DE102020205397A1

DE102020205397A1 - Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils

Info

Publication number: DE102020205397A1
Application number: DE102020205397.9A
Authority: DE
Inventors: Mathias Kotzian; Tobias Opitz; Roland Malek; Peter Oelkers
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-04-29
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2021-11-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils (7), bei dem als Vormaterial eine Platine (6) bereitgestellt wird, wobei in dem Verfahren in einer zeitlichen Prozessabfolge in einem Austenitisierungsschritt die Platine (6) auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur (Ac3) erwärmt wird, in einem Einlegeschritt die Platine (6) im Heißzustand in ein Presshärtewerkzeug (3) eingelegt wird, in einem Presshärteschritt die in das Presshärtewerkzeug (3) eingelegte Platine (6) warmumgeformt und pressgehärtet wird, und zwar unter Bildung des Stahlblechbauteils (7), und in einem Entnahmeschritt das gebildete Stahlblechbauteil (7) aus dem geöffneten Presshärtewerkzeug (3) entnommen wird. Erfindungsgemäß erfolgt zeitlich zwischen dem Austenitisierungsschritt und dem Presshärteschritt ein Vorform-Prozessschritt, bei dem die Platine (6) in eine Platinen-Vorform (17) umgeformt wird, so dass im Vorform-Prozessschritt eine Materialvorverteilung stattfindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine Prozessanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach dem Anspruch 7 sowie ein Stahlblechbauteil gemäß Anspruch 8.
In einem gattungsgemäßen Verfahren wird als Vormaterial eine Platine zunächst bereitgestellt. Anschließend wird die Platine in einem Austenitisierungsschritt auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur in einer Wärmebehandlungsvorrichtung erwärmt. Eine Transfereinheit transferiert die Platine im Heißzustand in das Presshärtewerkzeug. Dort erfolgt ein Presshärteschritt, bei dem die in das Presshärtewerkzeug eingelegte Platine warmumgeformt und pressgehärtet wird, und zwar unter Bildung des Stahlblechbauteils. In einem Entnahmeschritt wird das gebildete Stahlblechbauteil aus dem geöffneten Presshärtewerkzeug entnommen.
Bei einer komplexen Bauteil-Geometrie des Stahlblechbauteils ist im Presshärteschritt ein Prozess-Zeitfenster für die Warmumformung und Presshärtung sehr klein. Von daher liegen einerseits eine Rissbildung und andererseits eine starke Faltenbildung im umgeformten Stahlblechteil nahe beieinander, so dass der Materialausschuss groß ist und entsprechend die Prozesssicherheit bei der Fertigung der Stahlblechbauteile nicht gewährleistet ist.
Aus der DE 10 2010 055 148 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung formgehärteter Bauteile bekannt. Aus der DE 10 2013 105 488 A1 ist eine Transportvorrichtung für heiße, dünnwandige Stahlteile bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Prozessanordnung bereitzustellen, bei der die Prozesssicherheit im Vergleich zum Stand der Technik ein einfacher Weise erhöht werden kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 7 oder des Anspruches 8 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 erfolgt zeitlich zwischen dem Austenitisierungsschritt und dem Presshärteschritt ein Vorform-Prozessschritt, bei dem die Platine in eine Vorform gebogen wird. Auf diese Weise findet im Vorform-Prozessschritt eine Materialvorverteilung statt, mittels der eine prozesssichere Umformung im Presshärteschritt gewährleistet ist, ohne dass es zu einer Rissbildung oder Faltenbildung im fertig gestellten Stahlblechbauteil kommt.
Erfindungsgemäß kann also während des Transports der Platine von der Zentrierstation am Ofenauslauf eines Rollenherdofens zum Presshärtewerkzeug (Warmumformpresse) die Platine in eine Vorform gebogen werden. Dies geschieht mit Aktivkomponenten, vorzugsweise Pneumatikzylindern, die an der Mechanisierung angebracht sind. Die erforderlichen Verfahrrichtungen und Verfahrwege sind bauteilspezifisch festzulegen. Dies ist mit geringem Kraftaufwand möglich, da die Platine am Ofenauslauf eine Temperatur von über 850° (und eine dementsprechende niedere Festigkeit) hat.
Die Erfindung betrifft somit eine Vorverformung, das heißt eine Materialvorverteilung, für eine günstigere, prozesssichere Umformung. Es wird keine Zwischenform oder Fertigteilform erzeugt. Die Materialvorverformung erfolgt während des Transports vom Ofen zum Presshärtewerkzeug und es wird damit keine zusätzliche Fertigungszeit benötigt. Da kein neues Werkzeug angefertigt werden muss oder ein neuer Prozessschritt integriert werden muss, kann die Erfindung bei jeder Warmumformanlage nachgerüstet werden. Es ist somit kein zusätzlicher Prozessschritt notwendig, es wird damit keine zusätzliche Fertigungszeit benötigt. Zudem ist kein Eingriff in das Werkzeug oder den Ofen notwendig. Eine Nachrüstung ist wesentlich einfacher umzusetzen.
In einer Variante der Erfindung kann eine zusätzliche Vorrichtung bereitgestellt werden, die die Materialvorverteilung erzeugt. Dies kann eine eigenständig angetriebene Vorrichtung sein oder ein Gegenstück, in die die Mechanisierung fährt und die Materialvorverteilung erzeugt. Alternativ dazu kann die Materialvorverteilung auch über die Heberfunktionen (Platinenheber) im Werkzeug oder eine Vorrichtung am Ofenauslauf erfolgen.
Nachfolgend sind Aspekte der Erfindung im Einzelnen dargelegt: So kann in einer technischen Umsetzung die Platine nach dem Austenitisierungsschritt in einer Transferphase mittels einer Transfereinheit zum Presshärtewerkzeug transferiert und dort eingelegt werden. Die Transfereinheit kann eine Platinenbeladespinne aufweisen, die als ein Träger für Greifer wirkt, die mit der zu transferierenden Platine in Eingriff bringbar sind. Die Greifer können über Stellwege mit Bezug auf den Träger (das heißt die Platinenbeladespinne) verfahren werden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt der erfindungsgemäße Vorform-Prozessschritt in einer Transferphase, bei der die Greifer der Platinenbeladespinne in Eingriff sind mit der wärmebehandelten Platine. Zur Durchführung des Vorform-Prozessschritts werden die in Eingriff mit der wärmebehandelten Platine befindlichen Greifer um Vorform-Stellwege verfahren, wodurch sich die Vorform in der Platine ergibt.
Die Platinenbeladespinne kann an jeder beliebigen Mechanisierungsart, zum Beispiel Feeder, Roboter, usw., eingesetzt werden. Das gezeigte Beispiel ist exemplarisch. Die Verfahrbewegungen werden individuell festgelegt
In einer gängigen Praxis kann die Wärmebehandlungsvorrichtung, in der der Austenitisierungsschritt erfolgt, ein Rollenherdofen sein. Dieser kann im Ofenauslauf eine Zentrierstation aufweisen, in der die wärmebehandelte Platine nach Ofendurchlauf in einer Entnahmeposition positioniert wird. In der vorpositionierten Entnahmeposition ist ein prozesssicheres Greifen der wärmebehandelten Platine mit Hilfe der Transfereinheit gewährleistet. In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Zentrierstation mit einer Vorform-Prozessstufe ausgestattet sein, deren Vorform-Vorrichtung die Platinen-Vorform bildet. Die in der Zentrierstation des Wärmebehandlungsofens gebildete Platinen-Vorform wird dann von der Transfereinheit ergriffen und zum Presshärtewerkzeug transferiert.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Vorform-Prozessstufe als eine separate Zwischenstation realisiert sein, die in der Prozessrichtung zwischen dem Wärmebehandlungsofen und dem Presshärtewerkzeug platziert ist. In diesem Fall wird die Platinen-Vorform durch entsprechende Vorform-Vorrichtungen in der Zwischenstation gebildet.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann der Vorform-Prozessschritt erst nach dem Einlegeschritt unmittelbar im Presshärtewerkzeug stattfinden. Diese Ausführungsvariante beruht auf dem Sachverhalt, dass im Presshärtewerkzeug Heber- und/oder Schieberfunktionen vorhanden sind, etwa Platinenheber- oder -schieber. Solche Heber- und/oder Schieberfunktionen können im Vorform-Prozessschritt so angesteuert werden, dass sich die Platine in die Vorform verformt.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 eine Anlagenskizze, anhand der die in der 2 angedeutete Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils veranschaulicht ist;
2 in einem Blockschaltdiagramm die Prozessabfolge zur Herstellung des Stahlblechteils;
3 eine Platinenbeladespinne für eine Transfereinheit;
4 bis 6 jeweils Ansichten entsprechend der 1 gemäß unterschiedlicher Ausführungsvarianten.

In der 1 ist grob schematisch eine Prozessanordnung skizziert, anhand der zunächst die grundsätzliche Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils 7 erläutert ist. Die Anlage weist beispielhaft als Wärmebehandlungsofen einen Rollenherdofen 1, ein Presshärtewerkzeug 3 zur Warmumformung und Presshärtung von Stahlblechteilen 7 sowie eine Ablagestation 5 auf, in der die hergestellten Stahlblechbauteile 7 gelagert werden. Zwischen dem Rollenherdofen 1 und dem Presshärtewerkzeug 3 sowie zwischen dem Presshärtewerkzeug 3 und der Ablagestation 5 sind Transfereinheiten 9, 11 vorgesehen, die die Platine 6 beziehungsweise das Stahlblechteil 7 in der Prozessrichtung jeweils zur folgenden Prozessstation transferieren.
Im Warmumformprozess wird gemäß den 1 und 2 die noch unverformte Platine 6 aus einem härtbaren Stahl in den Rollenherdofen 1 transferiert und dort in einer Wärmebehandlungsphase zumindest teilweise bis auf oberhalb der werkstoffspezifischen Austenitisierungstemperatur Ac3 des eingesetzten Stahls erwärmt. Der Rollenherdofen 1 weist im Ofenauslauf eine Zentrierstation 12 auf, in der die wärmebehandelte Platine 6 in einer vordefinierten Entnahmeposition positioniert wird, damit die Transfereinheit 9 die Platine 6 prozesssicher ergreifen kann. Die Transfereinheit 9 transferiert die wärmebehandelte Platine 6 im Heißzustand zum Presshärtewerkzeug 3. Dort legt die Transfereinheit 9 im Einlegeschritt die Platine 6 in das Presshärtewerkzeug 3 ein. Im weiteren Prozessverlauf wird das Presshärtewerkzeug 3 geschlossen und die darin eingelegte Platine 6 in einem Presshärteschritt warmumgeformt und pressgehärtet, wodurch sich das Stahlblechbauteil 7 bildet. In einem abschließenden Entnahmeschritt wird das gebildete Stahlbleichbauteil 7 mittels der Transfereinheit 11 aus dem Presshärtewerkzeug 3 entnommen und in der Ablagestation 5 abgelegt.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zeitlich zwischen Austenitisierungsschritt und dem Presshärteschritt ein Vorform-Prozessschritt erfolgt, bei dem die Platine 6 in eine Platinen-Vorform 17 umgeformt wird. Auf diese Weise findet im Vorform-Prozessschritt eine Materialvorverteilung statt, mittels der eine prozesssichere Umformung im Presshärteschritt gewährleistet ist. In der in der 1 angedeuteten technischen Umsetzung weist die Transfereinheit 9 zwischen dem Rollenherdofen 1 und dem Presshärtewerkzeug 3 eine in der 3 in Alleinstellung gezeigte Platinenbeladespinne 13 mit Greifern 15 auf. Diese sind für einen Transfer in Eingriff mit der Platine 6 bringbar. Die Greifer 15 sind über Stellwege mit Bezug auf die Platinenbeladespindel 13 verfahrbar. In der 3 werden die in Eingriff mit der Platine 6 befindlichen Greifer 15 über Vorform-Stellwege s_v verfahren. Dadurch wird während der Transferphase eine Platinen-Vorform 17 erzeugt, die die Transfereinheit 9 im Einlegeschritt in das Presshärtewerkzeug 3 einlegt.
Beispielhaft sind in der 3 die innersten Greifer 15 um Vorform-Stellwege s_v nach unten verfahren, während die äußeren Greifer 15 um Vorform-Stellwege s_v zur Mitte verfahren sind, um die Platinen-Vorform 17 zu erzeugen. Die Verfahrbewegung der Greifer 15 kann durch Pneumatikzylinder, Linearachsen oder Linearantrieben erfolgen. Es können die unterschiedlichsten Antriebe, wie zum Beispiel pneumatische Antriebe, elektrische Antriebe, Wellenantriebe, Direktantriebe und dergleichen eingesetzt werden. Die Verfahrbewegungen können individuell, je nach Anforderung an den Umformprozess, in unterschiedlichste Richtungen ausgeführt werden. Eine ist zum Beispiel, dass der Mittenbereich nach unten geformt wird, eine andere zum Beispiel, dass der Mittenbereich nach oben geformt wird oder zum Beispiel, dass nur die linke Seite nach unten geformtwird.
In der 4 ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Prozessanordnung skizziert, die im Wesentlichen identisch ist mit der in der 1 gezeigten Prozessanordnung. Im Unterschied zur 1 ist in der 3 die Vorform-Prozessstufe nicht in die Transfereinheit 9 integriert, sondern vielmehr in die Zentrierstation 12 im Ofenauslauf des Rollenherdofens 1. Demzufolge weist die Zentrierstation 12 ein Vorform-Vorrichtung 19 auf, mittels der aus der noch unverformten Platine 6 die Platinen-Vorform 17 gebildet wird. Die Platinen-Vorform 17 wird im weiteren Prozessverlauf von der Transfereinheit 10 zum Presshärtewerkzeug 3 transferiert.
Beispielhaft kann die Vorform-Vorrichtung 19 angesteuerte Stifte oder einen zwischen Auslaufrollen befindlichen Mechanismus aufweisen.
Alternativ dazu ist in der 5 eine weitere Prozessanordnung skizziert, bei der in einer Prozessrichtung zwischen dem Rollenherdofen 1 und dem Presshärtewerkzeug 3 eine separate Zwischenstation 21 mit Vorform-Prozessstufe bereitgestellt ist. Die Zwischenstation 21 weist Vorform-Vorrichtungen 19 auf, mit deren Hilfe die Platinen-Vorform 17 gebildet wird. Diese wird im weiteren Prozessverlauf in das Presshärtewerkzeug 3 eingelegt und dort warmumgeformt und pressgehärtet.
In der 6 weist das Presshärtewerkzeug 3 im Werkzeugoberteil 14 und im Werkzeugunterteil 16 jeweils Platinenheber 18 und Platinenschieber 20 auf, mit deren Hilfe Heber- und/oder Schieberfunktionen während des Einlegeschritts, des Presshärteschritts und/oder des Entnahmeschritts aktiviert werden.
Erfindungsgemäß werden in der 6 die Platinenheber 18 sowie die Platinenschieber 20 im Presshärtewerkzeug 3 angesteuert, um den Vorform-Prozessschritt zu realisieren. Von daher findet in der 6 der Vorform-Prozessschritt nach dem Einlegeschritt unmittelbar im Presshärtewerkzeug 3 statt. Die Platinenheber 18 und die Platinenschieber 20 des Presshärtewerkzeugs 3 verformen die Platine 6 zur Platinen-Vorform 17. Anschließend wird der Presshärteschritt durchgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Wärmebehandlungsvorrichtung
3: Presshärtewerkzeug
5: Ablagestation
6: Platine
7: Stahlbauteil
9, 10, 11: Transfereinheit
12: Zentrierstation
13: Platinenbeladespinne
14: oberes Werkzeugteil
15: Greifer
16: unteres Werkzeugteil
17: Platinen-Vorform
18: Platinenheber
19: Vorform-Vorrichtung
20: Platinenschieber
21: Zwischenstation
sv: Vorform-Stellweg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010055148 A1 [0004]
DE 102013105488 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils (7), bei dem als Vormaterial eine Platine (6) bereitgestellt wird, wobei in dem Verfahren in einer zeitlichen Prozessabfolge in einem Austenitisierungsschritt die Platine (6) auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur (Ac3) erwärmt wird, in einem Einlegeschritt die Platine (6) im Heißzustand in ein Presshärtewerkzeug (3) eingelegt wird, in einem Presshärteschritt die in das Presshärtewerkzeug (3) eingelegte Platine (6) warmumgeformt und pressgehärtet wird, und zwar unter Bildung des Stahlblechbauteils (7), und in einem Entnahmeschritt das gebildete Stahlblechbauteil (7) aus dem geöffneten Presshärtewerkzeug (3) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich zwischen dem Austenitisierungsschritt und dem Presshärteschritt ein Vorform-Prozessschritt erfolgt, bei dem die Platine (6) in eine Platinen-Vorform (17) umgeformt wird, so dass im Vorform-Prozessschritt eine Materialvorverteilung stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Austenitisierungsschritt in einer Transferphase mittels einer Transfereinheit (9) zum Presshärtewerkzeug (3) transferiert wird und dort eingelegt wird, und dass insbesondere die Transfereinheit (9) einen Träger (13), insbesondere eine Platinenbeladespinne, mit Greifern (15) aufweist, die mit der Platine (6) in Eingriff bringbar sind, und/oder dass die Greifer (15) insbesondere über Stellwege mit Bezug auf den Träger (13) verfahrbar sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Vorform-Prozessschritts die in Eingriff mit der Platine (6) befindlichen Greifer um Vorform-Stellwege (sv) verfahren werden, und zwar unter Bildung der Platinen-Vorform (17), so dass der Vorform-Prozessschritt unmittelbar in der Transferphase zwischen dem Austenitisierungsschritt und dem Presshärteschritt stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austenitisierungsschritt in einer Wärmebehandlungsvorrichtung (1), etwa einer Induktionserwärmungsanlage, einem Rollenherdofen oder einer konduktiven Erwärmungsanlage, stattfindet, der bevorzugt im Ofenauslauf eine Zentrierstation (12) aufweist, in der die wärmebehandelte Platine (6) in einer vordefinierten Entnahmeposition positioniert wird, in der ein prozesssichere Ergreifen der Platine (6) von der Transfereinheit (9) gewährleistet ist, und dass insbesondere die Zentrierstation (12) eine Vorform-Prozessstufe mit einem Vorform-Vorrichtung (19) aufweist, mittels dem die Platinen-Vorform (17) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Prozessrichtung zwischen der Wärmebehandlungsvorrichtung (1) und dem Presshärtewerkzeug (3) eine separate Zwischenstation (21) mit Vorform-Prozessstufe bereitgestellt ist, dessen Vorform-Vorrichtung (19) die Platinen-Vorform (17) erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorform-Prozessschritt nach dem Einlegeschritt unmittelbar im Presshärtewerkzeug (3) stattfindet, und/oder dass das Presshärtewerkzeug (3) Heber- und/oder Schieberfunktionen aufweist, etwa Platinenheber- oder -schieber (18, 20), und dass die Heber- und/oder Schieberfunktionen im Vorform-Prozessschritt so gesteuert werden, dass sich die Platine (6) vor Durchführung des Presshärteschritts in die Platinen-Vorform (17) verformt.
Prozessanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Stahlblechbauteil, das in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist.