DE10341867A1

DE10341867A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines gehärteten Blechprofils

Info

Publication number: DE10341867A1
Application number: DE2003141867
Authority: DE
Inventors: Bernd Klare; Ulrich Trenkenschuh; Dirk JÄSCHKE; Roland Dr. Malek
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: DE10341867B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechprofils (2), das die Schritte umfaßt: Umformen des Blechprofils (2) aus einer Ursprungsform in eine vorbestimmte Zwischenform, anschließend Erwärmen des umgeformten Blechprofils (2) auf eine Härtetemperatur und zuletzt Aushärten des erwärmten Blechprofils (2) durch eine definierte Auskühlung. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Durchführung der definierten Auskühlung, die mehrere Kühlanordnungen (7, 8) umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechprofils. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für die Anwendung dieses Verfahrens.
In der DE 24 52 486 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechprofils aus einer Platine in einem Presshärteverfahren beschrieben. Danach wird ein aus härtbaren Stahl bestehendes Blechprofil auf eine Härtetemperatur erhitzt. Anschließend wird es mittels einer Warmumformung in einem entsprechenden Pressenwerkzeug umgeformt. Abschließend wird das Blechprofil ausgehärtet, wobei es in dem Pressenwerkzeug verbleibt. Da das Blechprofil bei der im Zuge des Härtevorgangs vorgenommenen Kühlung im Pressenwerkzeug verbleibt und dort eingespannt ist, weist das derart hergestellte Produkt eine gute Maßhaltigkeit auf.
Die Verfahren aus den Druckschriften DE 101 20 919 A1 , DE 101 28 200 A1 , DE 101 49 220 C1 und DE 101 49 221 C1 greifen alle das vorgenannte Herstellungsverfahren im Prinzip auf und bilden dies weiter. Bei allen Verfahren findet das Verfahren mit einer stets gleichen Abfolge von Arbeitsschritten statt. Die Reihenfolge der Arbeitsschritte ist anfangs ein Erhitzen des Blechprofils, eine daran anschließende Warmumformung und abschließend eine Vergütung des geformten Blechprofils.
Die in den genannten Verfahren vorgeschlagene Durchführung zweier unterschiedlicher Arbeitsschritte in einem Pressenwerkzeug, also die Kombination des Schritts der Warmumformung und des Schritts der Aushärtung bzw. der Vergütung bewirkt dort eine rationelle Arbeitsweise. Obwohl das Blechprofil in dem Pressenwerkzeug fest eingespannt ist, können allerdings Wärmespannungen auftreten, die zu nicht exakt vorbestimmbaren Verzügen am Produkt führen können. Die mit den vorgenannten Verfahren hergestellten Blechprofile müssen folglich noch nachbehandelt werden. Dies bedeutet aber einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand in der Produktion.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die erste Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung gehärteter Blechprofile anzugeben, das weniger zeitkritisch und weniger aufwendig ist. Weiterhin besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die bei der Durchführung des Verfahrens angewendet werden kann.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die zweite Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechprofils vorgesehen, das folgende Schritte aufweist:

a) Umformen des Blechprofils in eine vorbestimmte Zwischenform
b) Erwärmen des umgeformten Blechprofils auf eine Härtetemperatur
c) Aushärten des erwärmten Blechprofils durch eine definierte Auskühlung

Die wesentliche Idee ist eine andere Reihenfolge der Arbeitsschritte. Erfindungsgemäß wird zuerst das Blechprofil geformt, erst danach findet eine thermische Behandlung statt. Die thermische Behandlung umfaßt das Erwärmen auf Härtetemperatur und das vergütende Auskühlen des Blechprofils.
Bei dem Verfahren ist die Zwischenform, die im ersten Verfahrensschritt hergestellt wird fast die herzustellende Endform. Durch die anschließende Erwärmung im zweiten Verfahrensschritt dehnt sich das Blechprofil durch Wärmeausdehnung aus und es zieht sich beim abschließenden Auskühlen wieder zusammen. Nach der Abkühlung zieht sich das Blechprofil jedoch nicht ganz exakt auf das Maß vor der Erwärmung zusammen, sondern verbleibt im Vergleich zur Zwischenform in einer geringfügigen Weise vergrößert. Die Zwischenform und die Endform unterscheiden sich also lediglich durch einen geringen Größenunterschied, die Form an sich bleibt aber beim Vergüten, also Erwärmen und Abkühlen, erhalten.
Für die Abmessung der Zwischenform wird diese durch die Vergütung resultierende Vergrößerung berücksichtigt. Daher kann bei diesem Verfahren eine hohe Maßhaltigkeit erreicht werden. Da eine anschließende Nachbehandlung des vergüteten und gehärteten Blechprofils nicht notwendig ist, die bei gehärteten Blechen zeit- und arbeitsaufwendig ist, ist durch das erfindungsgemäße Verfahren eine schnellere und einfachere Herstellung eines gehärteten Blechprofils möglich.
Bevorzugt umfaßt der Umformschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens Tiefziehen, Streckziehen und/oder Biegen. Alle vorgenannten Umformverfahren sind einfach durch zuführen, insbesondere findet der Umformvorgang bei Umgebungstemperatur statt. Ein erhöhter Aufwand für eine Bereitstellung spezieller Umformtemperaturen entfällt folglich hierbei.
Vorteilhaft erfolgt das Erwärmen des Blechprofils beim erfindungsgemäßen Verfahren in einem Ofen. Insbesondere bevorzugt wird das Blechprofil auf einem Fördermittel durch einen Ofen transportiert. Beim Durchlaufen des Ofens wird das Blechprofil auf die Härtetemperatur erwärmt, so daß das Blechprofil nach Verlassen des Ofens die erforderliche Temperatur aufweist. Dies ermöglicht einen einfachen automatisierten Wärmvorgang.
In vorteilhafter Weise wird das erwärmte Blechprofil in einem Werkzeug zur Auskühlung angeordnet. Die definierte Auskühlung bewirkt das Härten des Blechprofils. Hierbei stellt sich ein feinkörniges martensitisches oder bainitisches Werkstoffgefüge ein. Die definierte Auskühlung kann dabei direkt oder indirekt durchgeführt werden. Bei der direkten Kühlung wird das Blechprofil unmittelbar in Kontakt mit einem Kühlmittel gebracht. Bei der indirekten Kühlung wird das Werkzeug bzw. Teile davon gekühlt.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum definierten Auskühlen des Blechprofils derart ausgebildet vorgesehen, daß die Vorrichtung das geformte Blechprofil aufnehmen und dabei einen Kontakt, insbesondere thermischen Kontakt, zwischen Vorrichtung und Blechprofil herstellen kann. Die Vorrichtung weist ferner mindestens zwei Kühlanordnungen auf. Durch die Kühlanordnungen wird ein Kühlmittel, beispielsweise Öl, Wasser, Eiswasser oder Salzlösungen, für die erforderliche Wärmeabfuhr durchgeleitet.
Bevorzugt sind die Kühlanordnungen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung voneinander getrennt. Dies ermöglicht eine unterschiedliche Kühlung durch die einzelnen Kühlanordnungen. Dies kann durch unterschiedliche Kühlmittel und/oder auch durch unterschiedliche Kühltemperaturen bzw. Kühlgeschwindigkeiten erfolgen. Hierdurch kann das Blechprofil nach der Vergütung verschiedene Bereiche aufweisen, die einen voneinander unterscheidbaren Härtegrad besitzen.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum definierten Kühlen in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigen in
1 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung;
2 eine Skizze in Draufsicht von erfindungsgemäßen Kühlanordnungen in der Vorrichtung aus 1.
1 zeigt eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum definierten Auskühlen eines Blechprofils 2. Die Vorrichtung 1 umfaßt in diesem Beispiel ein erstes Werkzeug 3, das oberhalb des Blechprofils 2 angeordnet ist, und ein zweites Werkzeug 4, das unterhalb des Blechprofils 2 angeordnet ist. Die beiden Werkzeuge 3 und 4 sind gegeneinander beweglich, um das Blechprofil 2 aufnehmen zu können. Die Ausbildung der dem Blechprofil 2 zugewandten ersten Innenfläche 5 bzw. zweiten Innenfläche 6 des ersten Werkzeugs 3 bzw. des zweiten Werkzeugs 4 ist derart, daß die Innenflächen 5 und 6 der Form des Blechprofils 2 entsprechen, d.h. die Innenflächen 5 bzw. 6 sind Negativformen zur Positivform des Blechprofils 2. Dadurch stehen die Innenflächen 5 und 6 in einem Kontakt zu dem Blechprofil 2. Der Kontakt, insbesondere thermische Kontakt ermöglicht einen guten Wärmeübergang vom Blechprofil 2 zu den Werkzeugen 3 und 4. In dem dargestellten Beispiel weist das Blechprofil eine unsymmetrisch gewölbte Form auf. Die Krümmung im rechten Bereich der Darstellung in 1 ist größer als die Krümmung im linken Bereich.
Das erste Werkzeug 3 weist in seinem Innern angeordnete Kühlanordnungen 7 und 8 auf. Die Kühlanordnungen 7 und 8 sind äquidistant zur Innenfläche 5, d.h. sie haben in jedem Punkt einen gleichen Abstand zu der Innenfläche 5. Folglich ist ihr Verlauf entsprechend der Form des Blechprofils 2 gekrümmt. In diesem Beispiel ist zur Vereinfachung nur das erste Werkzeug 3 zur Auskühlung des Blechprofils 2 ausgebildet. Das zweite Werkzeug 4 weist in diesem Beispiel keine Kühlanordnung auf, obwohl es sinnvoll sein kann, auch das zweite Werkzeug 4 mit Kühlanordnungen vorzusehen, um die Auskühlung des Blechprofils 2 genauer durchzuführen.
Erfindungsgemäß wird das Blechprofil 2 bei Umgebungstemperatur in die gewünschte Form umgeformt, beispielsweise durch Tiefziehen oder irgendein anderes relativ unkompliziertes Verfahren. Anschließend wird das geformte Blechprofil 2 auf die Härtetemperatur erhitzt, die in etwa Werte zwischen etwa 750°C und 1000°C umfaßt. Das Blechprofil befindet sich dabei im austenitischen Zustand. Dies kann in einem Ofen (nicht dargestellt) erfolgen, durch den das Blechprofil 2 hindurch befördert wird. Das auf die Härte temperatur erwärmte Blechprofil 2 wird anschließend in die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eingebracht und die Innenflächen 5 und 6 der Werkzeuge 3 und 4 kommen mit dem Blechprofil in Eingriff, um den thermischen Kontakt herzustellen. Um eine gute Wärmeabfuhr zu ermöglichen, ist es sinnvoll, daß die Werkzeuge aus gut wärmeleitendem Material bestehen.
Wie in 2 dargestellt, umfaßt das erste Werkzeug 3 die Kühlanordnungen 7, 8, 9 und 10. Da 2 die Kühlanordnungen 7 bis 10 in Draufsicht zeigt, ist der Figur die Krümmung bzw. Wölbung des Blechprofils 2 (aus 1) nicht zu entnehmen. Die Kühlanordnung 7 weist eine Zuführleitung 11 und eine Abführleitung 12 auf. Zwischen der Zuführleitung 11 und der Abführleitung 12 sind Kühlleitungen 13 angeordnet, die die Leitungen 11 und 12 miteinander verbinden. Ein Kühlmittel durchfließt folglich die Kühlanordnung 7 in der Reihenfolge der Zuführleitung 11, der Kühlleitungen 13 und der Abführleitung 12.
Der Aufbau und die Funktion der weiteren Kühlanordnungen 8 bis 10 entsprechen dem Aufbau und der Funktion der Kühlanordnung 7 und werden an dieser Stelle nicht näher beschrieben, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
Das Werkzeug 3 weist erfindungsgemäß mehrere Kühlanordnungen 7 bis 10 auf, die das Blechprofil 2 unterschiedlich Kühlen können. Durch entsprechende Auswahl des Kühlmittels und/oder durch unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten der Kühlmittel in den einzelnen Kühlanordnungen 7 bis 10, können Bereiche des Blechprofils 2 unterschiedlich schnell ausgekühlt werden. Die Kühlrate für das Härten des Blechprofils 2 umfaßt Werte um etwa 30 K pro Sekunde. Durch Variation der Kühlrate kann der Härtegrad des gekühlten Bereichs eingestellt werden.
Durch die Kombination mehrere verschieden kühlender Kühlanordnungen 7 bis 10 kann das Blechprofil 2 folglich Bereiche verschiedener Vergütungsqualität aufweisen. Dies kann beispielsweise bei der Kraftfahrzeugherstellung vorteilhaft genutzt werden, um einzelnen Karosseriebauteilen unterschiedliche Härtegrade zuzuordnen. Somit können die Bauteile für ein optimiertes Crashverhalten mit verschiedener Vergütungsqualität bereitgestellt werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in der Zeichnung dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

1: Vorrichtung
2: Blechprofil
3: erstes Werkzeug
4: zweites Werkzeug
5: Innenfläche
6: Innenfläche
7: Kühlanordnung
8: Kühlanordnung
9: Kühlanordnung
10: Kühlanordnung
11: Zuführleitung
12: Abführleitung
13: Kühlleitungen

Claims

Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechprofils (2), das folgende Schritte umfaßt: – Umformen des Blechprofils (2) aus einer Ursprungsform in eine vorbestimmte Zwischenform – Erwärmen des umgeformten Blechprofils (2) auf eine Härtetemperatur – Aushärten des erwärmten Blechprofils (2) durch eine definierte Auskühlung
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Umformens des Blechprofils (2) Tiefziehen, Streckziehen und/oder Biegen umfaßt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Blechprofils (2) auf die Härtetemperatur in einem Ofen erfolgt, insbesondere daß das Blechprofil (2) auf einem Fördermittel durch einen Ofen transportiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erwärmte Blechprofil (2) in einem Werkzeug (3, 4) angeordnet wird, um es definiert auszukühlen.
Vorrichtung zum definierten Kühlen eines Blechprofils (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) derart ausgebildet vorgesehen ist, um das geformte Blechprofil (2) aufnehmen und einen Kontakt zu diesem herstellen zu können, und dass die Vorrichtung (1) mehrere Kühlanordnungen (7, 8, 9, 10) zur Durchleitung von Kühlmittel aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnungen (7, 8, 9, 10) voneinander getrennt sind.