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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines metallischen Formbauteils, insbesondere eines
Karosseriebauteils, aus einem Halbzeug aus warmformbarem Stahlblech.
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Viele Bauteile, insbesondere Karosseriebauteile
im Fahrzeugbau, müssen
hohe Anforderungen in bezug auf Steifigkeit und Festigkeit erfüllen. Gleichzeitig
sollen die Bauteile im Interesse der Gewichtsreduzierung eine möglichst
geringe Materialdicke aufweisen. Um diesen beiden Anforderungen
gerecht zu werden, kommen verstärkt
hochfeste und höchstfeste
Stahlwerkstoffe zum Einsatz, welche – je nach Zusammensetzung und
Wärmebehandlung – sehr hohe
Festigkeiten aufweisen. Die Herstellung von Karosseriebauteilen
aus diesen höchstfesten Stahlblechen
erfolgt vorzugsweise in einem Warmumformprozeß, bei dem – wie beispielsweise in der
DE 24 52 486 A1 und
der
DE 100 49 660
A1 beschrieben – eine
Platine erwärmt
und anschließend
in einem speziellen Formwerkzeug geformt und gehärtet wird. Durch eine geeignete
Wahl der Prozeßparameter
während
des Warmumformens können
dabei die Festigkeits- und Zähigkeitswerte
des Bauteils gezielt eingestellt werden.
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Zur Herstellung eines solchen Bauteils
mit Hilfe der Warmumformung wird zunächst aus einem Coil eine Platine
ausgeschnitten, die anschließend oberhalb
der Gefügeumwandlungstemperatur
des Stahlwerkstoffs, oberhalb derer das Werkstoffgefüge im austenitischen
Zustand vorliegt, erwärmt,
im erwärmten
Zustand in ein Umformwerkzeug eingelegt und in die gewünschte Bauteilform
umgeformt und unter mechanischer Fi xierung des gewünschten
Umformzustands abgekühlt
wird, wobei eine Vergütung bzw.
Härtung
des Bauteils erfolgt.
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Um ein auf diese Weise hergestelltes
Bauteil maßhaltig
zu schneiden, ist allerdings ein hoher apparativer Aufwand erforderlich:
Insbesondere sind zum kalten Schneiden gehärteter Werkstoffe sehr hohe
Schneidkräfte
erforderlich, was zu einem schnellen Werkzeugverschleiß und hohen
Instandhaltungskosten führt.
Weiterhin ist das kalte Beschneiden solcher hochfester Bauteile
problematisch, da beispielsweise die im kalten Zustand beschnittenen
Bauteilkanten mehr oder weniger große Grate aufweisen, was aufgrund
der hohen Kerbempfindlichkeit der hochfesten Werkstoffe zu einer schnellen
Rißbildung
im Bauteil führen
kann.
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Zur Vermeidung dieser beim mechanischen Beschneiden
der gehärteten
Bauteile auftretenden Schwierigkeiten werden vielfach alternative
Schneidverfahren eingesetzt, wie zum Beispiel Laserschneiden oder
Wasserstrahlschneiden. Zwar kann mit Hilfe dieser Verfahren ein
qualitativ hochwertiger Beschnitt der Bauteilkante erreicht werden,
jedoch arbeiten diese Schneidverfahren vergleichsweise langsam,
da die Zykluszeiten hier unmittelbar von der Länge der Schnittkante sowie
von den einzuhaltenden Toleranzen abhängen. Der abschließende Beschneidungsprozeß stellt
somit einen Flaschenhals bei der Herstellung warmumgeformter Bauteile
her, der die Zahl der pro Zeiteinheit herzustellenden Bauteile begrenzt.
Zwar kann die Gesamtzykluszeit der Bauteilherstellung reduziert
werden, wenn – je
nach Länge
der Schnittkante – mehrere
parallel arbeitende Laser- oder Wasserstrahlschneidanlagen bereitgestellt
werden, jedoch ist dies mit hohen Zusatzinvestionen und Logistikaufwand
verbunden und daher nachteilig.
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Aus der
DE 101 49 220 C1 und der
DE 101 49 221 C1 sind
Verfahren zur Herstellung preßgehärteter Bauteile
bekannt, bei denen zunächst
eine topfartige Ausformung bzw. ein Durchzug an einer Platine im
ungehärteten
Zustand ausgeformt wird; an schließend wird die Platine in einem
Warmumform-Werkzeug zum fertigen Bauteil warm umgeformt und gehärtet. Das
auf diese Weise hergestellte Bauteil kann in einer Nachfolge-Operation
beschnitten werden. Jedoch geht aus keiner dieser beiden Druckschriften
hervor, auf welche Weise dieser Beschneideprozeß durchgeführt werden muss, um einerseits
den Werkzeugverschleiß zu
minimieren, andererseits eine geringe Zykluszeit zu erreichen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, den Verfahrensablauf bei der Herstellung von Bauteilen
aus warmumformbaren Blechen dahingehend zu verbessern, daß die Zykluszeit – unabhängig von
der Länge
der Bauteilaußenkontur – reduziert
werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Grundidee der Erfindung besteht
in der Überlegung,
daß der
Bauteil-Herstellungsprozeß in einer
solchen Weise gestaltet werden sollte, daß auf die verfahrenstechnisch
aufwendige und kostenintensive abschließende Beschneidung des gehärteten Bauteils
verzichtet werden kann. Die Randbereiche werden daher erfindungsgemäß bereits
im ungehärteten
Zustand des Bauteils abgeschnitten und nicht erst – wie herkömmlicherweise
beim Warmumformen üblich – nach dem
Erwärmungs-
und Härteprozeß.
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Der erfindungsgemäße Herstellungsprozeß sieht
somit vor, daß zunächst aus
einem Coil aus einem warmumformbaren Stahlblech eine Platine ausgeschnitten
wird. Aus dieser Platine wird anschließend mittels eines herkömmlichen
Kaltumformverfahrens, z.B. durch Tiefziehen, und anschließendem Beschneiden
der Randbereiche ein Bauteil-Rohling geformt, der bereits sowohl
(näherungsweise)
die gewünschte
dreidimensionale Form als auch (näherungsweise) die gewünschte Außenkontur
des fertigen Bauteils hat. Dieser Bauteil-Rohling wird anschließend auf
eine oberhalb der Umformtemperatur des Werkstoffs liegende Temperatur
erwärmt
und im Warmzustand in ein Warmumform-Werkzeug transferiert, in dem das Bauteil
pressgehärtet
wird. In diesem Verfahrensschritt erfährt der Bauteil-Rohling eine
vergleichsweise geringe Umformung und wird gleichzeitig einer gezielten
Wärmebehandlung
unterzogen, im Zuge derer eine bauteilübergreifende oder lokale Härtung erfolgt.
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Da der Bauteil-Rohling zu Beginn
der Warmumformung bereits annähernd
die gewünschten Maße aufweist,
ist während
der Warmumformung nur noch eine verhältnismäßig geringe Anpassung bzw. Korrektur
der Bauteilkontur notwendig. Dadurch werden die Bauteilränder nur
unwesentlich geändert,
so daß die
Notwendigkeit einer abschließenden
Beschneidung der Bauteilränder
entfällt.
Unter „Bauteilrändern" sind hier sowohl äußere Berandungen
als auch innere Randbereiche (Berandungen von Durchbrüchen des
Bauteils) zu verstehen.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen
Warmumformverfahren erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
das Beschneiden der überschüssigen Randbereiche
somit vor der Warmumformung; zu diesem Zeitpunkt befindet sich der
Bauteil-Rohling in einem weichen (ungehärteten) Zustand und kann daher
mit Hilfe herkömmlicher
mechanischer Verfahren beschnitten werden. Somit kann auf die aufwendige
und zeitraubende Laser- bzw. Wasserstrahlbeschneidung des fertigen
Preßteils
verzichtet werden, so daß die
Durchlaufzeiten im Vergleich zum konventionellen Prozeßablauf
erheblich gesenkt werden können.
Gleichzeitig wird eine hochwertige Schnittkante erreicht.
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Weiterhin erfolgt bei Verwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
im Warmumformwerkzeug nur noch eine geringe Umformung des Bauteils; somit
kann der Werkzeugverschleiß des
Warmumformwerkzeugs erheblich reduziert werden.
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Da die Bauteilgeometrie (fast) vollständig durch
Kaltumformung hergestellt wird, kann die Herstellung des Bauteils
im Zuge der Konstruktionsphase durch konventionelle Umformsimulation
abgesichert werden. Dies ermöglicht
reduzierte Entwicklungskosten für
Bauteil und Werkzeug.
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Besondere Vorteile lassen sich erzielen, wenn
als Kaltumformungsverfahren zur endformnahen Ausformung der Bauteilgeometrie
ein (mehrstufiges) Tiefziehverfahren verwendet wird (siehe Anspruch
2). Da im Weichzustand eine mehrstufige Umformbarkeit des Bauteil-Rohlings
möglich
ist, können auch
komplexe Bauteilgeometrien ausgeformt werden. Vorteilhafterweise
wird in die letzte Stufe des Tiefziehwerkzeugs mit Schneid werkzeugen
versehen, so daß die
Beschneidung des Bauteil-Rohlings direkt
im Kaltumformwerkzeug erfolgt.
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Zur Beschneidung des Bauteil-Rohlings kommen
vorzugsweise mechanische Schneidmittel zum Einsatz (siehe Anspruch
3). Diese Schneidmittel können
insbesondere in Form von Abkant- und/oder Stanzwerkzeugen
in das Kaltumformwerkzeug integriert sein, so daß die Randbeschneidung nicht
in einem separaten Verfahrensschritt, sondern als Teil der Kaltumformung
erfolgt (siehe Anspruch 4).
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Um die Zykluszeit des Gesamtprozesses weiter
reduzieren zu können,
ist es vorteilhaft, den Prozeßschritt
der Preßhärtung des
beschnittenen Bauteil-Rohlings zeitlich möglichst kurz zu gestalten, um
einen möglichst
hohen Durchsatz von Bauteilen pro Warmumform-Werkzeug zu gewährleisten.
Hierzu sollte das fertig ausgeformte Bauteil möglichst schnell abgekühlt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform
wird das fertig ausgeformte Bauteil in einem Werkzeug abgeschreckt,
welches mit Hilfe einer Sole (mit Temperatur < 0°C)
als Kühlmittel
gekühlt
wird (siehe Anspruch 5); eine solche Sole hat eine besonders hohe
Wärmeleitfähigkeit
und Wärmekapazität. Auf diese
Weise kann eine besonders schnelle Kühlung des Bauteils erreicht
werden.
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Eine zusätzliche Reduktion der Zykluszeit des
Gesamtprozesses läßt sich
erreichen, wenn das Bauteil über
mehrere Stationen (entsprechend mehreren Werkzeugsätzen) hinweg
abgekühlt
wird. So wird in einer ersten Station das Bauteil so weit abgeschreckt,
bis die Martensit-Grenztemperatur unterschritten ist. Die Bauteilfestigkeit
ist dann bereits ausreichend für
einen Weitertransport zur nächsten
Station (bzw. dem nächsten
Werkzeug). In dieser zweiten (bzw. einer Folge von weiteren) Station
wird das Bauteil dann bis auf Handtemperatur abgekühlt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
wird für die
Herstellung des Bauteils ein Halbzeug aus einem lufthärtenden
Stahl verwendet (siehe Anspruch 6). Ein Vorteil von lufthärtenden
Stählen
besteht darin, daß zum
Abschrecken des Bauteils prinzipiell keine zusätzliche Kühlung (z.B. durch das Warmumform-Werkzeug) notwendig
ist. In diesem Fall wird der Bauteil-Rohling im Warmumform-Werkzeug auf Endkontur
geformt und dann nur solange im Warmumform-Werkzeug abgekühlt, bis
eine ausreichende Warmfestigkeit, Steifigkeit und damit verbundene Maßhaltigkeit
des Bauteils erreicht ist. Anschließend kann das Bauteil aus dem
Warmumform-Werkzeug entnommen und an der Luft fertig abgekühlt werden; das
Warmumform-Werkzeug steht somit für die Aufnahme eines weiteren
Bauteil-Rohlings bereit. Auf diese Weise können die Zykluszeiten bei der
Herstellung gehärteter
Bauteile weiter verkürzt
werden. – Erfolgt
die Lufthärtung
unter einem Schutzgas, so ergibt sich – zusätzlich zu diesem Zeitgewinn – der weitere Vorteil,
daß sich
auf dem Bauteil kein Zunder bildet und somit die aufwendige nachträgliche Entzunderung
entfällt
(siehe Anspruch 7).
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Bei einer solchen Erwärmung und
Wärmebehandlung
unter Schutzgas bleibt das Bauteil frei von Oberflächenverschmutzungen
und kann daher mit Vorteil direkt im Anschluß an die Warmumformung und
Abschreckung (d.h. nach Abkühlung
auf eine Temperatur unterhalb der Martensisttemperatur) einer Oberflächenbeschichtung
unterzogen werden (siehe Anspruch 8). Im Zuge diese Oberflächenbeschichtung
können
insbesondere korrosionshemmende Schutzschichten (z.B. durch Verzinken)
auf die Bauteiloberfläche
aufgebracht werden. Dabei kann direkt die von der Warmumformung
herrührende,
im Bauteil verbliebene Restwärme
genutzt werden. Anschließend
kann eine weitere Wärmebehandlung
des Bauteils durch Anlassen erfolgen.
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Die Erwärmung des beschnittenen Bauteil-Rohlings
vor der Warmumformung kann in einem Durchlaufofen erfolgen (siehe
Anspruch 9). Alternativ wird die Erwärmung induktiv durchgeführt (siehe
Anspruch 10). Eine solche induktive Erwärmung erfolgt sehr schnell,
weswegen in diesem Fall ein zusätzlicher
Zeitgewinn in der Gesamtprozeßzeit
erreicht werden kann. Aufgrund der kurzen Aufheizdauer tritt weiterhin
während
der Erwärmung
nur eine vernachlässigbare
Verzunderung der Bauteiloberflächen
auf, weswegen die Verwendung von Schutzgas entfallen kann. Die induktive
Erwärmung
hat besondere Vorteile in denjenigen Anwendungsfällen, in denen nicht das gesamte
Bauteil, sondern nur ausgewählte
Bereiche des Bauteils preßgehärtet werden
sollen: Dann werden selektiv – durch
geeignete Gestaltung der Induktoren – nur die ausgewählten, zu
härtenden Bereiche
erwärmt
und anschließend
im Warmumform-Werkzeug
gehärtet,
während
die restlichen, unerwärmten
Bereiche zwar im Warmumform-Werkzeug umgeformt werden, aber in der
ursprünglichen Duktilität verbleiben.
Alternativ bzw. zusätzlich
ermöglicht
das Induktionserwärmen
eine Einstellung der Bauteileigenschaften über die Blechdicke hinweg („weicher
Kern – harte
Deckschicht"). Auf
diese Weise können
lokal variable Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften auf dem
fertigen Bauteil erreicht werden.
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Zur induktiven Erwärmung kann
eine getrennte, zwischen Schneidvorrichtung und Warmumform-Werkzeug
angeordnete Heizstation – analog zum
Durchlaufofen – vorgesehen
werden. Im Unterschied zu einer Erwärmung im Durchlaufofen – bei der
eine gewisse Erwärmungsstrecke
notwendig ist – ist
die induktive Erwärmung
mit einem geringen Platzbedarf verbunden, was zu Kosteneinsparungen führt. Die
Form und Anordnung der Induktoren wird auf die Form des beschnittenen
Bauteil-Rohlings bzw. der zu erwärmenden
Bereiche abgestimmt. Alternativ zur Erwärmung in einer getrennten Heizstation
kann die Erwärmung
auch in der Schneidvorrichtung (direkt nach der Randbeschneidung)
oder im Warmumform-Werkzeug (direkt vor der Warmumformung) erfolgen.
Hierzu ist die Schneidvorrichtung bzw. das Umformwerkzeug mit internen
Induktoren versehen, oder das Bauteil wird mit Hilfe von externen,
entsprechend geformten Induktoren erhitzt, welche nach der Randbeschneidung
bzw. vor der Warmumformung in die geöffnete Schneidvorrichtung bzw.
das geöffnete
Warmumform-Werkzeug eingeführt
und dort an die gewünschte
Stelle des Bauteils plaziert werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei
zeigen
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1 ein
Verfahrensschema des erfindungsgemäßen Herstellungsprozesses eines
preßgehärteten Bauteils:
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1a:
Zuschneiden der Platine (Schritt I) 1b:
Kaltumformung (Schritt II)
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1c:
Beschneiden der Ränder
(Schritt III) 1d: Warmumformung
(Schritt IV)
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1e:
Trockenreinigung (Schritt V);
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2 perspektivische
Ansichten ausgewählter
Zwischenstufen bei der Herstellung des Bauteils:
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2a:
ein Halbzeug;
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2b:
ein daraus geformter Bauteil-Rohling;
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2c:
ein beschnittener Bauteil-Rohling;
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2d:
das fertige Bauteil.
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1a bis
1e zeigen eine schematische Darstellung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines räumlich
geformten, preßgehärteten Bauteils
1 aus
einem Halbzeug
2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Halbzeug
2 eine Platine
3 verwendet,
welche aus einem abgewickelten Blechcoil ausgeschnitten wird. Alternativ
kann als Halbzeug ein Verbundblech zum Einsatz kommen, welches – wie z.B.
in der
DE 100 49 660
A1 beschrieben – aus
einem Basisblech und mindestens einem Verstärkungsblech besteht. Weiterhin
kann als Halbzeug ein Taylored Blank verwendet werden, welches aus
mehreren zusammengeschweißen
Blechen unterschiedlicher Materialstärke und/oder unterschiedlicher
Materialbeschaffenheit besteht. Alternativ kann das Halbzeug ein
durch ein beliebiges Umformverfahren hergestelltes dreidimensional
geformtes Blechteil sein, welches mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ver fahrens
eine weitere Umformung sowie eine Festigkeits/Steifigkeitserhöhung erfahren
soll.
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Das Halbzeug 2 besteht aus
einem warmformbaren Stahl. Als Beispiel eines solchen Werkstoffs
sei an dieser Stelle der unter der Handelsbezeichnung BTR 155 vertriebene
lufthärtende
Stahl der Firma Benteler genannt, der die nachfolgend aufgeführte Legierungszusammensetzung
aufweist, wobei die zusätzlich
zu dem Basismetall Eisen hinzuzufügenden Gehalte der Legierungspartner
in Massenprozent zu verstehen sind:
Kohlenstoff: 0,18 – 0,28%,
Silizium:
max. 0,7%,
Mangan: 2,00 – 4,00%,
Phosphor:
max. 0,025%,
Schwefel: max. 0,010,
Chrom: max. 0,7%,
Molybdän: max.
0,55,
Nickel: max. 0,6%,
Aluminium: 0,020 – 0,060%.
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In einem ersten Prozeßschritt
I wird die Platine 3 – wie
in 1a dargestellt – aus einem
abgewickelten und geradegerichteten Abschnitt eines Coils 5 aus
einem warmumformbaren Blech ausgeschnitten. Der warmumformbare Werkstoff
befindet sich zu diesem Zeitpunkt in einem „weichen" (d.h. ungehärteten) Zustand, so daß die Platine 3 problemlos
mit Hilfe konventioneller mechanischer Schneidmittel – beispielsweise
mit Hilfe einer Hubschere 4 – ausgeschnitten werden kann.
Im Großserieneinsatz
erfolgt das Zuschneiden der Platine 3 vorteilhafterweise
mit Hilfe einer Platinenpresse 6, welche eine automatisierte
Zuführung
des Coils 5 und ein automatisches Ausstanzen und Abführung der
ausgeschnittenen Platine 3 gewährleistet. Die auf diese Weise
ausgeschnittene Platine 3 ist in 2a in einer schematischen perspektivischen
Ansicht dargestellt Die ausgeschnittenen Platinen 3 werden
auf einem Stapel 7 abgelegt und werden in gestapelter Form
einer Kaltumform-Station 8 zugeführt (siehe 1b). Hier wird in einem
zweiten Prozeßschritt
II aus der Platine 3 mit Hilfe des Kaltumform-Werkzeugs 8 – im vorliegenden
Beispiel einem zweistufigen Tiefziehwerkzeug 9 – ein Bauteil-Rohling 10 geformt.
Um dabei prozeßsicher
eine qualitativ hochwertige Ausformung der Bauteilgeometrie gewährleisten
zu können,
muß während des
Kaltumformungsprozesses gezielt ein vorherbestimmter, optimierter
Werkstofffluß auf
der Platine 3 sichergestellt werden. Um dies zu erreichen,
weist die Platine 3 Randbereiche 11 auf, die über eine
(in 2a gestrichelt angedeutete)
Außenkontur 12 des
zu formenden Bauteils 1 hinausragen. In diesen Randbereichen 11 werden
während
des Ziehprozesses durch Niederhalter 13 gesteuert Kräfte ausgeübt, welche
einen gezielten Materialfluß auf der
Platine 3 und somit ein hochqualitatives Ziehergebnis bewirken.
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Im Rahmen dieses Kaltumformprozesses (Prozeßschritt
II) wird der Bauteil-Rohling 10 endkonturnah ausgeformt.
Unter „endkonturnah" soll dabei verstanden
werden, daß diejenigen
Teile der Geometrie des fertigen Bauteils 1, welche mit
einem makroskopischen Materialfluss einhergehen, nach Abschluss
des Kaltumformprozesses vollständig
in den Bauteil-Rohling 10 eingeformt sind. Nach Abschluss des
Kaltumformprozesses (Prozeßschritt
II) sind somit zur Herstellung der dreidimensionalen Form des Bauteils 1 nur
noch geringe Formanpassungen notwendig, welche einen minimalen (lokalen)
Materialfluss erfordern; der Bauteil-Rohling 10 ist in 2b dargestellt.
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Je nach Komplexität der Bauteilgeometrie kann
die endkonturnahe Formgebung in einem einzigen Tiefziehschritt erfolgen,
oder sie kann mehrstufig – beispielsweise
in der in 1b gezeigten
zweistufigen Tiefziehpresse 9 – erfolgen.
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Anschließend an den Kaltumformprozeß wird der
Bauteil-Rohling 10 in eine Schneidvorrichtung 15 eingelegt
und dort beschnit ten (Prozeßschritt III, 1c). Da der Werkstoff des
Bauteil-Rohlings 10 sich zu diesem Zeitpunkt noch in einem „weichen", d.h. ungehärteten Zustand
befindet, kann dieser Beschneideprozeß mit Hilfe mechanischer Schneidmittel 14 (insbesondere
mit Schneidmessern, Abkant- und/oder Stanzwerkzeugen) erfolgen.
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Für
den Beschneidevorgang kann – wie
in 1c gezeigt – eine separate
Schneidvorrichtung 15 vorgesehen sein. Alternativ können die
Schneidmittel 14 in die letzte Stufe 9' des Tiefziehwerkzeugs 9 integriert
sein, so daß in
der letzten Tiefziehstufe 9' zusätzlich zu
der Fertigformung des Blechteil-Rohlings 10 auch die randseitige
Beschneidung erfolgt.
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Durch den Kaltumform- und den Beschneideprozeß (Prozeßschritte
II und III) wird somit aus der Platine 3 ein endkonturnaher
beschnittener Bauteil-Rohling 17 hergestellt, der sowohl
in bezug auf seine dreidimensionale Form als auch in bezug auf seine
Randkontur 12' nur
wenig von der gewünschten
Bauteilform abweicht. Die abgeschnittenen Randbereiche 11 werden
in der Schneidvorrichtung 15 abgeführt; der Bauteil-Rohling 17 (2c) wird mit Hilfe eines
Manipulators 19 aus der Schneidvorrichtung 15 entnommen
und der nächsten
Prozeßstufe
zugeführt.
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In der nun folgenden Prozeßstufe IV (1d) wird der beschnittene
Bauteil-Rohling 17 einer Warmumformung unterzogen, im Rahmen
derer er auf die endgültige
Bauteilform 1 ausgeformt und gehärtet wird. Hierzu wird der
beschnittene Bauteil-Rohling 17 von einem Manipulator 20 in
einen Durchlaufofen 21 eingelegt, wo er auf eine Temperatur
erhitzt wird, die oberhalb der Gefügeumwandlungstemperatur in
den austenitischen Zustand liegt; je nach Stahlsorte entspricht
dies einer Erhitzung auf eine Temperatur zwischen 700° C und 1100°C. Vorteilhafterweise
ist die Atmosphäre
des Durchlaufofens 21 durch eine gezielte und ausreichende
Zugabe eines Schutzgases inertisiert, um ein Verzundern nicht beschichte ter
Schnittstellen 12' der
beschnittenen Rohlinge 17 oder – bei Verwendung unbeschichteter
Bleche – an
der gesamten Rohlingsoberfläche zu
verhindern. Als Schutzgas kann beispielsweise Kohlendioxid und/oder
Stickstoff verwendet werden.
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Der erhitzte beschnittene Bauteil-Rohling
17 wird
dann mit Hilfe eines Manipulators
22 in ein Warmumform-Werkzeug
23 eingelegt,
in dem die dreidimensionale Gestalt und die Randkontur
12' des beschnittenen
Bauteil-Rohlings
17 auf ihr endgültiges, gewünschtes Maß gebracht werden. Da der beschnittene
Bauteil-Rohling
17 bereits endkonturnahe Maße aufweist,
ist während
des Warmumformung nur noch eine geringe Formanpassung notwendig. Im
Warmumform-Werkzeug
23 wird der beschnittene Rohling
17 fertiggeformt
und schnell abgekühlt,
wodurch ein feinkörniges
martensitisches oder bainitisches Werkstoffgefüge eingestellt wird Dieser
Verfahrensschritt entspricht einer Härtung des Formbauteils
1 und
ermöglicht
eine gezielte Einstellung der Werkstofffestigkeit. Einzelheiten
und verschiedene Ausgestaltungen dieses Härtungsprozesses sind beispielsweise
in der
DE 100 49 660
A1 beschrieben. Dabei kann eine bauteilübergreifende Härtung des gesamten
Formbauteils
1 erfolgen; alternativ können durch eine geeignete Gestalt
des Warmumform-Werkzeugs
23 z.B. isolierende Einsätze, Luftspalte
etc.) ausgewählte
Bereiche des Bauteils von der Härtung
ausgespart werden, so daß die
Härtung
des Formbauteils
1 nur lokal erfolgt.
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Ist der gewünschte Härtungszustand des Formbauteils 1 erreicht,
so wird Formbauteil 1 aus dem Warmumform-Werkzeug 23 entnommen.
Aufgrund der dem Warmumformungsprozeß vorgelagerten endkonturnahen
Beschneidung des Bauteil-Rohlings 10 sowie der Formanpassung
der Außenberandung 12' im Warmumform-Werkzeug 23 weist
das Formbauteil 1 nach Abschluß des
Warmumformprozesses bereits die gewünschte Außenkontur 24 auf, so
daß nach
der Warmumformung keine zeitaufwendige Beschneidung des Bauteilrandes
notwendig ist.
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Um eine schnelle Abschreckung des
Formbauteils 1 im Zuge der Warmumformung zu erreichen,
wird das Formbauteil 1 in einem durch Sole gekühlten Warmumform-Werkzeug 23 abgeschreckt. Eine
solche Sole hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und
Wärmekapazität umspült. Abhängig von
den zugesetzten Salzen kann die Sole auf Temperaturen weit unterhalb
des Gefrierpunktes von Wasser gekühlt werden.
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Die Warmumformung des Formbauteils 1 geht
im Regelfall ein er mit einer Verzunderung der Bauteiloberfläche, so
daß das
Formbauteil 1 in einem weiteren Verfahrensschritt (Prozeßschritt
V, 1e) in einer Trockenreinigungsstation 25 (beispielsweise mittels
Kugelstrahlen) entzundert werden muß.
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Durch den in 1a bis 1e dargestellten Verfahrensablauf
mit der endkonturnahen Beschneidung der Bauteil-Rohlinge 10 im
weichen Zustand wird eine erhebliche Verkürzung der Zykluszeit gegenüber dem
herkömmlichen
Verfahrensablauf er reicht, bei dem das fertige, gehärtete Formbauteil 1 erst
nach der Warmumformung mittels (Laser-) Schneidens auf das gewünschte Maß beschnitten wird.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren
eingesetzt, so weist Formbauteil 1 nach Abschluß des Warmumformungsprozesses
(Prozeßschritt
IV) bereits die gewünschte
endgültige
Außenkontur 24 auf, so
daß die
Hartbeschneidung – die
im herkömmlichen
Verfahrensablauf den Flaschenhals bildete – entfällt.
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Im erfindungsgemäßen Verfahrensablauf stellt
nunmehr die Abkühlung
des fertig ausgeformten Formbauteils 1 im Warmumform-Werkzeug 23 den
Engpaß des
Gesamtverfahrens dar: Bei einer Härtung im Werkzeug 23 beträgt nämlich die
insgesamt erforderliche Abkühlzeit
bei guter Auslegung der werkzeugintegrierten Kühlung je nach Blechdicke, Werkstückgröße und Endtemperatur
etwa 20 bis 40 Sekunden, wobei das Gros der Fälle im Bereich zwischen 25
und 30 Sekunden liegt. Eine Verkürzung der
Zykluszeit kann hier durch den Einsatz lufthärtender Stähle als Werkstoffe für die Formbauteile 1 erreicht
wer den: In diesem Fall braucht das Formbuteil 1 im Warmumform-Werkzeug 23 nur
so weit abgekühlt
zu werden, bis eine ausreichende Warmfestigkeit, Steifigkeit und
damit verbundene Maßhältigkeit des
Formbauteils 1 erreicht ist; dann kann das Formbauteil 1 aus
dem Werkzeug 23 entnommen werden, so daß der weitere Wärmebehandlungsvorgang
an der Luft außerhalb
des Werkzeugs 23 erfolgt, und das Warmumform-Werkzeug 23 für die Aufnahme
eines nächsten
Bauteil-Rohlings 17 bereitsteht. Auf diese Weise kann die
Verweilzeit des Formbauteils 1 im Warmumform-Werkzeug 23 auf
wenige (< 10) Sekunden
reduziert werden, was zu einer weiteren Verkürzung der Gesamt-Zykluszeit
führt.
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Zusätzliche Einsparungen bzw. Reduktionen der
Zykluszeit können
erzielt werden, wenn nicht nur die Erwärmung der Bauteil-Rohlinge 17,
sondern auch die Warmumformung in einer Schutzgasatmosphäre erfolgt;
in diesem Fall ist das Umformwerkzeug 23, wie in 1d gestrichelt angedeutet,
in die Schutzgasatmosphäre 26 des
Durchlaufofens 21 integriert. Dadurch wird ein verzunderfreier
Preßhärtungsprozeß realisiert,
so daß die
ansonsten bislang notwendige nachfolgende Trockenreinigung der Bauteile 1 (Prozeßschritt
V) entfallen kann.
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Alternativ zu der Erwärmung der
Bauteil-Rohlinge 17 in dem Durchlaufofen 21 kann
die Erwärmung
induktiv erfolgen.