DE102018209878A1

DE102018209878A1 - Verfahren zur Herstellung einer Radschüssel

Info

Publication number: DE102018209878A1
Application number: DE102018209878.6A
Authority: DE
Inventors: David Pieronek; Roger Roßmann
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-12-19
Also published as: WO2019243147A1; CN112368157A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Radschüssel (3), aufweisend einen Außenbereich (3.8) mit einem zumindest abschnittsweise umlaufenden Radschüssellappen (3.81), welcher zur form-, kraft- und/oder stoffschlüssigen Anbindung an einen Felgenring (4) zur Bildung eines Fahrzeugrades (5) vorgesehen ist, einen Innenbereich (3.6) mit einem Radanlagebereich (3.1), in welchem mehrere Anbindungslöcher (3.3) zur Aufnahme von Befestigungsmitteln zur lösbaren Anbindung des Fahrzeugrades (5) an eine Radnabe eines Fahrzeugs vorgesehen sind, und einen den Außen- (3.8) und den Innenbereich (3.6) verbindenden Mittenbereich (3.7), in welchem mehrere Speichen (3.4) in radialer Ausrichtung auf dem Umfang der Radschüssel (3) verteilt und über Belüftungslöcher (3.9, 3.10) voneinander beabstandet vorgesehen sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugrades (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Radschüssel, aufweisend einen Außenbereich mit einem zumindest abschnittsweise umlaufenden Radschüssellappen, welcher zur form-, kraft- und/oder stoffschlüssigen Anbindung an einen Felgenring zur Bildung eines Fahrzeugrades vorgesehen ist, einen Innenbereich mit einem Radanlagebereich, in welchem mehrere Anbindungslöcher zur Aufnahme von Befestigungsmitteln zur lösbaren Anbindung des Fahrzeugrades an eine Radnabe eines Fahrzeugs vorgesehen sind, und einen den Außen- und den Innenbereich verbindenden Mittenbereich, in welchem mehrere Speichen in radialer Ausrichtung auf dem Umfang der Radschüssel verteilt und über Belüftungslöcher voneinander beabstandet vorgesehen sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugrades.
Technischer Hintergrund
Fahrzeugräder bzw. Kraftfahrzeugräder sind Sicherheitsbauteile und müssen daher die hohen mechanischen und dynamischen Wechselbeanspruchungen im Fahrbetrieb dauerfest aufnehmen können. Konventionelle „Stahlräder“ in Blechbauweise bestehen üblicherweise aus einer Radschüssel (Radscheibe), welche die Verbindung zur Radnabe eines Fahrzeugs sicherstellt und einer Felge (Felgenring), welche den Reifen aufnimmt. Die Radkomponenten werden heutzutage auf Stufenpressen in mehreren Schritten (bis zu elf Stufen) durch Kaltumformung gefertigt. Dabei kommen bisher ausschließlich mikrolegierte Stähle (Baustahl, Feinkornstahl) und Dualphasen-Stähle mit einer Festigkeit von 400 bis 600 MPa zum Einsatz. Als Fügetechnik wird vorzugsweise eine MAG-Schweißung in Kombination mit einer Pressverbindung (Tiefbettfelge) vorgesehen.
Das Gewicht der Fahrzeugräder wirkt sich als rotatorisch-bewegte Masse überproportional auf den Energieverbrauch der Fahrzeuge sowie zusätzlich auch auf die ungefederten Massen aus. Daher ist generell ein möglichst geringes Fahrzeugradgewicht bei idealerweise hoher Steifigkeit anzustreben. Gegenüber konventionell hergestellten Fahrzeugrädern kann weiteres Leichtbaupotenzial mit Stahl erschlossen werden, wenn zum einen Material mit höherer Festigkeit bzw. Schwingfestigkeit zur sicheren Aufnahme der Betriebslasten verwendet wird, und zum anderen Geometrieanpassungen, wie z.B. stärkere Verprägungen und Kragen zur Kompensierung der Steifigkeitsverluste aufgrund von geringeren Materialdicken umgesetzt werden können. Mit ansteigender Materialfestigkeit nimmt aber in der Regel auch die Kaltumformbarkeit konventioneller Stähle (Kohlenstoffstahl) ab, welche schon bei heutigen Radschüsseln annähernd ausgereizt ist. Somit stößt der Leichtbau mit kaltumformbaren und höherfesten Stählen auf Basis heutiger Fertigungskonzepte für Fahrzeugräder an technische Grenzen. Neben dem Gewicht der Fahrzeugräder spielt zudem bei Personenkraftwagen das Design eine wesentliche Rolle. Die Designfreiheit und Attraktivität bekannter Stahlräder ist daher ebenfalls mit konventionellen Bauweisen und Werkstoffen stark eingeschränkt.
Neben dem sogenannten Kaltumformen wird unter anderem auch das sogenannte Warmumformen im Fahrzeug-/Karosseriebau angewandt, in Fachkreisen auch unter der indirekten oder direkten Warmumformung bekannt. Durch den Einsatz der Warmumformung kann die Anforderung nach einer hohen Umformbarkeit bei gleichzeitig hohen Festigkeiten der endgeformten Bauteile erfüllt werden. Entsprechende Umformverfahren, die unter Einbeziehung einer vorangehenden Wärmebehandlung des Werkstücks, beispielsweise in einem separaten Ofen erfolgen, sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, insbesondere das Warmumformen und Presshärten von Stahlblech. Allerdings ist der Einsatz der Warmumformung für maßgeblich zyklisch-belastete Bauteile aus Stahlblech, wie z.B. Querlenker, Räder, Achsträger, im automobilen Fahrzeugbau bisher nicht etabliert.
Als Stand der Technik zur Blech-Warmumformung von Personenkraftwagenrädern beziehungsweise der entsprechenden Radschüsseln, welche zumindest bereichsweise pressgehärtet sein können, wird auf die Druckschriften DE 10 2007 019 485 A1 , DE 10 2013 114 245 B3 und DE 10 2014 108 901 B3 verwiesen. Der Fokus dieser Schriften liegt im Wesentlichen auf den lokalen mechanischen Bauteileigenschaften der Radschüssel nach der Warmumformung beziehungsweise Presshärtung, sowie entsprechenden Verfahrensschritten beziehungsweise Vorrichtungen zur Herstellung von Radschüsseln für Standard-Stahlräder ohne Designanspruch, welche in der Regel hinsichtlich der Kontur außerhalb der Radanlagefläche rotationssymmetrisch ausgeführt sind.
In den Druckschriften DE 11 2007 000 239 T5 sowie EP 2 495 110 B1 sind Fahrzeugräder bzw. Verfahren zur Herstellung designoptimierter und/oder speichenförmiger Radschüsseln für Fahrzeugräder durch mehrstufige Kaltumformung mit entsprechenden Vorrichtungen beschrieben. Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahren die „hohe“ Blechdicke der Radschüssel von ca. 5,0 bis 6,5 mm, welche aufgrund der großflächigen Belüftungslöcher und Werkstoffeigenschaften strukturell erforderlich sind. Zudem ergibt sich auf Basis der Streck- und/oder Tiefziehverfahren eine starke Limitierung hinsichtlich weiterer Designoptimierungen aufgrund der fast vollständig ausgereizten Umformreserven in Kombination mit kritischen Blechausdünnungen in belastungskritischen Bereichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von designoptimierten und/oder speichenförmigen Radschüsseln für Fahrzeugräder, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugrades anzugeben, mit welchem ein Fahrzeugrad mit einer höheren Designfreiheit, Steifigkeit, Gewichtsreduzierung, Betriebsfestigkeit und Sicherheit insbesondere bei akzeptablen Fertigungskosten bereitgestellt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Gemäß einer ersten Lehre betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Radschüssel, aufweisend einen Außenbereich mit einem zumindest abschnittsweise umlaufenden Radschüssellappen, welcher zur form-, kraft- und/oder stoffschlüssigen Anbindung an einen Felgenring zur Bildung eines Fahrzeugrades vorgesehen ist, einen Innenbereich mit einem Radanlagebereich, in welchem mehrere Anbindungslöcher zur Aufnahme von Befestigungsmitteln zur lösbaren Anbindung des Fahrzeugrades an eine Radnabe eines Fahrzeugs vorgesehen sind, und einen den Außen- und den Innenbereich verbindenden Mittenbereich, in welchem mehrere Speichen in radialer Ausrichtung auf dem Umfang der Radschüssel verteilt und über Belüftungslöcher voneinander beabstandet vorgesehen sind, umfassend die Schritte:

- Bereitstellen eines Halbzeugs aus einem härtbaren Stahlblech,
- Kaltumformen des Halbzeugs zu einer Radschüsselvorform, wobei die Radschüsselvorform zumindest eine Vorform der Speichen mit jeweils einer Kragenbereichvorform aufweist,
- zumindest teilweises oder vollständiges Erwärmen der Radschüsselvorform auf eine Temperatur von mindestens A_C1 und anschließendes zumindest bereichsweise Warmumformen und/oder zumindest teilweisen Presshärten zu einer Radschüssel, wobei zumindest die Vorform der Speichen mit der Kragenbereichvorform in eine vorläufige Speichenform mit vorläufigem Kragenbereich überführt wird,
- zumindest abschnittsweiser Beschnitt im vorläufigen Kragenbereich der Radschüssel zur Erzeugung der Endgeometrie der Speichen und/oder der Belüftungslöcher an der Radschüssel.

Schwingfestigkeitsuntersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass härtbare Stahlwerkstoffe mit einer überwiegend martensitischen und/oder bainitischen Gefügestruktur, wie zum Beispiel Mangan-Bor-, Vergütungs- und luft- sowie ölhärtende Stähle, gegenüber konventionell verwendeten Dualphasen- und mikrolegierten Stählen eine deutlich gesteigerte zyklische Biegewechselfestigkeit aufweisen und damit prinzipiell weiteren Leichtbau durch Blechdickenreduzierung der Radschüssel ermöglichen. Zudem kann durch die Blechdickenreduzierung positiv Einfluss auf das Design der Radschüssel genommen werden, da Radienübergänge kleiner dimensioniert werden können und damit das generelle Design anspruchsvoller gestaltet werden kann. Der Verarbeitungsmöglichkeit der direkten Blech-Warmumformung sind jedoch Grenzen gesetzt, wobei designoptimierte und/oder speichenförmige Radschüsseln mit akzeptabler Blechausdünnung nicht zufriedenstellend herstellbar sind.
Im Zuge des Kaltumformens des Halbzeugs, welches vorzugsweise als ebene Stahlblech-Platine bereitgestellt wird, wobei vorzugsweise die Blechdicke des Halbzeugs zwischen 2,5 und 10 mm liegt, insbesondere maximal 8 mm, vorzugsweise maximal 6 mm beträgt, wird eine Radschüsselvorform erzeugt, welche zumindest eine Vorform der Speichen mit jeweils einer Kragenbereichvorform aufweist. Da die Speichen an der Radschüssel jeweils mindestens einen Kragen mit einer in radialer Längserstreckung der Speichen maximalen Kragenhöhe aufweisen, wird bevorzugt während des Kaltumformens eine Vorform der Speichen mit jeweils einer Kragenbereichvorform erzeugt, wobei die Kragenbereichvorform mit einer Kragenhöhe von mindestens 20%, insbesondere von mindestens 30%, vorzugsweise von mindestens 40%, bevorzugt von mindestens 50%, besonders bevorzugt von mindestens 60%, weiter bevorzugt von mindestens 70% bezogen auf die maximale Kragenhöhe vorgeformt wird. Es ist von Vorteil, wenn hohe Verformungsgrade respektive hohe Kragenhöhen, welche sich insbesondere nah an der Zielhöhe respektive nahe der Endgeometrie orientieren, kalt vorzuformen, da bei einer Warmumformung im Vergleich zur Kaltumformung je nach Komplexität, insbesondere je nach Verformungsgrad, die Gefahr eine Ausdünnung viel höher ist. Des Weiteren können durch die Erwärmung, insbesondere durch die Austenitisierung für die nachgelagerte Warmumformung kombiniert mit Presshärten, mögliche Kaltverfestigungen, welche durch die Kaltumformung eingebracht werden, insbesondere zum Teil, beispielsweise vollständig wieder abgebaut werden. Das Kaltumformen des Halbzeugs zu einer Radschüsselvorform, wobei die Radschüsselvorform eine Vorform der Speichen mit jeweils einer Kragenbereichvorform aufweist, kann somit positiv Einfluss auf die Gestaltung und Design nehmen und einer nachteiligen Blechausdünnung entgegenwirken.
Erfindungsgemäß wird die Radschüsselvorform zumindest teilweise oder vollständig auf eine Temperatur von mindestens A_C1, vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens A_C3, erwärmt bzw. durchwärmt und anschließend zumindest bereichsweise warmumgeformt und/ oder zumindest teilweise pressgehärtet zu einer Radschüssel, wobei zumindest die Vorform der Speichen mit der Kragenbereichvorform in eine vorläufige Speichenform mit vorläufigem Kragenbereich überführt respektive geformt wird.
Unter zumindest bereichsweise Warmumformen ist insbesondere ein Ausformen der Radschüsselvorform in die gewünschte Endgeometrie (Sollgeometrie) der Radschüssel und/oder ein Kalibrieren in die Endgeometrie der Radschüssel zur Verbesserung der Maßhaltigkeit beziehungsweise Einhaltung von Toleranzen zu verstehen. In Kombination mit einem zumindest teilweisen Presshärten, insbesondere alternativ nur durch ein zumindest teilweises Presshärten einer kaltgeformten Radschüsselvorform, wird eine Radschüssel mit finalen mechanischen Eigenschaften und zumindest teilweise überwiegend martensitischer und/oder bainitischer Gefügestruktur in der Radschüssel bereitgestellt. Bei Bedarf kann die Radschüssel auch vollständig pressgehärtet werden. Eine überwiegend martensitische oder bainitische Gefügestruktur setzt einen Mindestanteil der Gefügephase einzeln oder in Kombination von mindestens 50 Flächen-%, insbesondere mindestens 60 Flächen-%, vorzugsweise mindestens 70 Flächen-%, besonders bevorzugt mindestens 80 Flächen-% voraus.
Bei der Temperatur A_C1 beginnt das Gefüge in Austenit umzuwandeln und liegt insbesondere vollständig austenitisch vor, wenn die Temperatur A_C3 überschritten wird. Bevorzugt wird die Radschüsselvorform auf eine Temperatur von mindestens A_C3 erwärmt, so dass im gesamten Bauteil ein im Wesentlichen austenitisches Gefüge vorliegt. A_C1 und A_C3 sind Kennwerte, welche abhängig von der Zusammensetzung (Legierungsbestandteile) des verwendeten Stahlwerkstoffs sind und aus sogenannten ZTA- bzw. ZTU-Schaubildern entnommen werden können. Das zumindest teilweise Presshärten erfolgt vorzugsweise in einer Vorrichtung, in welcher insbesondere die zumindest bereichsweise Warmumformung durchgeführt wird, wobei die Vorrichtung in mindestens einem Bereich, in dem das Presshärten umgesetzt werden soll, insbesondere aktiv gekühlt wird, so dass eine rasche Abkühlung, insbesondere unterhalb von M_f (Martensit-Finish) durch Kontakt mit einem Werkzeug, insbesondere mit dessen Werkzeugoberfläche/-wirkfläche bewirkt wird, um Austenit in ein hartes Gefüge, welches insbesondere überwiegend Martensit und/oder Bainit aufweisen kann, umzuwandeln. Die erforderlichen Abkühlraten können in Abhängigkeit von dem gewünschten Gefüge ebenfalls aus ZTU-Schaubildern entnommen werden.
Bei der Auswahl der härtbaren Stahlwerkstoffe in Verbindung mit der indirekten Warmumformung können konventionelle Fertigungsstraßen weiterhin genutzt werden und damit verbunden, kostengünstig Einzelkomponenten für die Räderherstellung hergestellt werden, da die härtbaren Stahlwerkstoffe in ihrem Anlieferungszustand respektive kalten Verarbeitungszustand moderate Festigkeiten aufweisen, die mit den konventionell verwendeten Stahlwerkstoffen vergleichbar sind und dadurch vergleichbare, geeignete Verformungseigenschaften besitzen, welche insbesondere zum kalten Formen einer Radschüssel(vorform) geeignet sind. Das Potential der härtbaren Stahlwerkstoffe ist nach der kalten Formung noch nicht ausgeschöpft, so dass gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das härtbare Stahlblech einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,08 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,15 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,22 Gew.-% hat. Das bereitgestellte Stahlblech kann ein Einsatzstahl oder Vergütungsstahl, insbesondere der Güte C10, C15, C22, C35, C45, C55, C60, 42CrMo4, ein manganhaltiger Stahl, insbesondere der Güte 8MnCrB3, 16MnB5, 16MnCr5, 17MnB3, 20MnB5, 22MnB5, 30MnB5, 37MnB4, 37MnB5, 40MnB4 oder ein lufthärtender Stahl, ein ölhärtender Stahl oder ein mehrschichtiger Stahl-Werkstoffverbund, beispielsweise mit drei Stahllagen, von denen mindestens eine der Lagen härtbar ist, sein.
Erfindungsgemäß erfolgt ein zumindest abschnittsweiser Beschnitt im vorläufigen Kragenbereich der Radschüssel zur Erzeugung der Endgeometrie der Speichen und/oder der Belüftungslöcher an der Radschüssel. Durch den erfindungsgemäßen Beschnitt erhält die Radschüssel insbesondere die finale, globale Geometrie (Endgeometrie). Um eine filigrane Ausführung und ein anspruchsvolles Design bereitstellen zu können, wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung des Verfahrens der Beschnitt mittels Laser durchgeführt. Der Einsatz eines Lasers zum Beschnitt ist im Vergleich zu mechanischen Trennvorrichtungen zwar etwas teurer, der Beschnitt lässt sich jedoch individuell und je nach Bedarf auf die jeweilige Anforderungen anpassen. Der Beschnittkontur, insbesondere der Ausführung der Endgeometrie der Radschüssel, lokal wie auch global, sind im Wesentlichen keine Grenzen gesetzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Mittenbereich der zu erzeugenden Radschüssel vor, während oder nach dem Kaltumformen vorläufige Löcher (Entlastungslöcher) eingebracht, vorzugsweise sind sie im Bereich der zu erzeugenden Belüftungslöcher vorgesehen. Die vorläufigen Löcher werden bevorzugt vor dem Kaltumformen, insbesondere in das ebene Stahlblech eingebracht und dienen als Entlastungslöcher, welche sich positiv auf den Materialfluss während der Formgebung auswirken können.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Innenbereich der zu erzeugenden Radschüssel vor, während oder nach dem Kaltumformen ein Zentralloch und/oder mehrere Anbindungslöcher eingebracht. Das Zentralloch kann dabei eine oder mehrere Funktionen erfüllen. Zum einen kann es zur späteren Positionierung an eine Radnabe und/oder in einer Vorrichtung zum Warmumformen und/oder Presshärten (Warmumform- und/oder Presshärtewerkzeug) und/oder als Entlastungsloch insbesondere für den Materialfluss während der Formgebung dienen. Das Zentralloch kann auch einen abgewinkelten Flansch beispielsweise in Form eines Kragens, abschnittsweise oder vollständig umlaufend um das Zentralloch aufweisen. Die Löcher können beispielsweise mittels mechanischen Vorrichtungen (Loch- und/oder Stanzwerkzeug(e)) eingebracht werden. Beispielsweise können diese in dem bzw. den (Kalt-)Formgebungswerkzeug(en) integriert sein. Alternativ können im Innenbereich der Radschüssel während oder nach dem zumindest bereichsweisen Warmumformen mit zumindest teilweisen Presshärten ein Zentralloch und/oder mehrere Anbindungslöcher eingebracht werden. Beim Einbringen der Löcher während der Warmumformung sind beispielsweise mechanische Vorrichtungen (Loch- und/oder Stanzwerkzeug(e)) in dem bzw. den Warm-Formgebungs- und/oder Presshärtewerkzeug(en) integriert. Werden die Löcher nach der Warmumformung eingebracht, kann dadurch beispielsweise sichergestellt werden, dass die entsprechend eingebrachten Löcher ohne weitere Formgebung auch in ihrer vorgesehenen Position verbleiben. Das nachträgliche Lochen kann vorzugsweise mittels Laser erfolgen, insbesondere auch mit dem erfindungsgemäßen Beschnitt der Radschüssel kombiniert werden.
Weiter bevorzugt werden mittels Laser die Belüftungslöcher, das Zentralloch und die Anbindungslöcher an der Radschüssel, welche zumindest bereichsweise warmumgeformt und zumindest bereichsweise pressgehärtet ist, eingebracht.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Bereich an der Radschüssel nicht pressgehärtet. Beispielsweise ist der Radschüssellappen der Radschüssel nicht pressgehärtet, um bei der Herstellung eines Fahrzeugrades insbesondere beim stoffschlüssigen Fügen, vorzugsweise beim Schweißen der Radschüssel an den Felgenring ein Ausbilden einer Erweichungszone zu vermeiden bzw. ein Erweichen in der Wärmeeinflusszone zu reduzieren, welche sich beim Vorliegen eines Härtegefüges ausbilden und eine metallurgische Kerbe definieren würde, die eine ausreichende Betriebsfestigkeit und/oder Stabilität des Gesamtrades nicht mehr sicherstellen könnte. Zudem kann es vorteilhaft sein, eine gewisse Duktilität im Bereich der Anbindung der Radschüssel vorzusehen, da bevorzugt ein Einpressen der Radschüssel erfolgt, welche bei einer zu geringen lokalen Verformbarkeit eine Vorschädigung bedingen könnte, welche unerwünscht ist.
Gemäß einer zweiten Lehre betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugrades, wobei ein Felgenring und eine erfindungsgemäß hergestellte Radschüssel bereitgestellt werden, wobei die Radschüssel stoff-, kraft- und/oder formschlüssig an den Felgenring angebunden wird. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorteilhaften Ausführungen zur Herstellung der Radschüssel verwiesen.
Der bereitgestellte Felgenring ist vorzugsweise aus einem Halbzeug aus Stahlblech hergestellt, beispielsweise durch Kaltumformen und/oder Warmumformen mit zumindest teilweisen Presshärten.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:

1 ein Ablaufschema zur Herstellung einer Radschüssel gemäß einer ersten Ausführung in Form von skizzierten Momentaufnahmen in Draufsicht,
2a bis d ein Ablaufschema zur Herstellung einer Radschüssel gemäß einer zweiten Ausführung in Form von Momentaufnahmen in perspektivischer Darstellung und eine fertiggestellte Radschüssel in Draufsicht und
3 ein skizziertes Ablaufschema zur Herstellung eines Fahrzeugrades.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt ein Ablaufschema zur Herstellung einer Radschüssel (3) gemäß einer ersten Ausführung in Form von skizzierten Momentaufnahmen in Draufsicht. Als Halbzeug (1) wird vorzugsweise eine ebene Stahlblech-Platine aus einem härtbaren Stahlwerkstoff bereitgestellt, wobei vorzugsweise die Blechdicke zwischen 2,5 und 10 mm liegt. Das härtbare Stahlblech (1) hat einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,08 Gew.-%. In das Stahlblech (1) sind vor dem Kaltumformen vorläufige Löcher (1.1) eingebracht worden, welche im Bereich der zu erzeugenden Belüftungslöcher (3.10) an der Radschüssel (3) vorgesehen sind (s. obere Reihe, linke Momentaufnahme). Die mittige Momentaufnahme in der oberen Reihe zeigt eine Radschüsselvorform (1') nach einem Kaltumformen in einer nicht dargestellten Vorrichtung. Das Kaltumformen ist nicht auf einen Schritt (einstufig), wie in dieser Ausführung gezeigt, respektive in einer Vorrichtung beschränkt, vielmehr kann das Kaltumformen auch in mehreren Schritten (mehrstufig) insbesondere auch in mehreren Vorrichtungen umgesetzt werden. Nach dem Kaltumformen weist die Radschüsselvorform (1') zumindest eine Vorform der Speichen (1'.4) mit jeweils einer Kragenbereichvorform (1'.43) auf. Die Kragenbereichvorform (1'.43) wurde mit einer Kragenhöhe (1'.42) von mindestens 20%, insbesondere von mindestens 30%, vorzugsweise von mindestens 40% bezogen auf die maximale Kragenhöhe (3.42), vgl. 2d), vorgeformt. Die eingebrachten Entlastungslöcher (1.1) wirkten sich positiv auf den Materialfluss während des Kaltumformens aus.
Ist die Radschüsselvorform (1') erstellt, wird sie mittels geeigneten Mitteln (nicht dargestellt), beispielsweise in einem Durchlaufofen, zumindest teilweise oder vollständig auf eine Temperatur von mindestens A_C1, vorzugsweise von mindestens A_C3, erwärmt bzw. durchwärmt, wobei die warme Radschüsselvorform (1') anschließend zumindest bereichsweise warm umgeformt und/oder zumindest teilweise pressgehärtet wird. Andere Mittel zur Erwärmung, wie beispielsweise radiativ, konduktiv, induktiv, einzeln oder in Kombination, können ebenfalls zur Anwendung kommen. Die zumindest bereichsweise Warmumformung mit zumindest bereichsweise Presshärten erfolgt in dieser Ausführung in zwei Schritten respektive in zwei nicht dargestellten Vorrichtungen, wobei im ersten Schritt eine Warmformung stattfindet und die warme Radschüsselvorform (1') lediglich warm ausgeformt und wie in der rechten Momentaufnahme in der oberen Reihe gezeigt, der Mittenbereich (3.7) der zu erzeugenden Radschüssel (3) respektive die Vorform der Speichen (1'.4) weiter ausgeformt wurde, um zu einer Zwischenform (2.4) gelangen. Neben des Vorformens der in radialer Längserstreckung zu erstellenden Speichen (3.4) sind auch bereits im Innenbereich (3.6) der zu erstellenden Radschüssel (3) Konturen mit einer moderat vorgeformten Anbindungssitzfläche der zu erzeugenden Anbindungslöcher (3.3) angedeutet.
Die noch im warmen Zustand befindliche Zwischenform (2) der zu erstellenden Radschüssel (3) wird in einem zweiten Schritt respektive in einer zweiten nicht dargestellten Vorrichtung, beispielsweise in einem Presshärtewerkzeug, zumindest teilweise pressgehärtet oder, insbesondere in einem Warmumform- und Presshärtewerkzeug, (weiter) warm umgeformt und zumindest teilweise pressgehärtet. Die nicht dargestellte Vorrichtung weist die Kontur respektive Geometrie der Radschüssel (3) auf, wobei durch entsprechendes Einwirken der Wirkflächen der Vorrichtung die noch warme Zwischenform (2) in eine zumindest teilweise pressgehärteten Radschüssel (3) überführt wird. Durch das zumindest teilweise Presshärten entsteht zumindest teilweise in der Radschüssel (3) ein Härtegefüge, durch welches eine hohe Maßhaltigkeit durch Vermeidung von Rückfederung sowie Betriebsfestigkeit erreicht werden kann. Die nicht dargestellte Vorrichtung (Warmumform-/Presshärtewerkzeug) kann Mittel zur aktiven und/oder passiven Kühlung aufweisen, insbesondere um eine Werkzeugerwärmung zu vermeiden und ein zumindest teilweises Presshärten der Radschüssel (3) sicherzustellen. Die Zwischenform (2) verbleibt für eine bestimmte Zeit in der Vorrichtung und wird insbesondere nach Erreichen einer Temperatur, insbesondere wenn alle Umwandlungsvorgänge (Bainit und/oder Martensit) im Wesentlichen abgeschlossen sind und das gewünschte Gefüge in der Radschüssel (3) eingestellt ist, insbesondere nach Erreichen der M_f-Temperatur, wieder entnommen. Zumindest die Vorform der Speichen mit der Kragenbereichvorform wurde in eine vorläufige Speichenform (2.4) mit vorläufigem Kragenbereich (2.43) überführt respektive geformt. Des Weiteren hat auch der Innenbereich (3.6) der Radschüssel, sowie die Anbindungssitzfläche der erstellenden Anbindungslöcher (3.3) weiter Form angenommen bzw. wurden entsprechend ausgeformt respektive endgeformt, vgl. rechte Momentaufnahme in der unteren Reihe.
Zur Erzeugung der Endgeometrie der Speichen (3.4) und der Belüftungslöcher (3.9) an der Radschüssel (3) erfolgt ein zumindest abschnittsweiser Beschnitt im vorläufigen Kragenbereich (2.43) der Radschüssel (3). Mit einem nicht dargestellten Beschnittmittel, vorzugsweise mittels eines Lasers wird der vorläufige Kragenbereich (2.43) beschnitten, so dass großflächige Belüftungslöcher (3.9) und filigrane Speichen (3.4) erzeugt werden können. Durch den Laser kann gezielt einer vorgegebenen Beschnittkontur gefolgt werden, wodurch ein anspruchsvolles Design zur Verfügung gestellt werden kann. Des Weiteren findet vorzugsweise mittels Laser eine weitere Bearbeitung des Innenbereichs (3.6) der Radschüssel (3) statt, in welchem die finale Lochgeometrie des Zentrallochs (3.5) wie auch der Anbindungslöcher (3.3) erzeugt wird, s. linke Momentaufnahme in der unteren Reihe. Anschließend kann die Radschüssel (3) weiteren Schritten zugeführt werden, wie zum Beispiel eines optionalen weiteren Beschnitts und/oder einer optionalen Strahlbehandlung der Oberfläche zur eventuellen Entfernung eines entstandenen Zunders auf der Radschüssel (3) und der Anbindung an einen Felgenring (4) zur Herstellung eines Fahrzeugrades (5) mit optional anschließender kathodischer Tauchlackierung (KTL) zur Einstellung eines vorgegebenen Korrosionsschutzes.
2a) bis 2c) zeigen ein Ablaufschema zur Herstellung einer Radschüssel (3) gemäß einer zweiten Ausführung in Form von Momentaufnahmen in perspektivischer Darstellung. 2a) zeigt eine Radschüsselvorform (1') als Momentaufnahme in einer perspektivischen Darstellung nach einem Kaltumformen in einem Schritt respektive in einer nicht dargestellten Vorrichtung, wobei als Halbzeug vorzugsweise eine ebene Stahlblech-Platine aus einem härtbaren Stahlwerkstoff bereitgestellt wird. Die Blechdicke liegt zwischen 2,5 und 10 mm, wobei das härtbare Stahlblech einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,08 Gew.-% hat. Vor, während oder nach dem Kaltumformen ist ein Zentralloch (1'.3) eingebracht worden. Nach dem Kaltumformen weist die Radschüsselvorform (1') zumindest eine Vorform der Speichen (1'.4) mit jeweils einer Kragenbereichvorform (1'.43) auf. Die Kragenbereichvorform (1'.43) wurde mit einer Kragenhöhe (1'.42) von mindestens 20%, insbesondere von mindestens 30%, vorzugsweise von mindestens 40% bezogen auf die maximale Kragenhöhe (3.42) vorgeformt. Des Weiteren sind auch bereits im Innenbereich (3.6) der zu erstellenden Radschüssel (3) Konturen mit einer moderat vorgeformten Anbindungssitzfläche der zu erzeugenden Anbindungslöcher (3.3) angedeutet.
Nach dem Kaltumformen erfolgt das Einbringen von Löchern (1'.1), wobei in die Vorform der Speichen (1'.4) jeweils ein erstes Loch (1'.1), welches eine im Wesentlichen ovale Form aufweist und aus einer Speiche (1'.4) jeweils ein Speichenpaar (1'.4) ausbildet, und jeweils ein zweites Loch (1'.1) auf dem Umfang zwischen den Speichen (1'.4), welches die Speichen (1'.4) respektive Speichenpaare (1'.4) voneinander beabstandet und eine im Wesentlichen dreieckförmige Form aufweist, eingestanzt werden. Das Lochen/Stanzen erfolgt beispielsweise in einer separaten, nicht dargestellten Vorrichtung, welches vorzugsweise mit mechanischen Beschnittmitteln bestückt ist, vgl. Momentaufnahme in 2b).
Die Radschüsselvorform (1') wird mittels geeigneten Mitteln (nicht dargestellt), beispielsweise in einem Durchlaufofen, zumindest teilweise oder vollständig auf eine Temperatur von mindestens A_C1, vorzugsweise von mindestens A_C3, erwärmt bzw. durchwärmt, wobei die warme Radschüsselvorform (1') anschließend zumindest bereichsweise warm umgeformt und zumindest teilweise pressgehärtet wird. Andere Mittel zur Erwärmung, wie beispielsweise radiativ, konduktiv, induktiv, einzeln oder in Kombination, können ebenfalls zur Anwendung kommen. Die warme Radschüsselvorform (1') wird in einer nicht dargestellten Vorrichtung, insbesondere in einem Warmumform- und Presshärtewerkzeug, zumindest abschnittsweise warm umgeformt und zumindest teilweise pressgehärtet wird. Die nicht dargestellte Vorrichtung weist die Kontur respektive Geometrie der Radschüssel (3) auf, wobei durch entsprechendes Einwirken der Wirkflächen der Vorrichtung die warme Radschüsselvorform (1') in eine zumindest teilweise pressgehärteten Radschüssel (3) überführt wird. Durch das zumindest teilweise Presshärten entsteht zumindest teilweise in der Radschüssel (3) ein Härtegefüge, durch welches eine hohe Maßhaltigkeit durch Vermeidung von Rückfederung sowie Betriebsfestigkeit erreicht werden kann. Die Vorrichtung (Warmumform- und Presshärtewerkzeug, nicht dargestellt) kann Mittel zur aktiven und/oder passiven Kühlung aufweisen, insbesondere um eine Werkzeugerwärmung zu vermeiden und ein zumindest teilweises Presshärten der Radschüssel (3) sicherzustellen. Die Radschüsselform (1') verbleibt für eine bestimmte Zeit in der Vorrichtung und wird insbesondere nach Erreichen einer Temperatur, insbesondere wenn alle Umwandlungsvorgänge (Bainit und/oder Martensit) im Wesentlichen abgeschlossen sind und das gewünschte Gefüge in der Radschüssel (3) eingestellt ist, insbesondere nach Erreichen der M_f-Temperatur, wieder entnommen. Zumindest die Vorform der Speichen mit der Kragenbereichvorform wurde in eine vorläufige Speichenform (2.4) mit vorläufigem Kragenbereich (2.43) überführt, vgl. Momentaufnahme in 2c).
Zur Erzeugung der Endgeometrie der Speichen (3.4) und der Belüftungslöcher (3.9, 3.10) an der Radschüssel (3) erfolgt ein zumindest abschnittsweiser Beschnitt im vorläufigen Kragenbereich (2.43) der Radschüssel (3). Mit einem nicht dargestellten Beschnittmittel, vorzugsweise mittels eines Lasers wird der vorläufige Kragenbereich (2.43) beschnitten, so dass großflächige Belüftungslöcher (3.9, 3.10) und filigrane Speichen (3.4) erzeugt werden können. Durch den Laser kann gezielt einer vorgegebenen Beschnittkontur gefolgt werden, wodurch ein anspruchsvolles Design bereitgestellt werden kann. Des Weiteren findet vorzugsweise mittels Laser eine Bearbeitung des Innenbereichs (3.6) der Radschüssel (3) statt, in welchem die finale Lochgeometrie der Anbindungslöcher (3.3) erzeugt wird, s. Momentaufnahme in 2d) Anschließend kann die Radschüssel (3) weiteren Schritten zugeführt werden, wie zum Beispiel eines optionalen weiteren Beschnitts und/oder einer optionalen Strahlbehandlung der Oberfläche zur eventuellen Entfernung eines entstandenen Zunders auf der Radschüssel (3) und der Anbindung an einen Felgenring (4) zur Herstellung eines Fahrzeugrades (5) mit optional anschließender kathodischer Tauchlackierung (KTL) zur Einstellung eines vorgegebenen Korrosionsschutzes.
In 2d) ist eine Draufsicht auf eine Radschüssel (3) gemäß der zweiten Ausführung gezeigt. Die Draufsicht entspricht der Darstellung der sogenannten Hinterseite der Radschüssel (3), welche im montierten Zustand nicht sichtbar ist. Die Radschüssel (3) weist einen Außenbereich (3.8) mit einem zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig umlaufenden Radschüssellappen (3.81), welcher zur form-, kraft- und/oder stoffschlüssigen Anbindung an einen Felgenring (4) zur Bildung eines Fahrzeugrades (5) vorgesehen ist, einen Innenbereich (3.6) mit einem Radanlagebereich (3.1), in welchem mehrere Anbindungslöcher (3.3), insbesondere mit einer Lochgeometrie und/oder Anbindungssitzfläche, zur Aufnahme von Befestigungsmitteln zur lösbaren Anbindung des Fahrzeugrades an eine Radnabe eines Fahrzeugs (nicht dargestellt) vorgesehen sind, und einen den Außen- (3.8) und den Innenbereich (3.6) verbindenden Mittenbereich (3.7), in welchem mehrere Speichen (3.4) in radialer Ausrichtung auf dem Umfang der Radschüssel (3) verteilt und über Belüftungslöcher (3.9, 3.10) voneinander beabstandet vorgesehen sind, auf.
Der Radschüssellappen (3.81) kann im Zuge des Kaltumformung zur Erstellung der Radschüsselvorform (1') und/oder im Zuge der Warmumformung zur Erstellung der Radschüssel (3) als Teil des Außenbereichs (3.8) abgestellt worden sein. Die Lochgeometrie und/oder Anbindungssitzfläche der Anbindungslöcher (3.3) können im Innenbereich (3.6) im Zuge der Kaltumformung zur Erstellung der Radschüsselvorform (1') und/oder im Zuge der Warmumformung zur Erstellung der Radschüssel (3) ausgeformt werden. Das Zentralloch (3.5), welches insbesondere von den Anbindungslöchern (3.3) umgeben ist, kann einen abgewinkelten Flansch (3.51) beispielsweise in Form eines Kragens, abschnittsweise oder vollständig umlaufend um das Zentralloch (3.5) aufweisen. Vorzugsweise die Form der Belüftungslöcher (3.9, 3.10) kombiniert mit der Ausgestaltung der Speichen (3.4) kann Einfluss auf die Designgestaltung nehmen.
Des Weiteren zeigt 2d) eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A quer zur radialen Längserstreckung einer Speiche (3.4), wobei die Speiche (3.4) mindestens einen Kragen (3.41) mit einer in radialer Längserstreckung der Speiche maximalen Kragenhöhe (3.42) aufweist.
3 zeigt ein skizziertes Ablaufschema zur Herstellung eines Fahrzeugrades (5), wobei zunächst eine erfindungsgemäß hergestellte Radschüssel (3) und ein Felgenring (4) bereitgestellt werden. Der Felgenring (4) kann aus einem Halbzeug aus Stahlblech bestehen, welcher durch Kaltumformen und/oder Warmumformen mit zumindest teilweisen Presshärten hergestellt ist. Die Radschüssel (3) wird stoff-, kraft- und/oder formschlüssig an den Felgenring (4) zur Bildung eines Fahrzeugrades (5) angebunden. Besonders bevorzugt erfolgt die Anbindung durch einen Presssitz (Kraft- und/oder Formschluss) in Kombination mit einem thermischen Fügeverfahren (Stoffschluss) wie z.B. eine MAG-oder Laser-Schweißung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Fahrzeugräder bevorzugt für Personenfahrzeuge mit anspruchsvollem Design herstellbar. Die einzelnen in den jeweiligen Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale sind auch untereinander bzw. miteinander kombinierbar. Die Radschüssel (3) kann vollständig oder nur teilweise pressgehärtet sein, beispielsweise nur im Innenbereich (3.6) und Mittenbereich (3.7) der Radschüssel (3). Vorzugsweise erfolgt im Außenbereich (3.8) der Radschüssel (3) respektive am Radschüssellappen (3.81), welcher insbesondere zur zumindest stoffschlüssigen Anbindung an einen Felgenring (4) dient, kein Presshärten, um bei der Herstellung eines Fahrzeugrades (5) insbesondere beim stoffschlüssigen Fügen der Radschüssel (3) an den Felgenring (4) eine Ausbildung einer Erweichungszone zu vermeiden. Der Felgenring (4) kann entweder vollständig, teilweise oder gar nicht pressgehärtet sein.
Die einzelnen Formgebungsschritte Lochen/Stanzen, Kaltumformen, Warmumformen kombiniert mit zumindest teilweise Presshärten kann jeweils in einem als auch in mehreren Schritten bzw. jeweils in einem oder mehreren Vorrichtungen (Werkzeugen) erfolgen, jeweils abhängig vom Grad der Komplexität sowie des zu erstellenden Designs. Der Radschüssellappen im Außenbereich der zu erzeugenden Radschüssel wird vorzugsweise während der Kaltumformung erzeugt bzw. abgestellt.
Die hergestellten Fahrzeugräder (5) werden bevorzugt in Personenkraftwagen, ob mit Verbrennungsmotor und/oder elektrischem Antrieb, verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007019485 A1 [0005]
DE 102013114245 B3 [0005]
DE 102014108901 B3 [0005]
DE 112007000239 T5 [0006]
EP 2495110 B1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Radschüssel (3), aufweisend einen Außenbereich (3.8) mit einem zumindest abschnittsweise umlaufenden Radschüssellappen (3.81), welcher zur form-, kraft- und/oder stoffschlüssigen Anbindung an einen Felgenring (4) zur Bildung eines Fahrzeugrades (5) vorgesehen ist, einen Innenbereich (3.6) mit einem Radanlagebereich (3.1), in welchem mehrere Anbindungslöcher (3.3) zur Aufnahme von Befestigungsmitteln zur lösbaren Anbindung des Fahrzeugrades (5) an eine Radnabe eines Fahrzeugs vorgesehen sind, und einen den Außen- (3.8) und den Innenbereich (3.6) verbindenden Mittenbereich (3.7), in welchem mehrere Speichen (3.4) in radialer Ausrichtung auf dem Umfang der Radschüssel (3) verteilt und über Belüftungslöcher (3.9, 3.10) voneinander beabstandet vorgesehen sind, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Halbzeugs (1) aus einem härtbaren Stahlblech, - Kaltumformen des Halbzeugs (1) zu einer Radschüsselvorform (1'), wobei die Radschüsselvorform (1') zumindest eine Vorform der Speichen (1'.4) mit jeweils einer Kragenbereichvorform (1'.43) aufweist, - zumindest teilweises oder vollständiges Erwärmen der Radschüsselvorform (1') auf eine Temperatur von mindestens A_C1 und anschließendes zumindest bereichsweise Warmumformen und/oder zumindest teilweisen Presshärten zu einer Radschüssel (3), wobei zumindest die Vorform der Speichen (1'.4) mit der Kragenbereichvorform (1'.43) in eine vorläufige Speichenform (2.4) mit vorläufigem Kragenbereich (2.43) überführt wird, - zumindest abschnittsweiser Beschnitt im vorläufigen Kragenbereich (2.43) der Radschüssel (3) zur Erzeugung der Endgeometrie der Speichen (3.4) und/oder der Belüftungslöcher (3.9, 3.10) an der Radschüssel (3).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halbzeug (1) als ebene Stahlblech-Platine bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Blechdicke des Halbzeugs (1) zwischen 2,5 und 10 mm liegt, insbesondere maximal 8 mm, vorzugsweise maximal 6 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der Beschnitt mittels Laser durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Speichen (3.4) jeweils mindestens einen Kragen (3.41) mit einer in radialer Längserstreckung der Speichen (3.4) maximalen Kragenhöhe (3.42) aufweisen, wobei eine Vorform der Speichen (1'.4) mit jeweils einer Kragenbereichvorform (1'.43) erzeugt und die Kragenbereichvorform (1'.43) mit einer Kragenhöhe (1'.42) von mindestens 20%, insbesondere von mindestens 30%, vorzugsweise von mindestens 40% bezogen auf die maximale Kragenhöhe (3.42) vorgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei im Mittenbereich (3.7) der zu erzeugenden Radschüssel (3) vor, während oder nach dem Kaltumformen vorläufige Löcher (1.1, 1'.1, 1'.3) eingebracht werden, vorzugsweise welche im Bereich der zu erzeugenden Belüftungslöcher (3.9, 3.10) vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei im Innenbereich (3.6) der zu erzeugenden Radschüssel (3) vor, während oder nach dem Kaltumformen ein Zentralloch (3.5) und/oder mehrere Anbindungslöcher (3.3) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im Innenbereich (3.6) der Radschüssel (3) während oder nach dem zumindest bereichsweise Warmumformen mit zumindest teilweisen Presshärten ein Zentralloch (3.5) und/oder mehrere Anbindungslöcher (3.3) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das härtbare Stahlblech einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,08 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,15 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,22 Gew.-% hat.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei ein Bereich an der Radschüssel (3), insbesondere der Radschüssellappen (3.81) an der Radschüssel (3) nicht pressgehärtet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugrades (5), wobei eine Radschüssel (3) und ein Felgenring (4) bereitgestellt werden, wobei die Radschüssel (3) stoff-, kraft- und/ oder formschlüssig an den Felgenring (4) angebunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Radschüssel (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt ist.