend. Die Umgebungstemperatur liegt gewöhnlich im Bereich zwischen 5 und 60 Grad Celsius, während die Austenitisierungstemperatur abhängig ist von der Stahllegierung des Blechmaterials, und zwischen 800 und 950 Grad Celsius beträgt. Es handelt sich bei der Temperierung in diesem Fall also um eine Erwärmung. Dadurch wird erreicht, dass nur in mindestens einem ersten Flächenabschnitt das Blechmaterial vollständig austenitisiert, das heißt, dessen Mikrogefüge rekristallisiert wird, während weitere, zweite Flächenabschnitte nicht oder nur unvollständig rekristallisiert werden. Für die weiteren, zweiten Flächenabschnitte liegt bevorzugt ein ferritisch-perlitisches Mikrogefüge nach der Temperierung vor. Diese Temperierung erfolgt in der Temperiervorrichtung. Während des anschließenden Formhärtens wird nur der oder die ersten, zuvor austenitisierten Flächenabschnitte durch eine Gefügeumwandlung von Austenit in Martensit gehärtetet.
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Erfindungsgemäß können durch das Formhärten des Blechmaterials aus einer härtbaren Stahllegierung Zugfestigkeiten im ersten Flächenabschnitt von 1350 und 2000 Megapascal (MPa) am fertigen, gehärteten Fahrzeugbauteil eingestellt werden. Die maximale Zugfestigkeit ist dabei abhängig unter anderem vom Kohlenstoff- und Mangangehalt der verwendeten Stahllegierung. Im zweiten Flächenabschnitt lassen sich Zugfestigkeiten von 550 bis ca. 1000 MPa einstellen.
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Es eignen sich beispielsweise Manganborstähle der Sorte 22MnB5 oder 37MnB5 für das erfindungsgemäße Verfahren. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass die härtbare Stahllegierung eine Mittellage eines mehrlagigen Verbundbleches darstellt, welche insbesondere von zwei mit der Mittellage vollflächig stoffschlüssig verbundenen Außenlagen aus einer ferritisch rostfreien Stahllegierung begrenzt wird.
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In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird das Blechmaterial oder die Vorform zunächst vollständig auf mindestens die Austenitisierungstemperatur des Blechmaterials erwärmt. Bevorzugt erfolgt die Erwärmung von Raumtemperatur ausgehend. Dadurch wird erreicht, dass das gesamte Blechmaterial vollständig austenitisiert wird. Erst anschließend wird das austenitisierte Blechmaterial in der Temperiervorrichtung in mindestens einem ersten Abschnitt auf oberhalb der Austenitisierungstemperatur gehalten, während gleichzeitig das Blechmaterial in mindestens einem weiteren Abschnitt auf unterhalb der Austenitisierungstemperatur, mindestens aber um 200 Kelvin (K) abgekühlt wird. In diesem Fall handelt es sich bei der Temperierung also um eine kombinierte, abschnittsweise Abkühlung und ein abschnittsweises Halten der Temperatur. Während des anschließenden Formhärtens wird nur der oder die ersten, zuvor austenitisierten Flächenabschnitte durch eine Gefügeumwandlung von Austenit in Martensit gehärtet.
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Im Falle des direkten Warmformprozesses erfolgt die Temperierung in der Temperiervorrichtung bevorzugt mittels eines plattenförmig ausgebildeten Wärmespeichers. Das Blechmaterial wird im flachen Zustand dabei entweder zwischen ein Werkzeugpaar, bestehend aus einem Wärmespeicher und einer Isolierplatte, eingelegt und ähnlich wie in einer Presse durch Zusammenfahren von Isolierplatte und Wärmespeicher fixiert. Es ist aber auch möglich, die Isolierplatte durch einen zweiten Wärmespeicher zu ersetzen, wobei das dazwischen angeordnete Blechmaterial während der Temperierung fixiert wird.
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Im Falle des indirekten Warmformprozesses erfolgt die Temperierung in der Temperiervorrichtung bevorzugt mittels einer der Kontur der Vorform angepassten wärmespeichernden Formschale.
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Bevorzugt wird der Wärmespeicher durch einen Induktor, durch einen Brenner, durch einen Heizstrahler oder durch elektrische Widerstandsheizung beheizt. Damit kann die Temperatur innerhalb des Wärmespeichers abhängig vom Betriebszustand gezielt eingestellt werden. Eine direkte Einwirkung der Wärmequelle auf das Blechmaterial, was im Falle von offenen Brennerflammen und oberflächennahen Induktorwindungen schädlich wäre, findet nicht statt. Alternativ ist es auch möglich, dass der Wärmespeicher als ohmscher Widerstand in einem Strompfad zwischen Elektroden selbstheizend betrieben wird. Dies hat Wirkungsgradvorteile zur Folge und bewirkt eine schnellere Regulierbarkeit und Wiedererwärmung nach einem Stillstand.
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Die Dicke des Wärmespeichers beträgt im Kontaktbereich zu dem ersten Flächenabschnitt mindestens 3 Millimeter, bevorzugt zwischen dem 1,5-fachen und dem 5-fachen der Blechstärke des Blechmaterials. Dadurch ist gewährleistet, dass die Wärmemenge im Wärmespeicher ausreichend bemessen ist, um die Temperierung des Blechmaterials präzise und in den einzelnen Flächenabschnitten jeweils ausreichend homogen durchzuführen.
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Weiterhin kann vorgesehen werden, dass das Blechmaterial eine vor Verzunderung und Korrosion schützende metallische Beschichtung aufweist. Beispielsweise kann eine Aluminium-Silizium-Beschichtung des Blechmaterials im direkten Warmformprozess Anwendung finden. Diese schützt während der Temperierung das Blechmaterial vor Verzunderung und bewirkt zusätzlich einen zumindest temporären Korrosionsschutz. Erforderlich ist allerdings, dass zunächst eine Erwärmung zum Zwecke der Durchlegierung der Beschichtung mit der Stahllegierung des Blechmaterials durchgeführt wird, bevor eine abschnittsweise unterschiedliche Temperierung in der Temperiervorrichtung durchgeführt wird. Andernfalls würde die Beschichtung aufgrund des hohen Temperaturunterschiedes wegfließen, mit dem Wärmespeicher verkleben oder sogar verdampfen.
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Gleiches gilt auch bei metallischen Beschichtungen des Blechmaterials auf Zink-Legierungsbasis, welche allerdings auch im indirekten Warmformprozess verarbeitbar sind.
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Erfindungsgemäß bevorzugt weist wenigstens ein Flächenabschnitt die metallische Beschichtung auf. Bevorzugt weisen alle Flächenabschnitte des Blechmaterials und des Fahrzeugbauteils die metallische Beschichtung auf.
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Alternativ kann vorgesehen werden, dass das Blechmaterial aus verschiedenen einzelnen Blechen zusammengesetzt und verschweißt wurde. Die Verschweißung erfolgt insbesondere durch Laserschweißen oder Laserhybridschweißen entlang der Stirnflächen der einzelnen Bleche. In diesem Fall ist es auch möglich, dass nur diejenigen Flächenabschnitte des Blechmaterials, welche am fertig eingebauten Fahrzeugbauteil in besonders korrosionsgefährdeter Lage angeordnet sind, die Beschichtung aufweisen. Ein derartiges Blechmaterial wird auch Tailored Welded Blank genannt. Natürlich ist es auch möglich, dass unterschiedliche Flächenabschnitte unterschiedliche metallische Beschichtungen aufweisen.
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Dazu kann vorgesehen werden, dass das Blechmaterial zum Zwecke der Durchlegierung der metallischen Beschichtung vor der abschnittsweise unterschiedlichen Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur erwärmt wird.
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Wichtig ist erfindungsgemäß, dass metallisch beschichtete Blechmaterialien stets durchlegiert werden, bevor diese in der Temperiervorrichtung erneut erwärmt werden. Die Erwärmung für das Durchlegieren kann in bekannten Öfen durchgeführt werden, im Falle eines Durchlaufofens für vereinzelte Blechplatine innerhalb einiger Minuten, oder bis zu mehreren Stunden im Falle eines Haubenofens für gewickelte Blechbänder.
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Es kann vorgesehen werden, dass das Blechmaterial im ersten Flächenabschnitt unter Druck auf den Wärmespeicher aufgepresst wird, wodurch der Wärmeübergang im Kontaktbereich verbessert und die Temperierdauer reduziert wird. Dazu kann im Falle eines unter dem Blechmaterial angeordneten Wärmespeichers von oben eine schwere Masse oder ein weiterer Wärmespeicher aufgebracht werden, wodurch aufgrund der Gewichtskraft bereits eine gute Kontaktierung und damit eine gute Wärmeleitung erfolgt. Gleichzeitig ist damit sichergestellt, dass die sich infolge der Wärmeausdehnung des Blechmaterials einstellenden Reibungskräfte zwischen Temperierfläche und Blechmaterial überwunden werden können, so dass sich das Blechmaterial ungestört ausdehnen kann, ohne dass die das Blechmaterial kontaktierende Temperierfläche bzw. der Wärmespeicher plastisch verformt werden.
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Es ist aber auch möglich, dass aktiv eine Druckkraft während des Temperierens aufgebracht wird, beispielsweise durch einen Antrieb, wie zum Beispiel einen Hydraulikantrieb, und der Antrieb im Falle eines oberhalb des Blechmaterials angeordneten Wärmespeichers oberhalb oder im gegenteiligen Falle unterhalb eines Wärmespeichers angeordnet wird.
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Weiterhin kann vorteilhaft sein, wenn in der Temperiervorrichtung, insbesondere im oder am Wärmespeicher, Positioniermarken angeordnet sind, wodurch die genaue Einlegeposition des Blechmaterials vor der Erwärmung bestimmt werden kann.
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Weiterhin kann vorgesehen werden, dass das Blechmaterial auf einer der Temperierfläche des Wärmespeichers abgewandten Oberfläche durch eine Aufnahme oder eine Isolierung oder einen weiteren Wärmespeicher zumindest im ersten Flächenabschnitt kontaktiert wird. Insbesondere bei kleineren Blechstärken unterhalb von 2 Millimeter ist ein nur einseitig angeordneter Wärmespeicher vorteilhaft, da kürzere Aufheizzeiten und/oder Taktzeiten von unter 20 Sekunden bei niedrigen Investitionskosten möglich sind. Dagegen bietet es sich an, einen zweiten Wärmespeicher auf der gegenüberliegenden Seite des Blechmaterials anzuordnen, wenn die Blechstärke 2 Millimeter übersteigt.
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Bevorzugt weist das Blechmaterial eine dem Wärmespeicher zugewandte Oberfläche auf, und der Wärmespeicher weist eine dem Blechmaterial zugewandte Temperierfläche auf. Die Temperierfläche des Wärmespeichers weist zu der dem Wärmespeicher zugewandten Oberfläche des Blechmaterials im zweiten Flächenabschnitt während der Temperierung einen Abstand auf, der zwischen dem 0,2-fachen und dem 5-fachen der Blechstärke des zweiten Flächenabschnitts des Blechmaterials eingestellt wird. Damit wird bewirkt, dass der zweite Flächenabschnitt nicht unzulässig stark erwärmt wird. In jedem Fall wir erreicht, dass auch unter Berücksichtigung von Wärmeausdehung oder Durchbiegung der Temperiervorrichtung kein Kontakt zwischen Wärmespeicher und zweitem Flächenabschnitt entsteht. Der Abstand wird bevorzugt durch die maßliche Auslegung des Wärmespeichers eingestellt. Es ist aber auch möglich, dass während der Temperierung der Abstand gezielt durch Stellmittel am Wärmespeicher oder an dem Blechmaterial eingestellt wird.
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Besonders bevorzugt wird der Abstand zwischen Temperierfläche des Blechmaterials und der Oberfläche des Wärmespeichers zwischen dem 0,25-fachem und dem 3-fachen der Blechstärke des zweiten Flächenabschnitts eingestellt. Im Falle zweier das Blechmaterial zwischen sich aufnehmenden Wärmespeicher kann der Abstand zwischen dem einfachen und dem dreifachen der Blechstärke des zweiten Flächenabschnitts eingestellt werden.
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Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen werden, dass zwischen dem ersten Flächenabschnitt und dem zweiten Flächenabschnitt des Blechmaterials ein Übergangsabschnitt ausgebildet wird, indem im Übergangsabschnitt ein Abstand zwischen Temperierfläche des Wärmespeichers und der Oberfläche des Blechmaterials eingestellt wird, welcher größer ist als der Abstand zwischen der Temperierfläche des Wärmespeicher und der Oberfläche des Blechmaterials im zweiten Flächenabschnitt. Am einfachsten wird dies insbesondere durch eine abgestufte oder zunehmende Vertiefung in der Oberfläche des Wärmespeichers erreicht. Insbesondere wird der Abstand im Übergangsabschnitt mindestens doppelt so groß wie der Abstand zwischen der Oberfläche des Wärmespeichers und der Temperierfläche des zweiten Flächenabschnitts, höchstens aber auf 20 Millimeter eingestellt. Der erhöhte Abstand wirkt ausgleichend dahingehend, dass die Wärmestrahlung von der Temperierfläche zu dem Blechmaterial lokal reduziert wird, und so eine Temperaturerhöhung infolge der Wärmeleitung vom wärmeren ersten Flächenabschnitt zum kälteren zweiten Flächenabschnitt innerhalb des Blechmaterials begrenzt wird. Verstärkt werden kann dieser Effekt durch eine winkelige Ausrichtung der Oberfläche des Wärmespeichers zur Temperierfläche des Blechmaterials im Bereich des Abstands, insbesondere durch eine zunehmend tiefer werdende Vertiefung. Somit wird die Wärmeabstrahlung auf das Blechmaterial weiter reduziert. Insbesondere durch eine V-förmige oder U-förmige Vertiefung im Wärmespeicher wird die Abstrahlung vom Wärmespeicher und damit eine Wärmeübertragung auf das Blechmaterial in diesem Bereich weiter reduziert. Eine aktive Kühlung zumindest im Wärmespeicher ist nicht notwendig.
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Durch Vorsehen des genannten Abstands zwischen Blechmaterial und Temperierfläche kann die Breite der Übergangsabschnitte zwischen erstem und zweitem Flächenabschnitt bei einem Blechmaterial mit einer Blechstärke kleiner 1,5 Millimeter zwischen 10 und 50 Millimeter, bevorzugt zwischen 15 und 30 Millimeter betragen.
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Bei einer Blechstärke größer 1,5 Millimetern kann die Breite des Übergangsabschnitts zwischen 10 und 40 Millimetern, bevorzugt zwischen 10 und 25 Millimeter betragen. Je geringer die Breite des Übergangsabschnitts, umso geringer sind die nicht definierten mechanischen Eigenschaften und damit einhergehenden nicht simulationsfähigen Flächenanteile bei der Auslegung eines Fahrzeugbauteils.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Blechmaterial mit einem zweiten Flächenabschnitt aus wenigstens einer Stahllegierung verwendet, welche von der Stahllegierung des ersten Flächenabschnitts des Blechmaterials verschieden ist.
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Dabei kann es sich um einen metallischen Werkstoff, insbesondere aus einer nicht abschreckhärtbaren Stahllegierung handeln. Bevorzugt weist der zweite Flächenabschnitt am fertigen Kraftfahrzeugbauteil eine erhöhte Bruchdehnung gegenüber dem ersten Flächenabschnitt auf. Damit ist es möglich, gezielt Bauteileigenschaften belastungsgerecht und/oder umformverfahrensgerecht zu gestalten. Die Verbindung beider Flächenabschnitte bzw. Blechmaterialien wird bevorzugt durch Laserschweißen hergestellt.
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Alternativ ist es möglich, dass ein kleineres Blech mit einem größeren Blech flächig stoffschlüssig gekoppelt ist, so dass eine lokale Verstärkung des Blechmaterials beziehungsweise des Kraftfahrzeugbauteils ermöglicht ist. Beide Bleche bilden das Blechmaterial und werden bevorzugt gleichzeitig temperiert und anschließend formgehärtet.
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Bevorzugt weist der Wärmespeicher vor der Temperierung zumindest bereichsweise eine Temperatur auf, welche größer ist als die Zieltemperatur des erwärmten Blechmaterials im ersten Flächenabschnitt. Insbesondere beträgt die Temperatur unmittelbar vor Beginn der Temperierung mindestens 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin oberhalb der Zieltemperatur. Im Falle einer gewünschten Formhärtung im ersten Flächenabschnitt ist die Temperatur somit mindestens 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin oberhalb der Austenitisierungstemperatur der Stahllegierung. Damit wird erreicht, dass die Zeitdauer der Erwärmung des Blechmaterials insbesondere auf eine erste Temperatur im ersten Flächenabschnitt weniger als 20 Sekunden, insbesondere weniger als 10 Sekunden beträgt. Diese Ausführungsform ist lediglich für die Temperierung anwendbar, welche von einem kalten Blechmaterial oder von einer Ausgangstemperatur des Blechmaterials unterhalb der Austenitisierungstemperatur ausgeht.
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Erfindungsgemäß bevorzugt weist der Wärmespeicher zumindest vor der Temperierung an der Temperierfläche eine homogene Temperatur auf. Eine aufwendige partiell unterschiedliche Erwärmung des Wärmespeichers ist somit nicht notwendig.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung, insbesondere zur Verwendung in vorstehend beschriebenem Verfahren.
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Die Temperiervorrichtung zur unterschiedlichen Temperierung eines Blechmaterials umfasst wenigstens einen Wärmespeicher zum Erwärmen oder Halten einer Temperatur eines ersten Flächenabschnitts des Blechmaterials durch direkten Kontakt einer dem Wärmespeicher zugewandten Oberfläche des Blechmaterials im ersten Flächenabschnitt mit einer Temperierfläche des Wärmespeichers.
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Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher derart ausgebildet ist, dass die Temperierfläche des Wärmespeichers während des Temperierens zu der dem Wärmespeicher zugewandten Oberfläche des Blechmaterials in einem zweiten Flächenabschnitt beabstandet ist, wobei der Abstand zwischen dem 0,2-fachen und dem 5-fachen der Blechstärke des zweiten Flächenabschnitts des Blechmaterials entspricht. Somit ist es möglich, dass der Wärmespeicher den zweiten Flächenabschnitt kontaktlos weniger stark erwärmt und/oder auf eine niedrigere, zweite Temperatur temperiert. Der Mindestabstand von weniger als der 0,2-fachen Blechstärke bewirkt je nach Dauer der Temperierung das Einstellen eines Temperaturunterschiedes zwischen erstem und zweitem Flächenabschnitt von mindestens 50 bis 100 °C. Bei einem Abstand von mehr als der 5-fachen Blechstärke wird der zweite Flächenabschnitt nur noch unzureichend von der Temperierfläche wärmebestrahlt und der Temperaurabfall im zweiten Flächenabschnitt ist zu groß.
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Im Folgenden werden weitere Vorteile, Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Figuren näher erläutert. Für gleiche oder ähnliche Merkmale wurden zur besseren Übersichtlichkeit die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigt im Einzelnen
- 1 ein Verfahrensablaufschema,
- 2 die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung in einer ersten Ausführungsform,
- 3 die erfindungsgemäße Temperierungsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform,
- 4 die erfindungsgemäße Temperierungsvorrichtung in einer dritten Ausführungsform,
- 5 die erfindungsgemäße Temperierungsvorrichtung in einer vierten Ausführungsform,
- 6 die erfindungsgemäße Temperierungsvorrichtung in einer fünften Ausführungsform,
- 7 die erfindungsgemäße Temperierungsvorrichtung in einer sechsten Ausführungsform
- 8 die erfindungsgemäße Temperierungsvorrichtung in einer siebenten Ausführungsform.
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1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren in einem Ablaufschema.
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Zunächst wird ein Blechmaterial 10 bereitgestellt und zugeschnitten 100. Anschließend kann eine Kaltumformung 110 erfolgen, oder das Blechmaterial wird sofort erwärmt.
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Die Erwärmung erfolgt dann in einem ersten Fall als homogene Erwärmung 120 auf mehr als Austenitisierungstemperatur, wobei dabei auch eine Durchlegierung einer eventuell vorhandenen Beschichtung durchgeführt werden kann. Danach folgt eine unterschiedliche Temperierung 130, im ersten Flächenabschnitt durch ein weiteres Erwärmen beziehungsweise Halten auf Austentisierungstemperatur und im zweiten Flächenabschnitt eine Abkühlung auf unterhalb der Austenitisierungstemperatur.
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In einem zweiten Fall wird am Blechmaterial 10 nach dem Zuschnitt 100 gleich das unterschiedliche Temperieren 130 durchgeführt derart, dass ein erster Flächenabschnitt des Blechmaterials 10 austenitisiert wird, während ein zweiter Flächenabschnitt nicht austenitisiert, aber für eine bessere Umformbarkeit ausreichend stark, insbesondere auf mindestens 500 °C erwärmt wird.
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Danach wird das temperierte Blechmaterial in beiden Fällen in ein gekühltes Formhärtewerkzeug eingelegt und es erfolgt die Umformung und Formhärtung 140. Die Warmumformung 140 im warmen Zustand kann bei vorausgegangener Kaltumformung 110 als nur geringfügige, lokale Umformung, einer so genannten Kalibrierung durchgeführt werden.
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Das formgehärtete Blechmaterial wird anschließend optional entzundert 150 und zum Kraftfahrzeugbauteil 1 endbeschnitten 160. Eine Entzunderung kann bei beschichteten Blechmaterialien oder bei mehrlagigen Blechmaterialien mit ferritisch, nichtrostenden Außenlagen auch entfallen, da die Beschichtung oder Außenlagen eine Verzunderung während der Temperierung verhindern können.
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Der Endbeschnitt zum Kraftfahrzeugbauteil kann bei einfachen Bauteilgeometrien jedoch auch direkt im Formhärtewerkzeug durchgeführt werden, oder in einer nachfolgenden Pressenstufe.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung zur unterschiedlichen Temperierung von Blechmaterial 10 für das erfindungsgemäße Verfahren im Querschnitt. Die Vorrichtung umfasst im Wesentlichen einen Wärmespeicher 20 der Dicke D zur flächenabschnittsweisen Kontaktierung des Blechmaterials 10. In 2 ist das Blechmaterial 10 auf einer Isolierplatte 50 aufgelegt dargestellt. Der Wärmespeicher 20 kontaktiert mit seiner Temperierfläche 23 während der Temperierung das zugeschnittene Blechmaterial 10 auf seiner dem Wärmespeicher 20 zugewandten Oberfläche 13 in einem ersten Flächenabschnitt 11. Der zweite Flächenabschnitt 12 ist zeitgleich vom Wärmespeicher 20 um einen Abstand A beabstandet. In 2 weist das Blechmaterial 10 einen ersten Flächenabschnitt 11 und zwei zweite Flächenabschnitte 12 auf. Zwischen den verschiedenen Flächenabschnitten 11, 12 ist ein Blechstärkeübergang 16 zu erkennen, in welchem eine Blechstärke T des ersten Flächenabschnitts 11 in die Blechstärke T2 des zweiten Flächenabschnitts 12 übergeht. Selbstverständlich ist es möglich, dass in Richtung der Bildebene weitere Flächenabschnitte ausgebildet sind oder die Flächenabschnitte vom Dargestellten abweichend weiter verlaufen. Auch ein weiterer Flächenabschnitt mit einer dritten, von der ersten und zweiten Blechstärke T, T2 verschiedenen Blechstärke ist möglich.
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Zwischen dem ersten Flächenabschnitt 11 und einem zweiten Flächenabschnitt 12 wird während des unterschiedlichen Temperierens ein Übergangsabschnitt 14 im Blechmaterial 10 eingestellt, welcher auch am formgehärteten Fahrzeugbauteil 1 später erhalten bleibt. Die Breite B des Übergangsabschnitts 14 beträgt in dieser Ausführungsform für eine Blechstärke größer 1,5 Millimeter zwischen 40 und 20 Millimeter und für Blechstärken kleiner 1,5 Millimeter 50 bis 30 Millimeter.
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In der Bildebene oberhalb des Wärmespeichers 20 ist eine Isolierung 60 angeordnet und mit dem Wärmespeicher 20 insbesondere formschlüssig gekoppelt. Die Isolierplatte 50 sowie die Isolierung 60 sind wiederum mit je einer Spannplatte 70 verbunden, welche eine gleichmäßige Flächenpressung über das Blechmaterial 10 während des Temperierens gewährleistet. Durch ein Bewegen des Wärmespeichers 20 weg vom aufliegenden Blechmaterial 10 wird die Temperiervorrichtung geöffnet und das temperierte Blechmaterial 10 kann entnommen werden. Anschließend kann ein weiteres Blechmaterial 10 eingebracht werden.
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Erkennbar sind in der Bildebene rechts und links an den Enden des Wärmespeichers 20 angeordnete Elektroden 58 zur elektrischen Kontaktierung, wobei der Wärmespeicher 20 als unmittelbarer Teil eines Strompfades in einem Hochstromkreis beziehungsweise einer Hochstrommasche erwärmt wird. Die Erwärmung kann durch kontinuierlichen Stromfluss oder mittels kurzen Stromimpulsen durch den ohmschen Widerstand des Wärmespeichers bewirkt werden.
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Die Spannplatte 70 wird durch Kühlungen 71 zum Schutz von Personal und Vorrichtung auf einem für die Umgebung unkritischen Temperaturniveau gehalten.
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Ein Antrieb 80 treibt hier die untere Spannplatte 70 an und presst während der Temperierung das Blechmaterial 10 gegen den Wärmespeicher 20 an der ortsfesten oberen Spannplatte 70. Dies können beispielsweise ein oder mehrere Luftkissen oder Hubzylinder sein.
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3 zeigt eine weitere Temperiervorrichtung zum unterschiedlichen Temperieren von Blechmaterial 10 für das erfindungsgemäße Verfahren im Querschnitt. Im Unterschied zu der vorherigen Ausführungsform weist die Temperiervorrichtung gemäß 3 auch unterhalb des Blechmaterials 10 einen Wärmespeicher 20 auf. Wiederum darunter ist eine Isolierung 60 angeordnet und mit dem Wärmespeicher 20 insbesondere formschlüssig verbunden. Die Isolierung 60 ist wiederum an einer unteren Spannplatte 70 befestigt. Der oberhalb des Blechmaterials 10 befindliche Teil der Vorrichtung entspricht der vorherigen Ausführung mit der Ausnahme, dass die obere Spannplatte 70 mit dem Antrieb 80 in Wirkverbindung steht.
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4 zeigt eine weitere Temperiervorrichtung zum unterschiedlichen Temperieren von Blechmaterial 10 für das erfindungsgemäße Verfahren im Querschnitt. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 2 weist die Temperiervorrichtung einen Wärmespeicher 20 auf, durch welchen ein sehr schmaler Übergangsabschnitt 14 im Blechmaterial 10 gezielt eingestellt wird. Erkennbar ist zudem, dass der Übergangsabschnitt im Wesentlichen innerhalb des Blechstärkeübergangs 16 ausgebildet wird. Im Übergangsabschnitt 14 wird der Abstand A zwischen Temperierfläche 23 des Wärmespeichers 20 und der ihr zugewandten Oberfläche 13 des Blechmaterials 10 größer bis zu einem maximalen Abstand A2. Der größer werdende Abstand in Form einer tiefer werdenden Vertiefung des Wärmespeichers 20 auf seiner Temperierfläche 23 bewirkt, dass die Wärmestrahlung zum Blechmaterial 10 deutlich reduziert wird, zum einen durch die größere Entfernung selbst, zum anderen durch den veränderten Winkel Alpha (a) zwischen zugewandter Oberfläche 13 und Temperierfläche 23 im Übergangsabschnitt 14 bzw. im Blechstärkeübergang 16. Es lassen sich so gegenüber der Ausführungsform gemäß 2 noch präzisiere, scharfe Übergangsabschnitte 14 einstellen, welche bei Blechstärken kleiner 1,5 Millimetern zwischen 15 und 30 Millimetern betragen und bei Blechstärken größer 1,5 Millimetern zwischen 10 und 25 Millimetern. Auch die Ausführungsform gemäß 4 kann mittels nicht dargestellter Elektroden widerstandbeheizt werden. Eine andere Erwärmungsquelle wie in den nachfolgenden Ausführungsformen ist aber auch vorstellbar.
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Der Antrieb kann wie in den vorherigen Ausführungsformen ausgestaltet sein, ist hier aber nicht dargestellt.
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5 zeigt eine weitere Temperiervorrichtung zur unterschiedlichen Temperierung von Blechmaterial 10 für das erfindungsgemäße Verfahren im Querschnitt. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 2 weist die Temperiervorrichtung jedoch als Erwärmungsquelle Heizstrahler 55, beispielsweise in Form von Gasbrennerstrahlrohren oder rohrförmigen elektrischen Widerstandsheizern auf. Die kontinuierliche oder sequenzielle Wärmestrahlung auf oder in den Wärmespeicher 20 bewirkt dessen Erwärmung auf seiner der Temperierfläche 23 abgewandten Seite. Eine Abschirmung 61 oberhalb der Heizstrahler 55 verhindert unnötigen Wärmeverlust nach außen und bewirkt bevorzugt durch materialbedingte Reflexionseigenschaften oder durch eine Reflexionsbeschichtung eine Rückstrahlung auf den Wärmespeicher 20.
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Es ist auch im Rahmen der Erfindung, dass die Heizstrahler 55 in den Wärmespeicher 20 integriert werden, so dass der Wärmespeicher 20 von innen erwärmt wird.
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6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Temperiervorrichtung zum unterschiedlichen Temperieren von Blechmaterial 10 für das erfindungsgemäße Verfahren im Querschnitt. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 5 weist die Temperiervorrichtung jedoch als Erwärmungsquelle Brenner 56 mit Düsen nur Erwärmung durch offene Flammen auf. Die kontinuierliche oder sequenzielle Wärmestrahlung auf den Wärmespeicher 20 bewirkt dessen Erwärmung auf seiner der Temperierfläche 23 abgewandten Seite. Bezüglich des Wärmespeichers 20 und der Gestaltung der Temperierfläche 23 und des Winkels α entspricht diese Ausführungsform derjenigen in 4.
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7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Temperiervorrichtung zum unterschiedlichen Temperieren von Blechmaterial 10 für das erfindungsgemäße Verfahren im Querschnitt. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 2 weist die Temperiervorrichtung jedoch als Erwärmungsquelle Induktorwicklungen 57 auf. Durch die Induktorwicklungen 57 werden elektromagnetische Wechselfelder in den Wärmespeicher 20 eingekoppelt und durch Wirbelströme und ohmschen Widerstand wird der Wärmespeicher 20 erwärmt. Die Induktorwicklungen 57 sind an oder in einer nicht magnetisierbaren Isolierung 60 eingebunden oder daran befestigt (nicht gezeigt). Das Magnetfeld kann durch nicht dargestellte Konzentratoren auf den Wärmespeicher ausgerichtet werden.
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Zudem ist in 7 erkennbar, dass das Blechmaterial 20' auch auf der dem Wärmespeicher 20 abgewandten Seite einen Blechstärkeübergang 16 aufweist, weshalb sich auch ein Abstand A2 zwischen der Isolierplatte 50 und der dem Wärmespeicher 20 abgewandten Oberfläche 15 des Blechmaterials 10 im zweiten Flächenabschnitt 12 einstellt. Beide Blechstärkeübergänge 16 sind insbesondere symmetrisch ausgebildet.
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8 zeigt eine weitere Temperiervorrichtung zur unterschiedlichen Temperierung von Blechmaterial 10 für das erfindungsgemäße Verfahren im Querschnitt. Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsformen wird hier das Blechmaterial 10 aus zwei einzelnen Blechen 17, 18 gebildet, welche vor der Temperierung beispielsweise in Fügestellen 19 zusammengefügt sind und in der Temperiervorrichtung gemeinsamen temperiert werden. Ein in der Bildebene unten angeordnetes Blech 17 der Blechstärke T kontaktiert flächig das darüber angeordnete obere Blech 18 der Blechstärke T2 in einem ersten Flächenabschnitt 11. Im ersten Flächenabschnitt 11 kontaktiert der Wärmespeicher 20 lediglich eines der Bleche, in diesem Fall dargestellt das Blech 18. Ansonsten entspricht die Ausführungsform im Wesentlichen derjenigen in 2.
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Nicht dargestellt ist eine weitere mögliche Ausgestaltung des Verfahrens unter Verwendung von Tailor Welded Blanks, welche in der gleichen Temperiervorrichtung gemäß 8 temperiert werden können. Mindestens zwei Bleche verschiedener Blechstärke bilden in diesem Fall das Blechmaterial, wobei ein erster Flächenabschnitt dem einen Blech mit größerer Blechstärke entspricht, während ein zweiter Flächenabschnitt dem Blech mit geringerer Blechstärke entspricht.
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Im Rahmen der Erfindung können viele Merkmale zwischen den Ausführungsformen kombiniert werden, insbesondere die Art und Anordnung des Antriebs 80, die Anzahl und Anordnung der Wärmespeicher 20 sowie der Isolierungen 50 und 60 relativ zum Blechmaterial 10 und Art der Erwärmung beziehungsweise die Erwärmungsquelle.
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Ebenso liegt im Rahmen der Erfindung, dass gleichzeitig mehrere Blechmaterialien in der beschriebenen Temperiervorrichtung unterschiedlich temperiert werden. Erfindungswesentlich ist lediglich, dass das Blechmaterial durch einen Wärmespeicher sowohl abschnittsweise durch Wärmestrahlung kontaktlos temperiert als auch in einem anderen Flächenabschnitt durch Konduktion, mithin durch Wärmeleitung infolge flächigen Kontaktes mit der Temperierfläche des Wärmespeichers temperiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Fahrzeugbauteil
- 10 -
- Blechmaterial
- 11 -
- erster Flächenabschnitt von 10
- 12 -
- zweiter Flächenabschnitt von 10
- 13 -
- zugewandte Oberfläche 10
- 14 -
- Übergangsabschnitt von 10
- 15 -
- abgewandte Oberfläche 10
- 16 -
- Blechstärkeübergang
- 17 -
- Blech
- 18 -
- Blech
- 19 -
- Fügestelle
- 20 -
- Wärmespeicher
- 21 -
- Grundkörper zu 10
- 23 -
- Temperierfläche
- 5-0-
- Isolierplatte
- 55 -
- Heizstrahler
- 56 -
- Brenner
- 57 -
- Induktorwicklung
- 58 -
- Elektroden
- 60 -
- Isolierung
- 61 -
- Abschirmung
- 70 -
- Spannplatte
- 71 -
- Kühlung
- 80 -
- Antrieb
- 100 -
- Zuschnitt
- 110 -
- Kaltformen
- 120 -
- Homogenes Erwärmen
- 130 -
- Temperieren
- 140 -
- Formhärten
- 150 -
- Entzundern
- 160 -
- Endbeschnitt
- A -
- Abstand
- A2 -
- Abstand
- B -
- Breite von 14
- D -
- Dicke von 20
- T, T2 -
- Blechstärke von 10
- α -
- Winkel
