DE19704300B4

DE19704300B4 - Verfahren zur Herstellung von Platinen mit unterschiedlichen Dicken

Info

Publication number: DE19704300B4
Application number: DE1997104300
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Streubel; Udo Dr.-Ing. Klasfauseweh; Christian Dr.-Ing. Smatloch; Axel Dipl.-Ing. Hinder
Original assignee: Benteler Deustchland GmbH
Current assignee: Benteler Deustchland GmbH
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2017-02-07
Also published as: DE19704300A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von metallischen Platinen (1, 17, 30, 34) mit unterschiedlichen Dicken (S₂–S₅) durch Verformung eines annähernd gleichmäßig dicken Ausgangsmaterials, wobei
– das Ausgangsmaterial (9, 19, 23) von einem Coil (10, 24) abgezogen und gerichtet wird, wonach
– das Ausgangsmaterial (9, 19, 23) auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur induktiv in einem Durchlaufprozess erwärmt wird und anschließend
– eine partielle walzende Verformung des Ausgangsmaterials (9, 19 23) mit in Walzrichtung (WR) bereichsweise wechselnden Dicken (S₂–S₅) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Platinen mit unterschiedlichen Dicken durch Verformung eines annähernd gleichmäßig dicken Ausgangsmaterials.
Aus Blechen hergestellte Bauteile oder Formkörper sind je nach Anwendungsfall in verschiedenen Bereichen unterschiedlich starken Belastungen unterworfen. Eine bereichsweise Wanddickenreduktion wird daher insbesondere bei solchen Bauteilen vorgenommen, die unter äußerer Belastung stehen und die auftretenden Spannungen aufgrund der Bauteilkonstruktion verteilt über das Bauteil in unterschiedlicher Höhe vorliegen.
Dies ist beispielsweise bei Karosserieteilen oder Fahrwerkskomponenten von Kraftfahrzeugen so. Werden die Bauteile nach der Maximalbelastung dimensioniert, führt das nicht nur zu einem höheren Materialeinsatz, sondern vor allem auch zu einem unnötigen Gewicht. Diese Nachteile können dadurch vermieden werden, daß die Bauteile entsprechend ihrer späteren Belastung in den einzelnen Bereichen unterschiedlich dimensioniert werden.
Platinen zur Herstellung von Bauteilen dieser Art werden in der Regel aus Metallblechen als Ausgangsmaterial gefertigt. Diese werden vor der Weiterverarbeitung mit unterschiedlichen Dicken versehen, wobei die Dickenreduktion gezielt auf die späteren betrieblichen Belastungen eines Bauteils abgestimmt wird. Auf diese Weise ist die Herstellung von qualitativ hochwertigen Bauteilen in Leichtbauweise möglich.
Zur Herstellung von Platinen mit unterschiedlichen Dicken sind mehrere Fertigungstechnologien bekannt.
Im Rahmen der EP 0 279 866 B1 wird vorgeschlagen, Konstruktionselemente entweder aus schon verformten einzelnen Blechteilen unterschiedlicher Dicke zusammenzuschweißen oder unterschiedlich dicke Blechteile zunächst zusammenzuschweißen und dann insgesamt zu einem Tragkörper zu verformen. Die Schweißarbeiten werden mittels Laser- oder Plasmaschweißverfahren verrichtet.
Neben dem hohen verfahrenstechnologischen und kostenmäßigen Aufwand wirkt sich bei solchen Konstruktionselementen der diskontinuierliche Übergang an der Nahtstelle nachteilig aus. Die Schweißnaht ist eine potentielle Schwachstelle, an der es zu unerwünschten Spannungsspitzen kommen kann. Desweiteren können in den Bereichen neben den Schweißnähten Gefügeveränderungen auftreten, was zu einer Rißanfälligkeit führt.
Weiterhin gehört es beispielsweise durch die DE 104 875 C zum Stand der Technik eine bereichsweise Wanddickenreduktion von Metallblechen walztechnisch durchzuführen. Hierbei wird eine walzende Verformung des Blechs mit in Längsrichtung unterschiedlichen Blechdicken vorgenommen.
Auch in der DE 33 43 709 A1 sowie der DE 42 31 213 A1 ist eine solche Vorgehensweise beschrieben.
Bei diesen Verfahren wird das Metallblech partiell kalt ausgewalzt. Die hierbei erzielbare Dickenreduktion des Metallblechs ist begrenzt. Besonders nachteilig macht sich die Verfestigung und die damit verbundene Abnahme der Verformungsfähigkeit des Werkstoffs durch den Walzvorgang bemerkbar. Die verbleibende Restdehnung ist dann häufig für eine weitere Bearbeitung der Platinen, bei der zusätzliche Dehnungen auftreten, unzureichend.
Um das durch die Kaltverformung verzerrte Gefüge wieder in einen unverzerrten Gefügezustand zurückzuführen, müssen die Platinen vor der Weiterverarbeitung einer Wärmebehandlung unterzogen werden, beispielsweise einem Rekristallisationsglühen. Hierfür sind Temperaturen im Bereich von 700°C erforderlich.
Auf diese Weise werden die mechanischen Eigenschaften der Platinen verbessert. Dennoch bleibt die Dickenreduktion verfahrenstechnisch begrenzt, da ein mehrstufiges bzw. mehrfaches Walzen problematisch ist, insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Reproduzierbarkeit bei einer Massenfertigung.
Ferner ist eine nachträgliche Wärmebehandlung mit erheblichem Zeitaufwand und erhöhten Kosten verbunden, insbesondere wegen des zusätzlichen Transport- und logistischen Aufwands.
Das Ausmaß der Dickenreduktion des Ausgangsmaterials wird daher begrenzt durch die Zunahme der Verfestigung und die Abnahme der Verformungsfähigkeit des Werkstoffs. Damit stößt die kaltwalztechnische Dickenreduktion an ihre verfahrenstechnischen Grenzen. Bauteilkonstruktiv mögliche Dickenreduktionen können nicht vollkommen ausgenutzt werden.
Die Veröffentlichung "Jahnke, H.; Retzke, R.; Weber, W.: Umformen und Schneiden, 5. Aufl. VEB-Verlag Technik, Berlin 1971, Seiten 72–74" befasst sich mit Grundlagen der Umformtechnik. In dieser Abhandlung wird eine Abgrenzung zwischen Kalt- und Warmumformung vorgenommen. Danach wird nur dann zur Warmumformung übergangen, wenn die auftretenden Kräfte beim Kaltumformen so hoch liegen, dass eine Überbeanspruchung der Werkzeuge zu befürchten oder keine Maschine mit ausreichenden Kenngrößen vorhanden ist bzw. wenn auf Grund der begrenzten Beanspruchbarkeit der Werkstoffe bei Kaltumformung die erforderlichen Formänderungen nicht zu erzielen sind.
Die DE 38 02 445 A1 bezieht sich auf die Herstellung von profiliertem Stahlband, das zur Herstellung von geschweißten Rohren Verwendung findet. Um Stahlrohre mit verstärkten Enden produzieren zu können, wird dort vorgeschlagen, durch Verstellen des Walzspaltes alle 12–14 Meter Verdickungen herzustellen. Weiterhin erfolgt der Hinweis, dass moderne Warm-Breitbandwalzwerke mit zylindrischen Walzen ausgerüstet sind, die über Stützwalzen den Walzdruck auf die Gerüste übertragen.
Die DE 22 45 650 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Stufenblechen mit wenigstens einer stufenförmig ausgebildeten Fläche beim Warmwalzen, und zwar nach dem Anstich des Walzgutes, wobei die Temperatur des Walzgutes höher als die Warmwalztemperatur sein soll.
Des Weiteren behandelt die DE 23 36 459 A eine Vorrichtung zur Herstellung von Blattfedern mit trapezförmigen Enden. Hierzu wird ein Metallband auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt und anschließend in einer Walzanlage in bestimmten Abständen partiell verjüngt. Durch die dann einander gegenüberliegenden verjüngten Teile sind einzelne Bandabschnitte so ausgeführt, dass sie die Blattfedereinheit bilden. Anschließend wird das Metallband in einer Scherenstation auseinander geschnitten, und zwar jeweils zwischen den einander benachbarten konisch bzw. verjüngten Teilen.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches die Herstellung von partiell dickenreduzierten Platinen mit ausreichender Verformungsfähigkeit vereinfacht, höhere Abstreckraten des Ausgangsmaterials ermöglicht und damit eine weitere Ausnutzung möglicher Dickenreduktionen erlaubt.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Verfahren gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.
Kernpunkt der Erfindung bildet die Maßnahme, das Ausgangsmaterial zunächst zu erwärmen und anschließend eine gezielte partielle walzende Verformung des erwärmten Ausgangsmaterials mit in Walzrichtung bereichsweise wechselnden Dicken vorzunehmen. Das Ausgangsmaterial wird zweckmäßigerweise in Bandform auf einem Coil aufgewickelt bereitgestellt. Vom Coil wird das Ausgangsmaterial abgewickelt und zunächst gerichtet. Anschließend durchläuft das Band eine Induktionserwärmungsanlage, in der die Rekristallisationstemperatur leicht überschritten wird. Hieran schließt sich der gegebenenfalls mehrstufige Walzvorgang an mit einem partiellen Auswalzen des Ausgangsprofils. Die Erwärmung wird bis oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Ausgangsmaterials vorgenommen, und zwar induktiv in einem Durchlaufprozeß.
Durch den Warmwalzprozeß kommt es zur dynamischen Rekristallisation des Werkstoffgefüges. Es können größere und präzisere Dickenreduktionen am Ausgangsmaterial als bisher durchgeführt werden. Auf diese Weise sind hohe Abstreckraten möglich, wobei die mechanischen Eigenschaften der aus dem Ausgangsmaterial hergestellten Platinen auch nach dem Walzvorgang in etwa den mechanischen Eigenschaften vor dem Walzen entsprechen.
Die aus dem Ausgangsmaterial hergestellten Platinen weisen eine ausreichende Duktilität bzw. Verformungsfähigkeit auf, so daß eine problemlose Weiterverarbeitung durch Umformvorgänge möglich ist, beispielsweise durch Tiefziehen.
In der Praxis läßt sich eine Induktionserwärmungsanlage besonders vorteilhaft in eine Fertigungslinie integrieren.
Die induktive Aufheizung wird als parallel laufender Vergütungsvorgang zum Walzvorgang genutzt. Die Sauberkeit des Aufheizvorgangs und der geringe Platzbedarf gestatten eine Aufstellung der Induktionserwärmungsanlage direkt in der Fertigungslinie, wodurch kostspielige Werkstücktransporte entfallen.
Durch richtige Wahl der Frequenz, der elektrischen Leistung und der Einwirkzeit läßt sich die Erwärmung gezielt steuern. Dabei sind durch hohe Leistungsdichten kürzeste Erwärmungszeiten möglich. Das induktive Verfahren bietet insbesondere die Möglichkeit, die Erwärmung gezielt auf die erforderlichen Temperaturen und den nachfolgenden Walzprozeß abzustimmen.
Wie bereits erwähnt, kommt es bei dem erfindungsgemäßen Warmwalzprozeß zu einer dynamischen Rekristallisation des Werkstoffgefüges. Hierunter versteht man Vorgänge, die zur Entstehung und Verschiebung von Großwinkelkorngrenzen führen. Diese Gefügeveränderung hat eine Kornverfeinerung und den Abbau der Versetzungsdichte zur Folge. Hierdurch wird dem Werkstoff wieder eine ausreichende Duktilität gegeben.
Nach dem Walzvorgang wird das Ausgangsmaterial in bedarfsgerechte Platinen geteilt. Hierzu kommen zweckmäßigerweise fliegende Scheren zum Einsatz.
Grundsätzlich ist es auch möglich, das Ausgangsprofil bereits vor dem Einlauf in das Walzgerüst zu teilen, wie dies Anspruch 2 vorsieht.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Merkmalen des Anspruchs 3 charakterisiert. Hierbei wird dem zu walzenden Ausgangsmaterial durch einen den Erwärmungsprozeß vorgelagerten Stanzprozeß eine definierte Form gegeben.
Um die auf die Walzen beim Umformprozeß übertragene Wärme möglichst gering zu halten, ist nach den Merkmalen des Anspruchs 4 vorgesehen, daß die Geschwindigkeit eines vom Ausgangsmaterial vor dem Walzen abgetrennten Blechstreifens während des Walzvorgangs höher bemessen wird als die Abwickelgeschwindigkeit des vom Coil abgezogenen Ausgangsmaterials. Hierdurch können gegebenenfalls notwendige Walzenkühlungen entfallen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist aufgrund des Absenkens der kritischen Fließspannung gegenüber einer Kaltumformung ein geringerer Kraft- und Arbeitsbedarf notwendig. Desweiteren nimmt die Bruchdehnung des Werkstoffs zu, und zwar bei einem vergleichsweise geringem Verlust an Festigkeit nach dem Walzen. Es sind größere Abstreckraten als bisher möglich, wobei die dynamische Rekristallisation die Verformungsfähigkeit des Werkstoffs erhöht. Die hergestellten Platinen verfügen über ein größeres Umformvermögen als bisher.
Schließlich kann auf ein kostenintensives und zeitaufwendiges nachträgliches Glühen verzichtet werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
1 eine partiell gewalzte Platine;
2 in technisch generalisierter Darstellungsweise eine erste Fertigungslinie des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 die schematische Darstellung eines Warmwalzvorgangs mit dynamischer Rekristallisation und
4 und 5 verfahrenstechnische Abwandlungen der Fertigungslinie gemäß 2.
In der 1 ist eine Platine 1 aus Blech dargestellt, bei der durch eine gezielte walzende Verformung Bereiche 2–5 abgestreckt worden sind mit in Walzrichtung WR wechselnden Platinendicken S2–S5.
In den Übergangsbereichen 6, 7 und 8 gehen die Bereiche 2–5 nahezu stufenlos ineinander über.
Hinsichtlich ihrer Mittelquerebene MQ ist die Platine 1 symmetrisch ausgebildet.
Die Platine 1 weist in den Bereichen 2–5 präzise solche Dicken S2–S5 auf, die abgestimmt sind auf die jeweiligen Belastungen und Spannungsspitzen, denen ein aus der Platine 1 gefertigtes Karosserie- oder Fahrwerksbauteil unterliegt.
Um die für die Herstellung von Karosserie- oder Fahrwerksbauteilen notwendigen Umformvorgänge durchführen zu können, ist eine ausreichende Verformungsfähigkeit der Platine 1 wichtig.
Die Herstellung der Platine 1 erfolgt in einer Fertigungslinie, wie sie in der 2 schematisch dargestellt ist.
Das in Bandform bereitgestellte Ausgangsmaterial 9 wird von einem Coil 10 abgezogen und in einem Richtapparat 11 gerichtet.
Anschließend durchläuft das Ausgangsmaterial 9 eine Induktionserwärmungsanlage 12, in der das Ausgangsmaterial 9 auf eine Temperatur erwärmt wird, welche geringfügig oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Ausgangsmaterials 9 liegt.
Im folgenden Walzgerüst 13 wird dem Ausgangsmaterial 9 durch die Walzen 14, 15 die gewünschte Dicke gegeben. Hierbei wird das Ausgangsmaterial 9 partiell ausgewalzt und bereichsweise in seiner Dicke reduziert.
Nach dem Walzvorgang wird das Ausgangsmaterial 9 durch eine fliegende Schere 16 in Platinen 17 mit den benötigten Abmessungen geteilt und die Platinen 17 in eine Stapeleinheit 18 überführt.
Die Induktionserwärmungsanlage 12 ist direkt in der Fertigungslinie aufgestellt, wodurch kostspielige Werkstücktransporte entfallen.
Durch den Warmwalzprozeß kommt es innerhalb der Fertigungslinie zu einer dynamischen Rekristallisation des Werkstoffgefüges, wie dies anhand der 3 verdeutlicht ist.
Das auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmte Ausgangsmaterial 19 erfährt durch die Walzen 20, 21 eine partielle Dickenreduktion.
Nach dem Walzvorgang kommt es in einer Zone 22 zur Rekristallisation. Dieser Vorgang führt zur Entstehung und Verschiebung von Großwinkelkorngrenzen, welche eine Neu- bzw. Umbildung des Werkstoffgefüges bewirken. Dies hat eine Kornverfeinerung und den Abbau der Versetzungsdichte zur Folge, wodurch die Duktilität des Werkstoffs erhöht und mechanische Eigenschaften erreicht werden, wie sie etwa vor der Verformung vorlagen.
Aus der 4 geht eine Fertigungslinie hervor, bei der das Ausgangsmaterial 23 als Blechband wiederum von einem Coil 24 abgewickelt, im Richtapparat 25 ausgerichtet und in einer Induktionserwärmungsanlage 26 erwärmt wird. Falls erforderlich, kann die Erwärmung unter Schutzgasatmosphäre erfolgen.
Durch eine der Induktionserwärmungsanlage 26 nachgeschaltete Schere 27 wird das Ausgangsmaterial 23 zunächst in Blechstreifen 28 auf die benötigten Längen geteilt. Die abgetrennten Blechstreifen 28 werden anschließend im Walzgerüst 29 partiell zu Platten mit bereichsweise wechselnden Dicken ausgewalzt.
Um die auf die Walzen 31, 32 übertragene Wärme gering zu halten, kann die Walzengeschwindigkeit höher gewählt werden als die Geschwindigkeit, mit der das Ausgangsmaterial 23 vom Coil 24 abgezogen wird. Ein Blechstreifen 28 wird dann im Walzgerüst 29 entsprechend beschleunigt.
Schließlich ist in der 5 eine weitere Fertigungslinie dargestellt, deren grundsätzlicher Aufbau der zuvor beschriebenen Anlage entspricht. Aus diesen Gründen tragen einander entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen.
Hier wird das Ausgangsmaterial 23 vor der Erwärmung in der Induktionserwärmungsanlage 26 durch einen stanztechnischen Formschnitt zugeschnitten. Dazu ist der Induktionserwärmungsanlage 26 eine Stanze 33 vorgelagert, so daß zugeschnittene Platinen 34 den Erwärmungs- und Warmwalzprozeß durchlaufen.

1: Platine
2: Bereich v. 1
3: Bereich v. 1
4: Bereich v. 1
5: Bereich v. 1
6: Übergangsbereich
7: Übergangsbereich
8: Übergangsbereich
9: Ausgangsmaterial
10: Coil
11: Richtapparat
12: Induktionserwärmungsanlage
13: Walzgerüst
14: Walze
15: Walze
16: Schere
17: Platinen
18: Stapeleinheit
19: Ausgangsmaterial
20: Walze
21: Walze
22: Rekristallisationszone
23: Ausgangsmaterial
24: Coil
25: Richtapparat
26: Induktionserwärmungsanlage
27: Schere
28: Blechstreifen
29: Walzgerüst
30: Platine
31: Walze
32: Walze
33: Stanze
34: Platine
S₂: Dicke v. 2
S₃: Dicke v. 3
S₄: Dicke v. 4
S₅: Dicke v. 5
WR: Walzrichtung
MQ: Mittelquerebene

Claims

Verfahren zur Herstellung von metallischen Platinen (1, 17, 30, 34) mit unterschiedlichen Dicken (S₂–S₅) durch Verformung eines annähernd gleichmäßig dicken Ausgangsmaterials, wobei – das Ausgangsmaterial (9, 19, 23) von einem Coil (10, 24) abgezogen und gerichtet wird, wonach – das Ausgangsmaterial (9, 19, 23) auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur induktiv in einem Durchlaufprozess erwärmt wird und anschließend – eine partielle walzende Verformung des Ausgangsmaterials (9, 19 23) mit in Walzrichtung (WR) bereichsweise wechselnden Dicken (S₂–S₅) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausgangsausmaterial (9, 23) vor oder nach dem Walzvorgang bedarfsgerecht geteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausgangsmaterial (23) vor der Erwärmung durch einen stanztechnischen Formschnitt zugeschnitten wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Geschwindigkeit eines vom Ausgangsmaterial (23) abgetrennten Blechstreifens (28) während des Walzvorgangs höher bemessen wird als die Geschwindigkeit des vom Coil (24) abgezogenen Ausgangsmaterials.