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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallumformbauteils aus einer 6.000er oder 7000er Aluminiumlegierung.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Umformbauteile, insbesondere Kraftfahrzeugbauteile, aus Leichtmetall herzustellen.
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Hierzu gibt es zum einen Aluminiumlegierungen, die kalt verfestigt sind. Dies sind im Automobilbau in der Regel 5.000er Aluminiumlegierungen, die als natur- oder walzharte Materialien bezeichnet werden.
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Es ist jedoch auch die Verarbeitung von Aluminiumlegierungen bekannt, die durch thermische Behandlungsverfahren gehärtet werden können. Dies sind im Automobilbau in der Regel 6.000er oder 7.000er Aluminiumlegierungen. Diese werden als wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen benannt.
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Bei Aluminiumlegierungen, die wärmebehandelbar sind, sind die wichtigsten Verfestigungsmechanismen Mischkristallhärtungen und Ausscheidungshärtungen. Eine Mischkristallverfestigung wird durch das Einlagern von Zwischengitteratomen im Aluminiumgitter herbeigeführt. Hierzu wird eine Aluminiumlegierung auf Lösungsglühtemperatur gebracht und dann abgeschreckt. Hierbei friert der Zustand der Mischkristalle zunächst ein. Das Material ist in diesem Zustand auch gut umformbar. Die übersättigten Mischkristalle scheiden mit der Zeit eine zweite Phase der Legierungselemente aus, wodurch die Härte und die Festigkeit des Werkstoffes erhöht werden. Gleichzeitig nimmt jedoch die Unformbarkeit ab.
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Lösungsglühtemperaturen bei 7.000er Aluminiumlegierungen liegen bei ca. 480°C, bei 6.000er Aluminiumlegierungen bei ca. 540°C.
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Nunmehr ist es erforderlich, insbesondere zur Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen, hohe Durchsatzraten in einer Produktionsanlage bereitzustellen.
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Üblicherweise werden heute hierzu Halbzeuge im Verbund oder mit vorangehender Vereinzelung, in einem Umformwerkzeug kalt umgeformt. Die Aushärtung erfolgt dann im allgemeinen in einem späteren Wärmebehandlungsprozess, wie z.B. während der späteren Wärmezufuhr bei der Aufbringung und Aushärtung der Lackierung. Desweiteren ist auch bekannt, die Halbzeuge und/oder Umformwerkzeuge zu erwärmen. Die zu diesem Zweck eingesetzten Erwärmungstechniken, typischerweise Durchlauföfen, begrenzen dabei i.a. die Fertigungsrate, da prozess- und anlagentechnisch bedingt ein höherer Durchsatz über eine Verlängerung der Ofenstrecke erreicht werden muss, was zu technischen (z.B. Flexibilität, Störanfälligkeit) und ökonomischen (z.B. Investitionshöhe, Betriebskosten) Zielkonflikten führt. Dies führt dazu, dass die Durchsatzrate deutlich geringer, um das 2-10fache geringer, als bei der Kalt-Umformung liegt.
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Aus der
WO 2010/032 002 A1 ist ein Verfahren bekannt, um Bleche aus Aluminiumlegierungen zu formen. Hierbei wird eine Aluminiumplatine auf Lösungsglühtemperatur in einer Erwärmungsstation erwärmt und anschließend innerhalb von 10 Sekunden in ein kaltes Umformwerkzeug eingelegt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem es möglich ist, wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen mit hohen Durchsatzraten schnell, verfahrenssicher und effizient auf Lösungsglühtemperatur zu bringen, wobei das Verfahren auch auf bereits vorhandene Anlagen nachrüstbar sein soll.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
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Das Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallumformbauteils, insbesondere eines Kraftfahrzeugbauteils, aus einer ausscheidungshärtbaren Leichtmetalllegierung, insbesondere aus einer 6.000er oder 7.000er Aluminiumlegierung, sieht folgende Verfahrensschritte vor:
- • Bereitstellen eines Rohlings, wobei der Rohling ein Blechband, eine Platine, ein extrudiertes Profil oder ein Vorformbauteil ist,
- • Zumindest partielles Vorerwärmen des Rohlings durch Kontakterwärmen auf eine Temperatur kleiner gleich der Lösungsglühtemperatur in einer ersten Temperierstation,
- • Anschließendes Homogenisieren auf Lösungsglühtemperatur in einer zweiten Temperierstation, bevorzugt einem Ofen,
- • Abschrecken des temperierten Rohlings innerhalb von weniger als 30s nach der zweiten Temperierstation,
- • Umformen des temperierten Rohlings zu dem Umformbauteil, während oder nach dem Abschrecken
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Zunächst wird also ein Rohling bereitgestellt. Dies kann in bevorzugter Ausgestaltungsvariante eine extrudiertes Profil sein, beispielsweise ein im Querschnitt Ein- oder Mehrkammerhohlprofil. Der Rohling kann jedoch auch eine Platine sein. Der Rohling kann auch ein Vorformbauteil sein, mithin eine Vorform, die beispielsweise aus einer Platine vorgeformt wurde. Der Rohling kann auch ein Blechband sein.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr ein zumindest partielles Vorerwärmen des Rohlings durch Kontakterwärmung durchgeführt. Dies geschieht in einer ersten Temperierstation, die als Kontakttemperierstation ausgebildet ist. Insbesondere kann auch ein vollständiges Lösungsglühen durchgeführt werden. Das Vorerwärmen wird zumindest partiell, insbesondere vollständig auf eine Temperatur kleiner gleich der Lösungsglühtemperatur des verwendeten Aluminiumwerkstoffes durchgeführt.
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Genau hier liegt der erfindungswesentliche Vorteil. Durch die Kontakterwärmungsstation ist es möglich, eine Art „Boost“-Effekt durchzuführen. Durch das Kontakterwärmen kann in besonders kurzer Zeit ein hoher Wärmeeintrag in den Rohling eingebracht werden. In der Folge kann ein anschließendes zweites Temperieren auf eine Temperatur gleich oder höher der Lösungsglühtemperatur schneller, effizienter und gezielter durchgeführt werden.
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Durch zumindest das partielle Vorerwärmen in der ersten Temperierstation befindet sich der Rohling bereits zumindest partiell auf einer Temperatur bevorzugt größer 200°C, insbesondere auf einer Temperatur zwischen 300°C und 500°C, ganz besonders bevorzugt auf ca. mindestens 300°C und insbesondere zwischen 300°C und 450°C. Das zumindest partielle bedeutet, dass die Kontaktstellen des Rohlings, die an Kontaktplatten oder Werkzeugoberflächen der Kontakterwärmungsstation anliegen, auf diese Temperatur gebracht werden. Besonders bevorzugt wird zumindest partiell bereits die Lösungsglühtemperatur in dem Rohling in der ersten Temperierstation erreicht. Für 7.000er Aluminiumlegierungen ist dies bevorzugt 400°C bis 500°C. Für 6.000er Aluminiumlegierungen ist dies 500°C bis 600°C. Der nachfolgende Wärmeeintrag in der zweiten Temperierstation kann somit zeitlich kürzer ausfallen.
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Ebenfalls kann eine Übertemperatur in der zweiten Erwärmungsstation herabgesetzt werden, was auch die Energiekosten senkt. Im Ergebnis befinden sich jedoch die Rohlinge nach Abschluss der zweiten Temperierstation prozesssicher auf mindestens der Lösungsglühtemperatur. Somit können auch die Durchlaufzeiten und damit die Länge im Falle eines Ofens, insbesondere Durchlaufenofens, bei der zweiten Temperierstation verkürzt werden.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ist, dass bereits vorhandene Anlagen einfach nachgerüstet werden können, indem in einer vorhandenen Temperierstation, beispielsweise in einem vorhandenen Durchlaufofen, eine entsprechende erste Temperierstation in Form einer Kontakterwärmungsstation vorgeschaltet wird. Dies lässt sich an bereits vorhandenen Anlagen nachrüsten. Die Anlagen können somit in ihrer Durchsatzrate erhöht werden. Auch ist es möglich, Anlagen, die beispielsweise bisher nur zur Bearbeitung von 7.000er Aluminiumlegierungen ausgelegt sind, auch zur Bearbeitung von 6.000er Aluminiumlegierungen mit einer höheren Lösungsglühtemperatur weiterzubilden, ohne Einbuße bei der Durchsatzrate.
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An die zweite Temperierstation, mithin bei Erreichen mindestens der Lösungsglühtemperatur, schließt sich ein Umformen zur Herstellung des Umformbauteils an. Dieses Umformen kann unmittelbar nach dem zweiten Temperieren durchgeführt werden. Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Leichtmetallumformbauteil kann auch Bauteil bzw. Umformbauteil genannt werden.
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Besonders bevorzugt wird das Umformen als Kaltumformen durchgeführt. Hierzu wird der auf Lösungsglühtemperatur temperierte Rohling unmittelbar nach der zweiten Temperierstation abgeschreckt. Dieses Abschrecken erfolgt insbesondere in einer Zeit weniger 20 Sekunden, bevorzugt weniger als 10 Sekunden, mindestens jedoch eine Sekunde nach der zweiten Temperierung. Hier kann beispielsweise der zweiten Temperierstation eine Abschreckeinrichtung nachgeschaltet sein. Das Abschrecken kann beispielweise mittels eines Mediums erfolgen, beispielsweise Luft und/oder Wasser. Insbesondere kann dies durch Aufdüsen und/oder Sprühen und/oder Tauchen geschehen. Auch kann ein Kontaktabkühlen durchgeführt werden.
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Dies bietet sich insbesondere bei Platinen an. Bevorzugt wird ein Abschrecken durch Eintauchen in ein Kühlmedium durchgeführt.
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Das Abschrecken kann auch in dem Umformwerkzeug durchgeführt werden. Hierzu wird der nach der zweiten Temperierstation erwärmte Rohling in ein kaltes Umformwerkzeug eingelegt werden. Kalt bedeutet, im Wesentlichen auf Raumtemperatur, mindestens jedoch, dass das Umformwerkzeug eine Temperatur aufweist, die unterhalb von 100°C, insbesondere unter 80°C, bevorzugt unter 50°C und besonders bevorzugt unter 30°C aufweist. Mindestens sollte das Umformwerkzeug jedoch 100°C haben. Das Umformwerkzeug kann hierzu auch aktiv gekühlt sein, so dass ein abschließendes Abschrecken des umgeformten Bauteils in dem Umformwerkzeug geschieht. Das hergestellte Bauteil wird somit bei einer Temperatur unter 100°C, insbesondere unter 80°C und bevorzugt unter 50°C aus dem Umformwerkzeug entnommen.
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Ist die Abschreckung separat durchgeführt, erfolgt unmittelbar nach dem Abschrecken dann eine Umformung. Das Abschrecken erfolgt insbesondere ebenfalls in einer Taktzeit. Die erste Temperierstation, die Abschreckeinrichtung und die Umformeinrichtung, arbeiten bevorzgut alle im gleichen Takt. Dieser Takt ist besonders bevorzugt kleiner als 10 Sekunden, insbesondere ist dieser kleiner als 8 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 5 und 7 Sekunden und ganz besonders bevorzugt liegt die Taktzeit bei 6 Sekunden.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die erste Temperierstation selbst mehrstufig auszubilden, derart, dass in einer ersten Stufe innerhalb der genannten Taktzeit eine erste Erwärmung stattfindet, während in einer unmittelbar nachfolgenden zweiten Stufe der Temperierstation im nächsten Takt eine Weitererwärmung durchgeführt wird. Weitere Stufen können sich optional und je nach Taktzeitanforderungen anschließen, bevor der Rohling in der zweiten Temperierstation auf der Lösungsglühtemperatur homogenisiert wird.
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Das Bauteil wird somit auch besonders bevorzugt von der Abschreckeinrichtung in weniger als 20 Sekunden, insbesondere weniger 10 Sekunden, mindestens jedoch in einer Sekunde in das Umformwerkzeug eingelegt und hier in der entsprechenden Taktzeit umgeformt. An das Umformen schließt sich dann ein Auslagerungsprozess an. Dieser wird besonders bevorzugt als Kaltauslagerungsprozess durchgeführt und dauert mehrere Tage.
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Insbesondere wird die erste Temperierstation mit Kontaktplatten betrieben. Diese Kontaktplatten werden dann von oben und unten an einen Rohling angelegt und geben mittels Wärmeleitung ihre Temperatur an die Platine/ den zu erwärmenden Rohling ab. Hierzu besitzen die Kontaktplatten insbesondere eine Übertemperatur. Hierzu weisen die Kontaktplatten insbesondere eine Temperatur größer 300°C, ganz besonders bevorzugt größer 450°C auf. Die Kontaktplatten sollten jedoch eine Temperatur kleiner 650°C aufweisen. Die Kontaktplatten selbst werden erwärmt, beispielsweise durch eine resistive Erwärmung. Mithin sind die Kontaktplatten selbst als Widerstandserwärmung ausgebildet. Auch können die Kontaktplatten selbst wiederum durch einen Induktor erwärmt werden. Ebenfalls ist es möglich, beispielsweise in die Kontaktplatten Heizpatronen o.ä. einzubringen, um die Kontaktplatten zu erwärmen.
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Bei dem partiellen Vorerwärmen ist es somit möglich, zumindest eine lokale Temperatur in dem Rohling von 200°C bis 500°C, bevorzugt 300°C bis 450°C einzubringen. Insbesondere wenn der Rohling ein extrudiertes Profil ist, sind dann die Anlageflächen des Rohlings mit den Kontaktplatten auf diese Temperatur gebracht. Bei einem anschließenden Erwärmen in einer zweiten Temperierstation erfolgt jedoch innerhalb des Rohlings selbst eine Wärmeleitung und damit eine bessere und schnellere Homogenisierung und Erwärmung auf Lösungsglühtemperatur.
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Mindestens wird der Rohling jedoch an seinen Kontaktflächen auf mindestens 200°C, bevorzugt auf mehr als 300°C, erwärmt.
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Im Anschluss daran folgt dann eine Übergabe in die zweite Temperierstation, welche bevorzugt als Ofen und ganz besonders bevorzugt als Durchlaufofen ausgebildet ist. Insbesondere kann hier ein Linearantrieb oder ein Linearübergabesystem erfolgen, so dass die erste Temperierstation unmittelbar der zweiten Temperierstation vorgeschaltet ist. Somit kann eine leichte Nachrüstung oder Umrüstung einer Wärmebehandlungslinie zur Herstellung eines Leichtmetallumformbauteils vorgenommen werden. Auch kann zwischen erster und zweiter Temperierstation ein Transfersystem vorgesehen sein oder ein Schritt-Hub-Antrieb.
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Auch ist es möglich, die Erfindung dahingehend weiterzubilden, dass bei der Erwärmung von Platinen mindestens zwei Platinen unmittelbar übereinander gestapelt sind und in die erste Temperierstation eingebracht sind. Die zumindest zwei übereinanderliegenden Platinen werden somit gleichzeitig erwärmt.
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Auch hierdurch lässt sich die Produktionsrate wiederum steigern.
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Vor dem Einlegen in ein Umformwerkzeug kann auf den temperierten Rohling ein Schmiermittel aufgebracht werden. Bei einer separaten Abschreckstation wird das Schmiermittel nach dem Abschrecken und vor dem Umformen aufgebracht.
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Weiterhin besonders bevorzugt sind die Kontaktplatten in der ersten Temperierstation selbst wiederum federnd gelagert. Hierdurch wird ein besserer Anlagekontakt an dem zu erwärmenden Rohling erreicht, wodurch wiederum der Wärmeübergang verbessert ist. Die Kontaktplatten selbst sind bevorzugt flächig ausgebildet. Dies dient insbesondere zur Erwärmung von Rohlingen in Form von Platinen oder aber von Rohlingen als extrudierte Profile, wobei die extrudierten Profile flächige Außenseiten bzw. Kontaktflächen zu den Kontaktplatten aufweisen. Auch ist es möglich, Kontaktplatten formangepasst zu wählen. Insbesondere bei Vorformbauteilen oder aber an Ihrer Außenkontur nicht gerade ausgebildeten Profilen ist diese Variante möglich. Hierzu sind die Kontaktplatten an der ersten Temperierstation, insbesondere durch ein Schnellwechselsystem, austauschbar. Beispielsweise sind die Kontaktplatten auf einer Platte angeordnet, insbesondere durch mechanische Kopplung in Form von Schrauben. Auch können die Kontaktplatten der Temperierstation geschlitzt sein bzw. segmentiert sein, so dass unterschiedliche thermische Ausdehnungen kompensiert werden.
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Die Kontaktplatten können dann je nach Bedarf einfach ausgewechselt werden, um die Umformlinie an einen anderen Rohling und/oder eine andere Kontur eines Rohlings oder eine andere Größe eines Rohlings anzupassen.
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Es ist somit möglich, homogen in dem Rohling die Lösungsglühtemperatur zu erreichen. Gleichzeitig kann jedoch der Energieeintrag und die Strecke eines Durchlaufofens verringert werden, bei gleichem oder verbessertem Ergebnis des Erreichens einer homogenen Lösungsglühtemperatur am Ende der thermischen Behandlung.
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Hierdurch werden insbesondere auch Ausfallzeiten oder Nacharbeitszeiten in einer Warmumformlinie verringert.
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In einer besonders bevorzugten weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann zwischen der ersten Temperierstation und der zweiten Temperierstation eine weitere Temperierstation eingegliedert sein. Diese weitere Temperierstation ist besonders bevorzugt ebenfalls als Kontakttemperierstation ausgebildet. Es kann somit eine zweistufige Vorerwärmung stattfinden. Dies wäre weiter vorne als mehrstufige Vorerwärmung beschrieben.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten sind in den schematischen Figuren erläutert. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
- 1 Eine Umformlinie nach dem Stand der Technik,
- 2 Eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs und
- 3 Eine erfindungsgemäß ausgebildete Umformlinie.
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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 bekannte Umformlinie 1 zur Herstellung eines aus Leichtmetall hergestellten Umformbauteils 2. Hierzu ist ein Durchlaufofen 3 einer Umformstation 4 vorgeschaltet. Die Umformstation 4 ist als Tiefziehvorrichtung oder Umformpresse ausgebildet. Der Durchlaufofen 3 weist nunmehr eine Länge 5 auf, in die eingelegte Rohlinge 6, hier in Form von Profilen, eingelegt werden und dann den Durchlaufofen 3 passieren. Am Ende des Durchlaufofens 3 ist ein Transfersystem 7 vorgesehen, beispielsweise ein Linearförderer, um die auf eine bestimmte Temperatur in dem Durchlaufofen 3 erwärmten Rohlinge 6 in oder durch eine Abschreckeinrichtung und weiter in das Umformwerkzeug zu überführen. Hier werden diese umgeformt und dann aus dem Umformwerkzeug entnommen.
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2 zeigt nunmehr einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf. Zunächst wird ein Rohling 6 bereitgestellt. In diesem Beispiel ist ebenfalls ein Hohlprofil verwendet worden. Dieses Profil kann beispielsweise durch Extrudieren und Ablängen zu einzelnen Profilstücken hergestellt werden. Das Profil wird nunmehr in eine erste Temperierstation 8 in Form einer Kontakttemperierstation eingelegt. Die Temperierstation 8 selber weist Kontaktplatten auf, hier in Form einer oberen 9 und unteren Kontaktplatte 10. In den Kontaktplatten kann eine Heizquelle 16 vorgesehen sein. Die Kontaktplatten werden dann in einer Richtung 11 geschlossen, so dass die Kontaktflächen 12 der Kontaktplatten an Kontaktflächen 13 des Rohlings 6 zur Anlage kommen. Hier erfolgt ein partieller Wärmeeintrag durch Wärmeleitung. Mithin wird die Wärme der Kontaktplatten 9, 10 mittels Wärmeleitung an den Rohling 6 abgegeben. Danach wird der so vortemperierte Rohling 6 in eine zweite Temperierstation 14, bevorzugt einen Durchlaufofen, weitergegeben. Diese zweite Temperierstation 14 weist eine deutlich kürzere Länge 15 auf, im Vergleich zu dem Durchlaufofen 3 gemäß 1. Der so temperierte Rohling 6 wird anschließend durch oder in eine Abschreckeinrichtung 17 transferiert und beispielsweise auf kleiner 250°C gekühlt. Von der Abschreckeinrichtung 17 wird der Rohling 6 dann in ein Umformwerkzeug 4 überführt und hier umgeformt.
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Anstelle der Abschreckvorrichtung zwischen der zweiten Temperierstation 14 und dem Umformwerkzeug 4 kann auch vorgesehen werden, dass bereits im Umformwerkzeug 4 ein Abschreckvorgang stattfindet.
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Die erfindungsgemäße Umformlinie 1 ist nochmals dargestellt in 3. Zunächst werden die Rohlinge 6 in die erste Temperierstation 8 eingelegt und hier mittels Kontakterwärmung innerhalb kürzester Zeit erwärmt. Es können gleichzeitig auch zwei oder mehr Rohlinge 6 in der ersten Temperierstation 8 erwärmt werden. Die so vorerwärmten Rohlinge 6 werden dann unmittelbar an die zweite Temperierstation 14 überführt und hier insbesondere homogen auf Lösungsglühtemperatur gebracht. Im Anschluss daran kann ein nicht näher dargestellter Abschreckvorgang stattfinden. An diesen schließt wiederum unmittelbar dann ein Umformen in dem Umformwerkzeug 4 an. Alternativ kann der Rohling 6 auch aus der zweiten Temperierstation 14 unmittelbar in den warmen Zustand in das Umformwerkzeug 4 überführt werden. In diesem Fall würde sich dann an das Umformwerkzeug 4 wiederum ein nicht näher dargestelltes Abschrecken anschließen. Ebenfalls nicht dargestellt ist, dass zwischen erster Temperierstation 8 und zweiter Temperierstation 14 noch eine weitere Temperierstation zwischengeschaltet werden kann, so dass die Vorerwärmung insbesondere mehrstufig durchgeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Umformlinie
- 2 -
- Umformbauteil
- 3 -
- Durchlaufofen
- 4 -
- Umformstation
- 5 -
- Länge zu 3
- 6 -
- Rohling
- 7 -
- Transfersystem
- 8 -
- Erste Temperierstation
- 9 -
- Obere Kontaktplatte
- 10 -
- Untere Kontaktplatte
- 11 -
- Richtung
- 12 -
- Kontaktfläche zu 9, 10
- 13 -
- Kontaktfläche zu 6
- 14 -
- Zweite Temperierstation
- 15 -
- Länge zu 14
- 16 -
- Heizquelle
- 17 -
- Abschreckeinrichtung
