DE102017223164B3 - Device and method for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils (7), mit einem Wärmebehandlungs-Schritt, in dem ein Stahlblech-Halbzeug (11) auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 zumindest einer Blechlage wärmebehandelt wird, und mit einem Einlegeschritt, in dem das wärmebehandelte Stahlblech-Halbzeug (11) im Heißzustand mit einer Einlegetemperatur in ein Umformwerkzeug (6) eingelegt wird und dort in einem Presshärteschritt warmumgeformt wird. Erfindungsgemäß erfolgt zwischen dem Wärmebehandlungs-Schritt und dem Einlegeschritt zumindest ein Warmwalzplattier-Schritt. Im Warmwalzplattier-Schritt wird das wärmebehandelte Stahlblech-Halbzeug (11) im Heißzustand warmwalzplattiert. The invention relates to a method and an apparatus for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component (7), with a heat treatment step in which a steel sheet semifinished product (11) is heat treated to above the material-specific austenitization temperature Ac3 of at least one sheet metal layer, and with an insertion step in which the heat-treated sheet steel semi-finished product (11) is placed in a hot state with an insertion temperature in a forming tool (6) and is hot-formed therein in a press-hardening step. According to the invention, at least one hot-rolled plating step takes place between the heat treatment step and the insertion step. In the hot rolling plating step, the heat-treated steel sheet semi-finished product (11) is hot roll-plated in the hot state.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Warmumformanlage zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder des Anspruches 7.The invention relates to a method and a hot forming plant for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component according to the preamble of claim 1 or claim 7.
Bei einem herkömmlichen Warmumformprozess wird zunächst ein Stahlfeinblech auf eine Prozesstemperatur oberhalb der werkstoffspezifischen Austenitisierungstemperatur erwärmt. Unmittelbar anschließend erfolgt ein Einlegeschritt, bei dem das Stahlfeinblech mit einer Einlegetemperatur, die in etwa der Austenitisierungstemperatur entspricht, in ein Warmumformwerkzeug eingelegt und pressgehärtet wird. Beispielhaft kann im Presshärteschritt das Stahlfeinblech bis auf eine Entnahmetemperatur abgekühlt werden, bei der das warmumgeformte Stahlfeinblech aus dem Umformwerkzeug entnehmbar ist.In a conventional hot forming process, a steel sheet is first heated to a process temperature above the material specific austenitizing temperature. Immediately thereafter, an inserting step takes place, in which the steel sheet is inserted into a hot-forming tool and press-hardened with an insertion temperature which corresponds approximately to the austenitizing temperature. By way of example, in the press-hardening step, the steel sheet can be cooled down to a removal temperature at which the hot-formed steel sheet can be removed from the forming tool.
Warmumformstähle, wie zum Beispiel 22MnB5, weisen nach dem Warmumformprozess ein nahezu vollständiges martensitisches Gefüge mit Zugfestigkeiten bis 1650MPa auf. Die Duktilität dieses Gefüges wird oft mit der Bruchdehnung gekennzeichnet. Diese liegt bei 22MnB5 in der Regel zwischen 4% bis 6%. Darüber hinaus wird der Biegewinkel im Plättchenbiegeversuch nach VDA 238-100 als weiterer Kennwert zur Charakterisierung der Duktilität angegeben. Für zum Beispiel 22MnB5 sind Biegewinkel zwischen 50°C und 65°C zu erwarten. Der Leichtbau mit Stahl ist im Wesentlichen durch die höhere Dichte des Leichtbauwerkstoffes benachteiligt gegenüber anderen metallischen Konstruktionswerkstoffen (Aluminium, Magnesium, Titan).Hot-forming steels, such as 22MnB5, exhibit a nearly complete martensitic structure after the hot-forming process with tensile strengths up to 1650MPa. The ductility of this structure is often characterized by the elongation at break. At 22MnB5 this is usually between 4% to 6%. In addition, the bending angle in the flake bending test according to VDA 238-100 is given as a further characteristic value for characterizing the ductility. For example, for 22MnB5 bending angles between 50 ° C and 65 ° C are to be expected. Lightweight construction with steel is essentially disadvantaged by the higher density of the lightweight material compared to other metallic construction materials (aluminum, magnesium, titanium).
Alle monolithischen Werkstoffe sind in der Kombination von Werkstoff-Eigenschaften begrenzt, so dass eine alternative Leichtbau-Möglichkeit in der Nutzung von Sandwich-Materialien bzw. Verbundblechen besteht, um eine günstige Kombination aus optimalen Eigenschaften in dem Verbundblech zu ermöglichen. In der
Aus der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Warmumformanlage zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik weitere Effizienzsteigerungen ermöglicht.The object of the invention is to provide a method and a hot forming plant for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component, which enables further efficiency improvements in comparison to the prior art.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 7 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of
Erfindungsgemäß ist der Warmwalzplattier-Vorgang nicht mehr prozesstechnisch entkoppelt vom Warmumform-Prozess, sondern ist vielmehr der Warmwalzplattier-Vorgang unmittelbar in der Warmumformanlage integriert. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 oder 9 ist zwischen der Erwärmungseinrichtung zum Beispiel einem Ofen, in dem das Stahlblech-Halbzeug bis auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur wärmebehandelt wird, und dem Umformwerkzeug, in dem die Warmumformung erfolgt, eine Warmwalzplattier-Station zwischengeschaltet. Das in der Erwärmungseinrichtung wärmebehandelte Stahlblech-Halbzeug wird im Heißzustand direkt in die Warmwalzplattier-Station überführt, in der das wärmebehandelte Stahlblech-Halbzeug warmwalzplattiert wird. Erfindungsgemäß wird der Sachverhalt genutzt, dass die in der Erwärmungseinrichtung bei der Wärmebehandlung erzeugte Prozesstemperatur des Stahlblech-Halbzeuges in etwa im Bereich der Warmwalzplattier-Anfangstemperatur liegt. Daher ist sowohl dem Warmumform-Schritt als auch dem Warmwalzplattier-Schritt lediglich ein gemeinsamer Wärmebehandlungs-Schritt zugeordnet, wodurch der Herstellungsprozess im Vergleich zum Stand der Technik insgesamt energetisch günstiger sowie mit reduzierter Prozessdauer durchführbar ist. Die dem Warmumform-Schritt vorgelagerten Prozessschritte sind dabei so auszulegen, dass die Einlegetemperatur, mit der das warmwalzplattierte Stahlblech-Halbzeug in das Umformwerkzeug eingelegt wird, oberhalb der Martensit-Starttemperatur zumindest eines der beteiligten Werkstoffe gewählt ist, um eine Härtbarkeit des Stahlblech-Halbzeugs sicherzustellen.According to the hot rolling plating process is no longer decoupled process technology from the hot forming process, but rather the hot roll plating process is integrated directly into the hot forming plant. According to the characterizing part of
Es ist hervorzuheben, dass im Vergleich zum oben genannten Stand der Technik keine Warmbänder im Warmwalzplattier-Schritt hergestellt werden, sondern vorzugsweise Kaltbandblechpakete im Warmumformprozess warmwalzplattiert und unmittelbar zu Stahlblechbauteilen warmumgeformt werden. It should be emphasized that in comparison to the above-mentioned prior art, no hot strips are produced in the hot-rolled plating step, but preferably hot-rolled cold-rolled sheet-metal packages are hot-rolled in the hot-forming process and hot-formed directly into sheet steel components.
Mit der Erfindung wird erreicht, dass Stahlbleche bzw. Stahlsandwichbleche im Warmumformprozess mit optimaler Eigenschaftskombination inklusive der Dichte-Reduzierung durch Nutzung von zum Beispiel Metallschäumen erzeugt werden können. Neben den mechanisch-technologischen Eigenschaften hat auch die Blechdicke einen erheblichen Einfluss auf das Einsatzpotential. Die Erfindung ermöglicht optional die Variation der Blechdicke im Halbzeug. Für die Umsetzung in einer Serienfertigung ist lediglich ein kompaktes Warmwalzplattier-Gerüst erforderlich, was bei vergleichbaren Prozesszeiten relativ kostengünstig umsetzbar ist.With the invention it is achieved that steel sheets or steel sandwich plates can be produced in the hot forming process with optimum property combination including the reduction in density by use of, for example, metal foams. In addition to the mechanical and technological properties, the sheet thickness also has a considerable influence on the application potential. The invention optionally enables the variation of the sheet thickness in the semifinished product. For the implementation in a series production, only a compact hot-rolled plate framework is required, which can be implemented relatively inexpensively with comparable process times.
Durch die im Warmumformprozess integrierte Warmwalz-Prozessstufe wird der Werkstoffverbund deutlich stabiler für den anschließenden Warmumformprozess-Schritt. Außerdem lassen sich, wie bereits erwähnt, Dickenunterschiede einstellen/einwalzen. Durch das Walzen anstelle eines Drückens/Vorpressens, das auf andere Weise erfolgt, wird die Oberfläche des Stahlblech-Halbzeugs gleichmäßiger, weniger beschädigt (durch Anhaftung am relativ kalten Werkzeug) und das Werkzeug bzw. die Rollen können gegebenenfalls besser gereinigt werden. Bei größeren Blechplatinen benötigt man nicht notwendigerweise ein größeres Anpresswerkzeug. Zudem ist der Druck im Walzspalt genau definiert einstellbar. Optional können die Rollen beheizt werden, um eine definierte und gleichmäßige Temperatur im Halbzeug zu erzielen. Durch einen optionalen Verzunderungsschutz zumindest in der Erwärmungseinrichtung (inertes Schutzgas) kann die mechanisch-thermische Verbindung im Warmwalzplattier-Schritt verbessert werden.The hot rolling process step integrated in the hot forming process makes the material composite significantly more stable for the subsequent hot forming process step. In addition, as already mentioned, thickness differences can be set / rolled in. By rolling rather than pressing / pre-pressing done otherwise, the surface of the sheet steel semi-finished product becomes more uniform, less damaged (by sticking to the relatively cold tool), and the tool or rollers can be better cleaned if necessary. For larger sheet metal blanks you do not necessarily need a larger pressing tool. In addition, the pressure in the nip is precisely defined adjustable. Optionally, the rollers can be heated to achieve a defined and uniform temperature in the semifinished product. By an optional Verzurtungsschutz at least in the heating device (inert shielding gas), the mechanical-thermal compound can be improved in the hot-rolling plating step.
Speziell beim Einsatz des Stahlblechbauteils in crashsensiblen Bereichen eines Fahrzeugs ist es von Relevanz, dass das Stahlblechbauteil verschiedene Eigenschaften vereint: Einerseits muss es hochfest sein, um im Crashfall eine ausreichende Bauteilstabilität zu gewährleisten. Andererseits muss das Stahlblechteil die Aufprallenergie aufnehmen, indem es sich plastisch verformt. Diese nur schwer miteinander zu kombinierenden Eigenschaften können insbesondere realisiert werden, wenn das Stahlblechbauteil als ein Werkstoffverbund bzw. als ein Verbundblech hergestellt ist, das aus Blechlagen unterschiedlicher Werkstoffe aufgebaut ist. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante kann die Warmumformanlage eine, der Erwärmungseinrichtung vorgelagerte Stapelstation aufweisen, in der ein noch nicht walzplattiertes Blechlagenpaket bzw. Flachproduktpaket als ein Stahlblech-Halbzeug bereitgestellt wird.Particularly when using the sheet steel component in crash-sensitive areas of a vehicle, it is of relevance that the sheet steel component combines various properties: On the one hand, it must be high-strength, in order to ensure sufficient component stability in the event of a crash. On the other hand, the steel sheet part must absorb the impact energy by plastically deforming. These properties, which are difficult to combine with one another, can be realized in particular when the sheet steel component is produced as a composite material or as a composite sheet, which is constructed from sheet metal layers of different materials. According to a first embodiment variant, the hot-forming installation can have a stacking station upstream of the heating device, in which a sheet metal layer package or flat product package not yet roll-laminated is made available as a sheet steel semifinished product.
Zur Vermeidung von Relativbewegungen der Blechlagen kann das Blechlagenpaket durch zum Beispiel Prägen oder Punktschweißen fixiert werden. Dabei können Punktschweißungen auch gezielt in Last übertragende Bauteilbereiche gelegt werden, um im Crash-Fall die Belastungen besser in den Blechpaketlagen zu verteilen.To avoid relative movements of the sheet metal layers, the sheet metal layer package can be fixed by embossing or spot welding, for example. In this case, spot welds can also be deliberately placed in load-transmitting component areas in order to better distribute the loads in the laminated core layers in the event of a crash.
Das Blechlagenpaket wird mittels einer Transfereinrichtung der Erwärmungseinheit zugeführt, in dem es im Wärmebehandlungs-Schritt auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur zumindest eines Werkstoffes des Blechlagenpaketes, und damit in den Bereich einer Warmwalz-Anfangstemperatur, erwärmt wird. Anschließend kann das wärmebehandelte Blechlagenpaket in die Warmwalzplattier-Station transferiert werden, um den Warmwalzplattier-Schritt zu starten. Zwischen Austritt des Blechpaketes aus der Erwärmungseinheit und Eintritt in den Warmwalzplattier-Schritt kann durch eine definierte Abkühlphase an Luft die optimale Warmwalzplattier-Temperatur eingestellt werden. Nach erfolgter Warmwalzplattierung wird das Stahlblech-Halbzeug in das Umformwerkzeug eingelegt und der Presshärteschritt gestartet.The sheet-metal layer package is fed by means of a transfer device to the heating unit, in which it is heated in the heat-treatment step to above the material-specific austenitizing temperature of at least one material of the laminated sheet package, and thus into the region of a hot-rolling start temperature. Thereafter, the heat-treated sheet metal sheet package may be transferred to the hot-rolling plating station to start the hot-rolled plating step. Between exit of the laminated core from the heating unit and entry into the hot-rolling plating step, the optimum hot-rolled plating temperature can be set by means of a defined cooling phase in air. After hot-roll cladding, the steel sheet semi-finished product is inserted into the forming tool and the press hardening step is started.
Alternativ oder zusätzlich kann zwischen der Erwärmungseinrichtung und der Warmwalzplattier-Station eine weitere Stapelstation bereitgestellt sein. In dieser weiteren Stapel-Station kann zumindest eine nicht wärmebehandelte Zusatz-Blechlage auf das wärmebehandelte Stahlblech-Halbzeug gestapelt werden. Der daraus resultierende Blechlagen-Verbund wird in der prozesstechnisch nachgeschalteten Warmwalzplattier-Station warmwalzplattiert und anschließend weiter in das Umformwerkzeug überführt.Alternatively or additionally, a further stacking station may be provided between the heating device and the hot-rolling plating station. In this further stacking station, at least one non-heat-treated additional sheet metal layer can be stacked on the heat-treated sheet steel semifinished product. The resulting sheet-metal composite is hot-roll-plated in the process-related downstream hot-rolling plating station and then transferred further into the forming tool.
Besonders bevorzugt im Hinblick auf gesteigerte Leichtbau- und Stabilitätseigenschaften ist es, wenn zumindest eine Blechlage des Verbundbleches aus einem Metallschaum gebildet ist oder zumindest ein Flächenbereich in zumindest einer Blechlage schablonenartig ausgespart und mit der Metallschaum-Ausgangskomponente gefüllt ist. In diesem Fall kann in einer ersten Prozessabfolge eine noch nicht aufgeschäumte Ausgangskomponente des Metallschaums eine Materiallage in dem noch nicht walzplattierten Blechlagenpaket bilden. Das Blechlagenpaket mit der noch nicht aufgeschäumten Metallschaum-Ausgangskomponente wird in den Ofen transferiert und dort bis über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur erwärmt. Dadurch wird die Ausgangskomponente thermisch aktiviert, das heißt zu dem Metallschaum aufgeschäumt. Im weiteren Prozessverlauf folgt die Warmwalzplattier-Station, in der das Stahlblech-Halbzeug mechanisch-thermisch verbunden und auf die beabsichtigte Blechdicke gewalzt wird. Das gewalzte Stahlblech-Halbzeug wird dann im weiteren Prozessverlauf dem Umformwerkzeug zugeführt.It is particularly preferred in view of increased lightweight and stability properties, if at least one sheet metal layer of the composite sheet is formed from a metal foam or at least a surface area in at least one sheet metal layer is recessed in a template and filled with the metal foam starting component. In this case, in a first process sequence, an as yet unfoamed starting component of the metal foam can form a material layer in the sheet metal layer package that has not yet been roll-laminated. The sheet metal layer package with the not yet foamed metal foam starting component is transferred into the furnace and heated there above the material-specific Austenitisierungstemperatur. As a result, the starting component is thermally activated, that is foamed to the metal foam. In the further course of the process, the hot-rolled plate station, in which the sheet steel semifinished product is mechanically thermally bonded and rolled to the intended sheet thickness. The rolled sheet steel semi-finished product is then fed to the forming tool in the further course of the process.
Im obigen Fall erfolgt somit im Wärmebehandlungsofen nicht nur die Vorbereitung auf den Warmwalzplattier-Schritt und den Warmumform-Schritt (das heißt die Erwärmung des Stahlblech-Halbzeugs auf über die Austenitisierungstemperatur sowie auf die Warmwalzplattier-Anfangstemperatur), sondern in einer weiteren Funktion auch eine thermische Aktivierung der Metallschaum-Ausgangskomponente.In the above case, therefore, in the heat treatment furnace, not only the preparation for the hot rolling plating step and the hot working step (that is, the heating of the steel sheet semi-finished product above the austenizing temperature and the hot rolling plating initial temperature) but also a thermal function is performed in another function Activation of the metal foam starting component.
Alternativ zur obigen Prozessführung kann gegebenenfalls die bereits erwähnte nicht wärmebehandelte Zusatz-Blechlage eine noch nicht aufgeschäumte Metallschaum-Ausgangskomponente sein, die in der Stapelstation zwischen dem Ofen bzw. der Erwärmungseinrichtung und der Warmwalzplattier-Station auf das wärmebehandelte Stahlblech-Halbzeug gestapelt wird. Durch die hohe Temperatur des Blechlagenpaketes oberhalb der Martensit-Start-Temperatur wird die Metallschaum-Ausgangskomponente aktiviert.Alternatively to the above process, the above-mentioned non-heat treated auxiliary sheet may optionally be a non-foamed metal foam starting component which is stacked in the stacking station between the furnace and the hot rolling station on the heat treated sheet steel semifinished product. Due to the high temperature of the sheet metal layer package above the martensite start temperature, the metal foam starting component is activated.
Erfindungsgemäß werden im Warmwalzplattier-Schritt Tailored-Rolled-Blanks hergestellt, die Flächenbereiche mit unterschiedlichen Blechdicken aufweisen, die in das Stahlblech-Halbzeug eingewalzt worden sind.Tailored-rolled blanks are produced according to the invention in the hot-rolled plating step, which have surface areas with different sheet thicknesses which have been rolled into the sheet steel semifinished product.
Alternativ oder optional dazu kann im Warmwalzplattier-Schritt zumindest ein Patch, das heißt ein auf eine Blechlage fixiertes lokales Verstärkungsblech aufgewalzt werden. Die Fixierung kann zum Beispiel durch Punktschweißen oder Prägen erfolgen. Dadurch kann die Anzahl der erforderlichen Last übertragenden Schweißpunkte reduziert werden.Alternatively or optionally, in the hot-rolling plating step, at least one patch, that is to say a local reinforcing sheet fixed on a sheet-metal layer, can be rolled on. The fixation can be done for example by spot welding or embossing. Thereby, the number of required load transmitting welds can be reduced.
Nachfolgend sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine Anlagenskizze, anhand der die in der2 angedeutete Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils veranschaulicht ist; -
2 in einem Blockschaltdiagramm die Prozessabfolge zur Herstellung des Stahlblechbauteils; und -
3 und4 jeweils Ansichten entsprechend der1 und2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
-
1 an investment sketch, on the basis of which in the2 indicated process sequence for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component is illustrated; -
2 in a block diagram the process sequence for the production of the sheet steel component; and -
3 and4 each views according to the1 and2 according to a further embodiment.
In der
In der
Zum Prozessstart wird das Blechlagenpaket
Beispielhaft kann die in der
In den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Stapelstationstacking station
- 33
- Ofenoven
- 55
- Warmwalzplattier-StationWarmwalzplattier station
- 66
- Umformpresseforming press
- 77
- StahlblechbauteilSheet steel component
- 99
- Ablagestationdeposit station
- 1111
- Stahlblech-HalbzeugSteel semi-finished
- 1313
- Transfereinrichtungtransfer device
- 1515
- Metallschaum-AusgangskomponenteMetal foam output component
- 1717
- weitere Stapelstationanother stacking station
- 19, 2119, 21
- Zusatz-BlechlagenAdditional sheet metal layers
- FF
- Fixieroperationfixing operation
Claims (9)
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