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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen eines Blechproduktes, wobei das Blechprodukt durch mechanisches Umformen aus einem Blechvorprodukt hergestellt wird.
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Blechvorprodukte werden üblicherweise mittels mechanischer Umformverfahren, wie z.B. dem Tiefziehen, weiter verarbeitet. Die hierbei in den Blechwerkstoff eingebrachten Kräfte werden über die Blechoberfläche in das Blechvorprodukt übertragen. Es ergeben sich unter anderem aus der Geometrie des Blechproduktes und den im Umformverfahren auftretenden Reibkräften zwischen Blechoberfläche und Umformwerkzeug teils sehr hohe lokale Beanspruchungen der Blechoberfläche. Diese lokalen Beanspruchungen, welche sich aus Normal- und Scherkräften zusammensetzen, können während der Umformung erheblichen Veränderungen unterliegen. Für ein optimales Umformergebnis ist erforderlich, den Blechfluss während des Umformprozesses gezielt steuern zu können.
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Neben der Anpassung des Zuschnitts des Blechvorprodukts erfolgt die Steuerung des Blechflusses insbesondere durch eine Beeinflussung der Rückhaltekräfte, die der Ziehkraft des Umformprozesses entgegenwirkt. Diese Beeinflussung geschieht beispielsweise durch eine zusätzliche Schmierung mit Schmierstoffen. Diese führt zur lokalen Verminderung von Reibkräften und somit zur Verminderung der Rückhaltekräfte. Eine Erhöhung der Rückhaltekräfte kann zum Beispiel durch den Einsatz von Ziehsicken realisiert werden.
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Der Einsatz einer zusätzlichen Schmierung stellt einen erheblichen zusätzlichen Aufwand dar. Zum einen müssen die Schmierstoffe aufwendig aufgebracht werden und zum anderen erhöht sich der Reinigungsaufwand sowohl beim Blechprodukt als auch am Umformwerkzeug, da die eingebrachten Schmierstoffmengen im Stande sein können, die Prozessstabilität negativ zu beeinflussen. Insbesondere vor dem Hintergrund einer umweltverträglichen Fertigung ist der vermeidbare Einsatz von Schmierstoffen kritisch zu betrachten.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2012 017 703 A1 sind Lasertexturierverfahren bekannt, mit welchem Dressierwalzen mit einer deterministischen, d.h. geometrisch bestimmten Textur versehen werden können. Diese Textur wird während des Dressiervorganges auf die Oberfläche der zu verarbeitenden Blechvorprodukte als Negativ übertragen, d.h. Erhebungen auf der Walzenoberfläche resultieren in Tälern in der Oberfläche des Blechvorprodukts und umgekehrt. Die auf diese Weise in die Oberfläche des Blechvorprodukts eingebrachten Vertiefungen finden als sogenannte Schmierstofftaschen Verwendung, welche einen auf die Blechoberfläche aufgetragenen Schmierstoff halten und während der Umformung mit sich führen können.
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Die Funktionsweise der eingesetzten Schmierstoffe wird im Wesentlichen durch dem Schmierstoff beigefügte Additive bestimmt. Die Additive können beispielsweise durch eine Anlagerung von Polymerketten oder auch durch chemische Reaktionen an den metallischen Oberflächen von Umformwerkzeug und Blechvorprodukt die Ausbildung einer Grenzschicht bewirken und einen direkten Kontakt der Oberflächen von Umformwerkzeug und Blechvorprodukt verhindern. Die Bindung zwischen den Polymerketten beruht dabei auf van-der-Waals-Kräften. Daher lassen sich diese vergleichsweise leicht gegeneinander verschieben. Die Bindung der Polymerketten an den Oberflächen von Umformwerkzeug und Blechvorprodukt beruht dagegen auf einer Dipolbindung. Die Grenzschicht ist üblicherweise wenige Nanometer dünn und lässt sich leicht von den Oberflächen von Umformwerkzeug und Blechvorprodukt ablösen. Um einen direkten metallischen Kontakt und somit Verschleiß des Umformwerkzeuges und des Blechvorproduktes durch Adhäsion und Abrasion im Wesentlichen zu verhindern, ist es somit notwendig, die Oberflächen flächendeckend stetig neu mit Schmierstoff zu benetzen. Eine Reduktion des Schmierstoffeinsatzes steht somit im Kontrast zu den Erfordernissen eines Herstellungsprozesses eines Blechteiles gemäß dem Stand der Technik.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Blechprodukte bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern eine effektive Schmierung beim Umformen des Blechvorproduktes bei gleichzeitig reduziertem Schmierstoffeinsatz bietet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Blechproduktes aus einem Blechvorprodukt, wobei zumindest eine Oberfläche des Blechvorproduktes mit einer Beschichtung beschichtet wird, wobei das Blechvorprodukt gewalzt wird, wobei beim Walzen Vertiefungen in die Oberfläche eingewalzt werden, wobei nach dem Beschichten und Walzen Schmierstoff in die Vertiefungen eingebracht wird, wobei das Blechvorprodukt nach dem Einbringen von Schmierstoff mit einem Umformwerkzeug mechanisch umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche derart beschichtet wird, dass die Beschichtung im Umformwerkzeug während des Umformprozesses, insbesondere unter Relativbewegung zwischen Blech- und Werkzeugoberfläche, unter Belastungen von 0,5 MPa bis 20 MPa elastisch verformbar und unter Belastungen oberhalb von 20 MPa plastisch verformbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, dass der Schmierstoff in den Vertiefungen als Schmierstofftaschen zielgerichtet an die kritischen Bereiche des Umformwerkzeugs transportiert wird. Die Vertiefungen ertüchtigen die Oberfläche des Blechvorproduktes, den Schmierstoff aufzunehmen und größtenteils verlustfrei zu transportieren. Erst bei hohen Belastungen, also dort wo der Schmierstoff zum Schmieren zwischen Blechvorprodukt und Umformwerkzeug benötigt wird, wird dieser durch eine plastische Verformung der Vertiefungen lokal freigesetzt.
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Relativbewegungen zwischen Blechvorprodukt und Umformwerkzeug treten beim Umformen, wie beispielsweise dem Tiefzeihen, insbesondere im Flansch bzw. Auflage des Umformwerkzeuges und an der Ziehkante des Umformwerkzeuges auf. Diese Bereiche unterscheiden sich erheblich in den auf das Blechvorprodukt einwirkenden Belastungen. Während im Flansch bzw. Auflage eine vorwiegend flächige Beanspruchung im einstelligen MPa-Bereich vorliegt, treten an der Ziehkante sehr starke Belastungen auf, die insbesondere im mittleren zweistelligen MPa-Bereich und darüber hinaus liegen können. Entsprechend den lokal auftretenden Belastungen werden die Vertiefungen plastisch verformt, wobei der Schmierstoff freigesetzt wird. Durch den Blechfluss beim Umformen werden kontinuierlich weitere schmierstoffgefüllte Vertiefungen in die Bereiche mit sehr hohen Belastungen gefördert, so dass diese Bereiche stetig neu mit Schmierstoff benetzt werden.
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Denkbar ist, dass die Volumina der Vertiefungen der benötigten Schmierstoffmenge entsprechen. Denkbar dazu ist, dass die benötigte Schmierstoffmenge zwischen 0,5 g/mm2 und 1 g/mm2 beträgt. Denkbar ist ferner, dass als Blechvorprodukt Blechplatinen oder Blech in Bandform bereitgestellt wird. Denkbar ist weiterhin, dass als Walze zum Einwalzen der Vertiefungen in das Blechvorprodukt eine Dressierwalze verwendet wird, auf welche insbesondere mit einem Lasertexturierverfahren eine geometrische Textur aufgetragen wurde. Als mechanische Umformung des Blechvorproduktes zum Blechprodukt sind alle Blechumformungen denkbar. Als Beispiele seien hier Biegen, Tiefziehen, Verwinden, Drücken und Streckziehen genannt. Vorzugsweise ist die Beschichtung zwischen 1 µm und 30 µm, insbesondere zwischen 2 µm und 15 µm dick.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberfläche derart beschichtet wird, dass die Beschichtung im Umformwerkzeug während des Umformprozesses, insbesondere unter Relativbewegung zwischen Blech- und Werkzeugoberfläche, unter Belastungen von 0,5 MPa bis 15 MPa elastisch verformbar und unter Belastungen oberhalb von 25 MPa plastisch verformbar ist. Damit ist eine noch bessere Anpassung an im Umformwerkzeug vorliegende Verhältnisse möglich. Die vorliegenden Belastungen im Umformwerkzeug äußern sich als Druck, also Kraft pro Fläche, auf die Oberfläche des Blechvorproduktes. Durch eine entsprechend günstige Gestaltung der Vertiefungen ist eine Manipulation der Fläche möglich, auf welche die Kraft wirkt. Entsprechend kann so die Verformbarkeit der Beschichtung gesteuert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vertiefungen bezogen auf eine Haupterstreckungsebene des Blechvorproduktes als geschlossene Vertiefungen eingewalzt werden. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise einen sicheren und größtenteils verlustfreien Transport des Schmierstoffs. Durch die auf die Haupterstreckungsebene des Blechvorproduktes bezogen geschlossene Form kann kein Schmierstoff seitlich aus der Vertiefung herauslaufen. Ferner ist so sichergestellt, dass der Schmierstoff bei einer plastischen Verformung der Vertiefung freigesetzt wird und nicht entlang einer nichtgeschlossenen Vertiefung aus dem Bereich der plastischen Verformung weggepresst wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vertiefungen bezogen auf die Haupterstreckungsebene des Blechvorproduktes I-förmig, rechteckig oder quadratisch eingewalzt werden. Somit ergeben sich beispielsweise wannenförmige Vertiefungen. Es hat sich gezeigt, dass damit ein sehr effektiver Schmierstofftransport möglich ist. Denkbar ist aber auch, dass die Vertiefungen bezogen auf die Haupterstreckungsebene des Blechvorproduktes rund, oval, dreieckig oder kreuzförmig sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vertiefungen mit einer Tiefe von 2 µm bis 15 µm, bevorzugt 2 µm bis 10 µm und besonders bevorzugt von 2 µm bis 5 µm eingewalzt werden. Damit ist eine gute Anpassung des Volumens der Vertiefungen an das benötigte Volumen an Schmierstoff ermöglicht. Die Tiefe der Vertiefung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Tiefe der Vertiefung nach der Beschichtung der Oberfläche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vertiefungen mit einem Verhältnis von Tiefe zu Volumen der Vertiefung von 1:3 bis 1:15 und bevorzugt 1:5 bis 1:10 eingewalzt werden. Ein entsprechendes Verhältnis wirkt weiterhin positiv auf den Schmierstofftransport und die gezielt lokale Benetzung mit Schmierstoff. Das Volumen der Vertiefung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist das Volumen der Vertiefung nach der Beschichtung der Oberfläche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass auf mindestens 30% der Fläche der Oberfläche des Blechvorproduktes Vertiefungen eingewalzt werden. Damit ist sichergestellt, dass tatsächlich auch überall Schmierstoff hin transportiert wird, wo hohe Belastungen im Umformwerkzeug zur Notwendigkeit des Einbringens von Schmierstoff führen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vertiefungen derart eingewalzt werden, dass ein Boden der Vertiefung eine kleinere Fläche aufweist als die Projektion der Vertiefung auf die Haupterstreckungsebene der Oberfläche. Mit anderen Worten werden die Vertiefungen beispielsweise wannenförmig oder napfförmig eingewalzt. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Freisetzung des Schmierstoffs bei der Verformung der Vertiefung.
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Vorzugsweise ist dazu vorgesehen, dass die Vertiefungen derart eingewalzt werden, dass Wände der Vertiefungen mit der die Haupterstreckungsebene der Oberfläche einen Winkel von 105° bis 140° und vorzugsweise 110° bis 120° einschließen. Mit dem Winkel zwischen den Wänden der Vertiefungen und der Haupterstreckungsebene der Oberfläche können die Volumenänderungen der Vertiefungen durch die Belastung gezielt eingestellt werden. Entsprechend gestaltete Winkel zwischen den Wänden der Vertiefungen und der Haupterstreckungsebene der Oberfläche haben sich als vorteilhaft erwiesen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass als Beschichtung Zink verwendet wird. Zink eignet sich hervorragend als kathodische Korrosionsschutz-Beschichtung. Bei einer entsprechenden Verarbeitung des Zinks wird die Fließgrenze des Zinks an den hoch beanspruchten Stellen im Umformwerkzeug überschritten, wodurch der Schmierstoff vorteilhaft gezielt freigesetzt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Blechvorprodukt durch Feuerverzinkung beschichtet wird, wobei das Blechvorprodukt vor dem Walzen (Einwalzen der Vertiefungen) beschichtet wird. Feuerverzinkung ist gut beherrscht und bereits in hohem Maße in Herstellungsverfahren integriert. Vorzugsweise wird die Oberfläche mit einer geschlossenen Beschichtung beschichtet, wobei beim Einwalzen der Vertiefungen die Beschichtung nicht durchstoßen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist alternativ dazu vorgesehen, dass das Blechvorprodukt elektrolytisch beschichtet wird, wobei das Blechvorprodukt nach dem Walzen (Einwalzen von Vertiefungen) beschichtet wird. Bei elektrolytischen Beschichtungen folgen die Beschichtungen sehr genau dem unbeschichteten Verlauf der zu beschichtenden Oberfläche. Daher kann die Beschichtung im Anschluss an das Einwalzen der Vertiefungen erfolgen. Durch diese Reihenfolge ist eine sehr gleichmäßige Beschichtung, auch innerhalb der Vertiefungen, möglich.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe ist ein Blechprodukt hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Alle vorstehenden Ausführungen unter „Offenbarung der Erfindung“ gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Blechprodukt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch das Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Blechvorproduktes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt der Oberfläche eines Blechvorproduktes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist das Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Das Blechvorprodukt 2 wird als Band (Coilmaterial) oder Platine bereitgestellt und mit Dressierwalzen 3 gewalzt. Dabei walzen die Dressierwalzen 3 wannenförmige Vertiefungen (siehe ) in die Oberfläche des Blechvorproduktes 2. Die Vertiefungen sind mehrere Mikrometer tief, mehrere Mikrometer lang und breit, regelmäßig angeordnet und werden auf circa 40% der Oberfläche eingewalzt. Dazu sind die Dressierwalzen 3 zuvor vorzugsweise mit einem Lasertexturierungsverfahren so bearbeitet worden, dass sie ein entsprechendes Negativ zum Einwalzen der Vertiefungen auf ihrer Oberfläche aufweisen. Dabei ist zu beachten, dass das Negativ für jede Vertiefung eine Erhebung aufweist, wobei die Erhebung höher ist als die von der Erhöhung eingewalzte Vertiefung tief ist. Dies ist unter anderem dadurch begründet, dass die Dressierwalzen 3 beim Walzen nicht vollflächig auf der Oberfläche des Blechvorproduktes 2 aufliegen, was zu negativen Effekten für den Walz-/Dressiervorgang führen würde. Um dies zu vermeiden, wird vorzugsweise zwischen Blechvorprodukt 2 und Dressierwalze 3 beispielsweise eine Dressierflüssigkeit eingebracht.
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Dem Walzen/Dressieren anschließend werden die Oberflächen in der Beschichtungsanlage 4 elektrolytisch etwa 7 µm dick mit Zink beschichtet. Die Zinkschicht folgt nach dem elektrolytischen Beschichten der Oberflächengeometrie der unterliegenden Oberfläche, insbesondere den eingewalzten Vertiefungen. Alternativ denkbar ist, dass das Beschichten mit Zink mittels Feuerverzinkung durchgeführt wird. Dabei müsste allerdings das Beschichten vor dem Walzen/Dressieren durchgeführt werden, da eine durch Feuerverzinken aufgetragene Beschichtung der der Oberflächengeometrie der unterliegenden Oberfläche, insbesondere den eingewalzten Vertiefungen, weniger gut folgt im Vergleich zum elektrolytischen Beschichten. Das der Feuerverzinkung nachgeordnete Einwalzen der Vertiefungen würde diesen Nachteil jedoch wieder kompensieren.
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In der Beölungsanlage 8 wird nun der Schmierstoff 8.1 in die Vertiefungen auf der beschichteten Oberfläche eingebracht. Zur Vermeidung unnötiger Kosten und zu Gunsten der Umwelt ist dabei zu beachten, dass im Wesentlichen nur so viel Schmierstoff 8 eingebracht wird, wie die Vertiefungen aufnehmen können.
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Das gewalzte und beschichtete Blechvorprodukt 2 wird vom Band zu einer Platine abgelängt und anschließend einer Umformung in einem Umformwerkzeug 5 unterzogen. Beispielhaft dargestellt ist hier das Tiefziehen als eine mögliche Form des Umformens. Das noch platinenförmige Blechvorprodukt 2 wird in das Umformwerkzeug 5 eingelegt. Äußere Ränder des Blechvorproduktes 2 werden von Niederhaltern 5.3 des Umformwerkzeuges 5 auf Auflagen 5.4 des Umformwerkzeuges 5 festgehalten, während der Stempel 5.1 den inneren Bereich des Blechvorproduktes 2 in die Matrize 5.2 presst. Dabei entstehen auf das Blechvorprodukt 2 wirkende Belastungen, unter anderem an den Niederhaltern 5.3, an den Auflagen 5.4 und am Stempel 5.1. Diese Belastungen bewegen sich im einstelligen MPa-Bereich. An den Ziehkanten 5.5 wirken ebenfalls Belastungen auf das Blechvorprodukt 2. Die Belastungen hier sind jedoch deutlich höher und liegen in einem Bereich, in dem die Beschichtung plastisch verformt wird, die Vertiefungen eingeebnet werden und der in den Vertiefungen enthaltene Schmierstoff 8.1 zum Schmieren freigesetzt wird. Durch den Blechfluss von den Auflagen 5.4 in Richtung der Ziehkanten 5.5 während des Tiefziehvorgangs werden immer wieder neue Vertiefungen zu den Ziehkanten 5.5 transportiert, welche dort ebenfalls durch plastische Verformung eingeebnet werden und den enthaltenen Schmierstoff 8.1 freisetzen. Somit ist eine kontinuierliche und sehr genau gezielte lokale Schmierung möglich. Der Fachmann versteht, dass das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls bei anderen Umformverfahren eingesetzt werden kann. Nur als weitere Beispiele seien das Biegen, das Verwinden, das Drücken und das Streckziehen genannt, wobei die genannten Beispiele keine vollständige Aufzählung der möglichen Umformverfahren sind.
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In 2 ist ein Ausschnitt eines Blechvorproduktes 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Zu erkennen ist ein Schnitt orthogonal zur Hauterstreckungsebene der Oberfläche 7 des Blechvorproduktes 2. Die regelmäßig angeordneten Vertiefungen 6 sind mehrere Mikrometer tief und weisen den Boden 6.1 und die Wände 6.2 auf. Die Wände 6.2 schließen einen Winkel α mit der Haupterstreckungsebene der Oberfläche 7 von 110° bis 120° ein.
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3 zeigt schematisch einen Ausschnitt der Oberfläche 7 eines Blechvorproduktes 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zu erkennen sind Vertiefungen 6, deren Projektionen auf die Haupterstreckungsebene der Oberfläche 7 I-förmig sind. Die Oberfläche 7 weist auf mehr als 30% ihrer Fläche die Vertiefungen 6 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blechprodukt
- 2
- Blechvorprodukt
- 3
- Walze
- 4
- Beschichtungsanlage
- 5
- Umformwerkzeug
- 5.1
- Stempel
- 5.2
- Matrize
- 5.3
- Niederhalter
- 5.4
- Auflage
- 5.5
- Ziehkante
- 6
- Vertiefung
- 6.1
- Boden
- 6.2
- Wand
- 7
- Oberfläche
- 8
- Beölungsanlage
- 8.1
- Schmierstoff
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012017703 A1 [0005]
