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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmformen eines Formbauteils
aus Metall mit einem Erwärmen
eines Halbzeugs auf Umformtemperatur und einem Formen des Halbzeugs
in einer Presse mit einem Gesenk, einem Stempel und einem Niederhalter
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Presse zum Warmformen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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Durch
die
DE 24 52 486 C2 zählt ein
Verfahren zum Pressformen und Härten
eines Stahlblechs mit geringer Materialdicke und guter Maßhaltigkeit zum
Stand der Technik, bei dem das Blech auf eine Temperatur über AC3
erwärmt
wird und danach in weniger als 5 Sekunden in die endgültige Form
zwischen zwei indirekt gekühlten
Werkzeugen unter wesentlichen Formveränderungen gepresst wird und unter
Verbleiben in der Presse einer Schnellkühlung so unterzogen wird, dass
ein martensitisches und/oder bainitisches feinkörniges Gefüge erzielt wird. Eine hierfür benötigte Tiefziehpresse
besteht, vereinfacht dargestellt, aus einem Stempel, auf dem das
Halbzeug, häufig
eine Platine, durch einen Niederhalter aufliegt und ein gegen den
Stempel verfahrbares Gesenk, das das Halbzeug über den Stempel zieht und dadurch
der durch den Stempel und das Gesenk vorgegebenen Form anpasst.
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Selbst
wenn ein Metallblech während
des Warmformens die kritische Abkühlgeschwindigkeit zum Härten nicht
erreicht, kühlt
es durch den Kontakt mit der Presse während des Formens so sehr ab, dass
seine Temperatur unter die benötigte
Umformtemperatur fällt.
Bei komplizierten Geometrien, die sich nicht in einem einzigen Umformschritt
ausführen lassen,
muss das Halbzeug daher entweder bereits vor dem Erwärmen bis
nahe an die Endkonfiguration kalt vorgeformt oder zwischen einzelnen
Warmformoperationen erneut auf Umformtemperatur erwärmt werden.
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Das
kalte Vorformen bereitet insbesondere bei einem Halbzeug aus Stahl
Probleme, das gemäß der
EP 101 37 85 A1 mit
einer Aluminiumbeschichtung versehen wurde, die zwar aufgrund der
Ausbildung einer intermetallischen Phase zwischen dem Stahl und
der Aluminiumbeschichtung den Warmformprozess übersteht, aber gleichzeitig
schlecht kaltzuformen ist, weil die intermetallische Phase sehr spröde ist und
während
des Kaltformens bricht. Abgesehen davon bedeutet ein kalt Vorformen
einen erhöhten
Aufwand an Werkzeugen und Zeit. Ein erneutes Erwärmen zwischen einzelnen Warmformschritten
steigert die Kosten, den Aufwand durch die zusätzlichen Transporte, die zusätzliche
Belegung der Ofenkapazität
und die Gefahr der Verzunderung.
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Hinzu
kommen bei komplexen Geometrien besondere Probleme. Eine B-Säule für ein Kraftfahrzeug
beispielsweise besteht aus einem Säulenfuß, einem länglichen mittleren Bereich
und einem Kopf, mit dem die B-Säule
am Dachrahmen angebunden wird. Hat die B-Säule am Fuß den größten Querschnitt mit einem
verhältnismäßig geraden
Auslauf, besteht während
des Tiefziehens die Gefahr von Dopplungen, d.h., das Material neigt
dazu, sich übereinander
zu falten. In der meist gebogenen Mitte besteht die größte Ziehtiefe
der B-Säule,
hier droht die Gefahr von Rissbildungen in der Zarge und Faltenbildungen
im Flansch. Der Mittelteil geht verhältnismäßig abrupt und eckig in den
Kopf der B-Säule über. An
diesen Stellen ist der Materialfluss behindert, was wiederum zu
einer Gefahr der Rissbildung führt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, das Warmformen und die dafür benötigte Presse
dahingehend zu verbessern, dass auch komplexere Geometrien ohne
aufwändiges
kalt Vorformen oder erneutes Erwärmen
hergestellt werden können.
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Diese
Aufgabe löst
die Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach
wird das auf Umformtemperatur erwärmte Halbzeug in der Presse
durch einen oberen und einen unteren Niederhalter, die sowohl gegenüber dem Gesenk
als auch gegenüber
dem Stempel verfahrbar sind, zunächst
frei vorgeformt und dann in derselben Presse durch ein Zufahren
des Gesenks und des Stempels endgeformt und gehärtet. Das Halbzeug ist vorzugsweise
eine zugeschnittene Platine, die zwischen dem oberen und dem unteren
Niederhalter gehalten wird. Die Platine liegt auf dem Stempel auf. Das
Gesenk ist noch geöffnet.
Der Niederhalter kann unabhängig
vom Gesenk und vom Stempel verfahren werden. Wenn nunmehr der Niederhalter
in Richtung des Stempels verfährt,
wird die Platine frei über den Stempel
gezogen. Da das noch geöffnete
Gesenk die Platine nicht über
den Stempel zwingt, bildet die Platine nicht exakt die Form des
Stempels ab, sondern legt sich zunächst nur bogenförmig über den Stempel,
wobei sie sich an ihrem höchsten
Punkt in etwa tütenförmig ausbildet.
Der in Richtung des Stempels verfahrbare Niederhalter formt die
Platine so vor. Während
dieser Vorformoperation hat die Platine nur dort, wo sie von dem
oberen und dem unteren Niederhalter gehalten wird und an einigen
wenigen Auflagepunkten am Stempel Kontakt mit dem Werkzeug, folglich
kühlt sie
nicht insgesamt unter Umformtemperatur ab, sie bleibt weiter warm
verformbar. Nun fährt
das Gesenk zu, die Platine wird durch das Gesenk über den
Stempel gezogen, nimmt ihre Endform an und kühlt durch den Kontakt mit dem Werkzeug
ab, vorzugsweise wird sie dabei gehärtet. Das freie Vorformen durch
die verfahrbaren Niederhalter führt
dazu, dass die Platine bereits in etwa ihrer endgültigen Form
angenähert
wird, ohne sie in die Endform zu zwingen, dadurch lassen sich komplexere
Bauteile rissfrei und mit einer geringen oder keiner Faltenbildung
herstellen. Gleichzeitig erlaubt der eingeschränkte Kontakt mit dem Werkzeug
während des
Vorformens ein warm Vorformen und Endformen in einem Werkzeug ohne
ein kalt vorkonfigurieren oder ein Zwischenerwärmen.
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Durch
das Vorformen und Endformen innerhalb eines Werkzeugs wird die Anzahl
der Pressen und der Verfahrensschritte insgesamt reduziert. Gerade
bei einem schlecht kaltformbaren Material wie dem aus der
EP 101 37 85 A1 bekannten
feueraluminierten Stahl, wird die Verarbeitung durch das erfindungsgemäße Verfahren
erst wirtschaftlich und serientauglich.
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Durch
das warm Vorformen wird bei der eingangs erwähnten B-Säule beispielsweise die Rissbildung
in der Zarge und am Kopf verhindert. Zusätzlich kann die Riss- und Faltenbildung
noch durch weitere Maßnahmen
unterbunden werden. Vorzugsweise wird das Halbzeug an seinen gegenüberliegenden Enden
mit Zuglaschen versehen und während
des Formens partiell in Längsrichtung
gereckt. Diese partielle Reckung reduziert Falten im Flansch und
in Bereichen mit Materialüberschuss.
Materialüberschuss kann
beispielsweise am Übergang
des Mittelteils der B-Säule
zum Kopf auftreten. Die Zuglaschen können nach dem Tiefziehen durch
Schneiden entfernt werden. Der Materialfluss im Halbzeug zwischen
dem oberen und dem unteren Niederhalter kann über einen reduzierbaren Abstand
zwischen dem oberen und dem unte ren Niederhalter gezielt gesteuert
werden. Hierbei ist der Abstand zwischen dem unteren und dem oberen
Niederhalter durch ein geeignetes Mittel variabel einstellbar. Wird
der Abstand verkleinert, wird der Materialfluss gebremst, wird der
Abstand vergrößert, kann
das Material besser fließen. Durch
die gezielte Steuerung des Materialflusses kann auch die Faltenbildung
beeinflusst werden. Insbesondere wenn der Flansch des Endbauteils
auf dem Niederhalter aufliegt, muss die Distanz mit Abschluss der
Formgebung auf Null reduziert werden, um den Flansch auszubilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Distanz zwischen dem oberen und dem unteren Niederhalter
während
des Tiefziehvorgangs nur bereichsweise reduziert. Beispielsweise
wird zwischen den oberen und den unteren Niederhalter in einem Bereich
ein Blech eingebracht. Dieses Blech wirkt wie eine Bremse. Speziell am
Fuß einer
B-Säule
vermeidet diese Bremswirkung im Materialfluss eine Doppelung der
Platine während
des Formens.
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Um
das Vorformen in einer Warmformpresse durchführen zu können, besteht der Niederhalter
erfindungsgemäß aus einem
oberen und einem unteren Niederhalter und ist sowohl gegenüber dem
Gesenk als auch gegenüber
dem Stempel verfahrbar. Der Niederhalter kann auf herkömmliche
Art, beispielsweise hydraulisch, pneumatisch, über Ziehkissen oder Gasdruckfedern
verfahren werden. In dem Moment, in dem die freie Vorformung abgeschlossen ist
und das obere Gesenk sich zum eigentlichen Tiefziehvorgang über den
Stempel schließt,
ist die Gegenhaltekraft zwischen dem unteren Niederhalter und dem
Stempel bevorzugt verstärkt,
beispielsweise durch ein weiteres eingreifendes Ziehkissen. Dadurch
wird der einwandfreie Ablauf des Tiefziehvorgangs über das
notwendige Kräfteniveau
zwischen Niederhalter, Stempel und Gesenk sichergestellt.
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Um
den Materialfluss im Halbzeug steuern zu können, ist der Abstand zwischen
dem unteren und dem oberen Niederhalter variabel einstellbar. Dies
wird beispielsweise über
Zylinder erreicht, die einfedern können. In einer bevorzugten
Ausführungsform
ist der Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Niederhalter
zum Beispiel durch das Einbringen eines Bleches nur bereichsweise
reduziert, um den Materialfluss nur in bestimmten Stellen des Halbzeugs
bremsen zu können.
Zudem ist die erfindungsgemäße Presse
in einer Variante mit Mitteln versehen, um das Halbzeug in Längsrichtung
lokal zu recken. Diese Mittel können
aus einer Hervorhebung be stehen, die das Halbzeug an den Zuglaschen
erfasst und während
des Tiefziehvorgangs einklemmt, so dass es an den Zuglaschen gereckt
wird.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
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1 eine Schemadarstellung
einer herkömmlichen
B-Säule 1,
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2 eine Verlaufsdarstellung
des Formens einer Platine 100 in einer Presse 5 aus
dem Stand der Technik,
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3 eine Verlaufsdarstellung
des Formens einer Platine 100 in einer erfindungsgemäßen Presse 50,
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4 eine Verlaufsdarstellung
des Formens einer Platine 100 in einer weiteren erfindungsgemäßen Presse 51,
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5 einen Teilschnitt durch
eine erfindungsgemäße Presse 52 im
geöffneten
Zustand,
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6 einen Teilschnitt durch
die Presse 52 im geschlossenen Zustand,
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7 eine schematische Ansicht
einer Platine 101 mit Zuglaschen 102 und 102',
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8 einen Teilschnitt durch
eine erfindungsgemäße Presse 53 im
geöffneten
Zustand und
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9 einen Teilschnitt durch
die Presse 53 im geschlossenen Zustand.
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Mit
der 1 lassen sich die
Probleme beim Tiefziehen anhand des Beispiels einer B-Säule 1 darstellen.
Die dargestellte B-Säule 1 verfügt an ihrem Fuß 2 über den
größten Querschnitt
und läuft
gerade aus. Beim Tiefziehen neigt das Material zu Doppelungen und
legt sich schichtartig übereinander.
In der Mitte 3 der B-Säule 1 herrscht
die größte Ziehtiefe vor,
was zu Rissbildungen in der Zarge führt. Zudem ist die B-Säule im Mittelteil 3 gebogen,
dadurch tritt Faltenwurf in dem dunkler abgesetzten Flansch 30 und 30' auf. Im Anbindungsbereich 4 und 4' zum Kopf der
B-Säule 1 ist
der Materialfluss behindert, was die Gefahr der Rissbildung beinhaltet,
gleichzeitig ergibt sich gerade im Kopf der B-Säule 1 ein Materialüberschuss,
der das Tiefziehergebnis negativ beeinflusst.
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2 zeigt das Tiefziehen einer
Platine 100 in einer herkömmlichen Presse 5 nach
dem Stand der Technik. Im Bild 1 ist die Presse 5 geöffnet, die Platine 100 liegt
auf dem Stempel 6 auf und wird zwischen dem Niederhalter 8 und
dem Gesenk 7 gehalten. Das Gesenk 7 und der Niederhalter 8 sind
miteinander fest verbunden. Beide zusammen sind über Hydraulikfedern oder Ziehkissen 9 und 9' gegenüber dem
Stempel 6 verfahrbar. In Bild zwei schließt sich das
Gesenk 7 über
den Stempel 6. Die Platine 100 wird im Bereich
des Gesenks 7 exakt der Form des Stempels 6 angepasst.
Das Material läuft
aus dem Niederhalter 8 nach. In Bild 3 ist die Presse 5 vollständig geschlossen.
Das Formbauteil hat die Form des Stempels 6 angenommen.
Bei diesem Tiefziehvorgang nach dem Stand der Technik treten die
bisher geschilderten Probleme auf.
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3 zeigt den erfindungsgemäßen Tiefziehvorgang
in einer erfindungsgemäßen Presse 50. Der
Niederhalter besteht aus einem unteren Niederhalter 80 und
einem oberen Niederhalter 81, in dem die Platine 100 ruht.
Das Gesenk 70 ist mit dem oberen Niederhalter 81 über Hydraulikfedern
oder Ziehkissen 10 und 10' verfahrbar verbunden. Der untere Niederhalter 80 ist
gegen den Stempel 6 über
Hydraulikzylinder oder Ziehkissen 90 und 90' verfahrbar.
Die dargestellten Hydraulikfedern oder Ziehkissen 11 und 11' dienen in dieser
bevorzugten Ausführungsform
dazu, die Gegenhaltekraft zum Niederhalter 80 verstärken zu
können.
In Bild zwei wird die Platine 100 durch das Verfahren der
Niederhalter 80 und 81 in Richtung des Stempels 6 frei über den
Stempel 6 vorgeformt. Die Platine 100 kann aus
den Niederhaltern 80 und 81 nachlaufen und bildet
noch nicht die Form des Stempels 6 ab, sondern hat sich
leicht bogenförmig
ausgeformt. Sie liegt nur an den zwei Eckpunkten auf dem Stempel 6 auf
und wird daher nicht vollflächig
abgekühlt.
Das Gesenk 70 ist noch geöffnet. Durch diesen Vorformvorgang
wird die Riss- und Faltenbildung in der Platine 100 entscheidend
unterdrückt.
Gerade im Bereich der größten Ziehtiefen
hat sich die Platine 100 bereits ihrer Endform angenähert, wobei
das freie Vorformen einen optimalen Materialfluss gewährleistet.
Mit Abschluss des Vorformens sitzt der untere Niederhalter 80 auf der
zweiten Hydraulikfeder oder dem Ziehkissen 11 und 11' auf. Jetzt
wird die Gegenhaltekraft zwischen dem unteren Niederhalter 80 und
dem Stempel 6 für den
endformgebenden Tiefziehvorgang verstärkt. In Bild drei schließt sich
das Gesenk 70 über
dem Stempel 6. Nunmehr wird die Platine 100 über den
Stempel 6 tiefgezogen. In Bild 4 hat sich die Presse 50 vollständig geschlossen.
Das Formbauteil hat seine Endform erhalten und wird durch den Kontakt
mit der Presse 50 bevorzugt gehärtet.
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4 zeigt einen Verfahrensverlauf
einer weiteren erfindungsgemäßen Presse 51.
Die Platine 100 liegt auf dem Stempel 60 auf.
Der obere Niederhalter 82 fährt über die Hydraulikfedern oder
Ziehkissen 10 und 10' in Richtung des unteren Niederhalters 83.
Dabei setzen die Hydraulikzylinder 12 und 12' auf dem unteren
Niederhalter 83 auf, wo sie zunächst einen konstanten Spalt
beibehalten (Bild 2). Der untere Niederhalter 83 ist über Hydraulikfedern
oder Ziehkissen 9 und 9' verfahrbar. Das Gesenk 71 bleibt
zunächst
geöffnet.
In Bild 3 wird die Platine 100 über den Stempel 60 durch
Verfahren der Niederhalter 82 und 83 frei vorgeformt.
Das Material der Platine 100 kann dabei aus den Niederhaltern 82 und 83 aufgrund
des Spalts nachlaufen. In Bild 4 fährt das Gesenk 71 zu
und die Platine 100 wird über den Stempel 60 tiefgezogen.
Im Bild 5 hat sich die Presse 51 fast geschlossen. Noch
immer kann das Material der Platine 100 aus den Niederhaltern 82 und 83 nachfließen. Erst
in Bild 6 federn die Hydraulikzylinder 12 und 12' ein und schließen so den
Spalt. Der auf dem Niederhalter liegende Flansch des Formbauteils
wird ausgeformt. Bevorzugt wird das Formbauteil in der Presse 51 gehärtet.
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5 zeigt schematisch eine
bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Presse 52.
Die Platine 100 liegt auf dem dunkel unterlegten Stempel 61 der
Presse 52 auf. Die beiden Niederhalter 80 und 81 sind
noch geöffnet
und werden durch die Distanzhalter 13 und 13' voneinander
beabstandet. Das Gesenk ist nicht näher dargestellt. Zudem ist die
Distanz zwischen dem Niederhalter 80 und der Platine 100 durch
ein Zusatzblech an der Stelle 14 verringert. In 6 sind die Niederhalter
geschlossen und liegen auf den Distanzhaltern 13 und 13' auf. Die Platine 100 ist
an der Stelle 14 zwischen den Niederhaltern 80 und 81 eingeklemmt,
dadurch wird der Materialfluss partiell gebremst. Insbesondere im
Bereich 2 des Fußes
einer B-Säule 1 kann
so eine Dopplung des Materials verhindert werden. Im übrigen Bereich
der Platine 100 kann das Material gleichmäßig fließen.
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7 zeigt eine Platine 101 mit
zwei Zuglaschen 102 und 102' an ihren gegenüberliegenden Enden. Diese Platine 101 wird
in die erfindungsgemäße Presse 53 in 8 auf den Stempel 61 eingelegt.
Die Niederhalter 80 und 81 sind geöffnet und werden
von den Distanzhaltern 13 und 13' beabstandet. Das Gesenk ist nicht
näher dargestellt.
Die Presse 53 ist mit den Mitteln 15 und 15' versehen, um
die Platine 101 lokal zu recken. In 9 sind die Niederhalter 80 und 81 geschlossen.
Die Platine 101 wird an den Zuglaschen 102 und 102' von den Mitteln 15 und 15' erfasst und
während
des Formens lokal in Längsrichtung
gereckt. Dadurch wird insbesondere die Faltenbildung im Flansch 30 und 30' der B-Säule 1 und
in den Bereichen mit Materialüberschuss
wie beispielsweise im Kopf der B-Säule 1 unterdrückt.