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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallrades
gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Bei
der Herstellung eines Leichtmetallrades wird aus einer Aluminiumlegierung
ein Werkstück
vorgefertigt, welches bei einer Lösungsglühtemperatur einem Lösungsglühvorgang
unterworfen und anschließend durch
Drückwalzen
umgeformt wird.
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Zur
Herstellung von Fahrzeugrädern
aus Aluminiumlegierungen bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten.
Zum einen kann von einer geschmiedeten, zum anderen von einer gegossenen
Vorform ausgegangen werden.
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Heiden
Möglichkeiten
gemeinsam ist die Notwendigkeit einer Wärmebehandlung nach dem Schmieden
oder Gießen.
Die Wärmebehandlungsschritte
Lösungsglühen, Abschrecken
und Auslagern werden zur Festigkeitssteigerung der verwendeten Legierungen
angewendet. Hierdurch wird eine ausreichende Festigkeit des Rades
bei einer möglichst
geringen Wandstärke
erreicht.
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Die
Herstellung geschmiedeter Aluminium-Räder geht üblicherweise in folgender Reihenfolge
vonstatten:
- – Schmieden des Materials zu
einer Zwischenform;
- – Erwärmen der
Zwischenform auf Lösungsglühtemperatur;
- – Abschrecken
der Zwischenform;
- – Auslagern
der Zwischenform zur Festigkeitssteigerung;
- – Bearbeitung
der Zwischenform auf Endmaß durch
eine spanabhebende Bearbeitung.
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Ein
wesentlicher Vorteil von geschmiedeten Leichtmetall-Rädern ist das homogene und verfestigte Gefüge, daß durch
den Schmiedeprozeß eingestellt
wird. Damit ist die Grundvoraussetzung für geringe Wanddicken an den
Rädern
gegeben, sofern sich die Toleranzbreite dieser Wanddicke aus dem
Verfahrensablauf in engen Grenzen hält.
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Die
hohen Herstellkosten der Werkzeuge beim Schmieden bilden einen Teil
der hohen Produktionskosten der geschmiedeten Leichtmetallräder. Die
Schmiedeoperation ist durch die während des Schmiedens zwingend
auftretenden Materialverdrängungen
verhältnismäßig unflexibel
und die Formgestaltung der Leichtmetallräder ist in ihrer vom Markt
gewünschten
Vielfalt sehr stark eingeschränkt.
Aufgrund des erwähnten
Verfahresablaufes innerhalb des Herstellungsprozesses entsteht während und
nach der Wärmebehandlung
ein erheblicher geometrischer Verzug des geschmiedeten Rades. Deshalb
sind entsprechende Aufmaße
zur spanabhebenden Bearbeitung der rotationssymmetrischen Bereiche
des Rades zwingend erforderlich.
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Die
Herstellung von Aluminium-Rädern
unter Einsatz der Gießtechnik
vollzieht sich im wesentlichen in folgender Reihenfolge:
- – Gießen des
Materials zu einer Vorform;
- – Erwärmen der
Vorform auf Lösungsglühtemperatur;
- – Abschrecken
der Vorform auf Raumtemperatur;
- – Auslagern
der Vorform zur Festigkeitssteigerung;
- – Bearbeiten
der Vorform auf Endmaß durch
spanabhebende Bearbeitung.
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Die
wesentlichen Vorteile von gegossenen Leichtmetallrädern sind
im Gießprozeß selbst
begründet. Der
kostengünstige
Prozeß mit
den zugehörigen
Werkzeugen ermöglicht
die vom Markt gewünschte
Gestaltungsvielfalt in der Formgebung.
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Beim
Gießen
komplex gestalteter Aluminiumräder
steigt jedoch die Gefahr der Lunkerbildung und damit der Ausschuß gegossener
Aluminium-Räder.
Weiterhin sind sowohl aus gießtechnischen
Gründen
als auch aufgrund ungünstiger
Festigkeitseigenschaften der Gußmaterialien
vergleichsweise grosse Wandstärken erforderlich,
die ein erhöhtes
Gewicht zur Folge haben. Dies steht aber im Widerspruch zu dem grundlegenden Zweck
von Leichtmetall-Rädern,
nämlich
die ungefederten Massen an Fahrzeugen zu reduzieren.
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Schließlich muß wegen
der Gußschrumpfung
und eines Materialverzuges bei einer notwendigen nachfolgenden Wärmebehandlung
ein relativ großes
Bearbeitungsaufmaß vorgesehen
werden, welches eine aufwendige spanabhebende Bearbeitung notwendig
macht.
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Zu
beiden genannten Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Rädern ist
bekannt, diese durch Integrieren eines Drückwalzvorganges in den Herstellungsprozeß zu verbessern.
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Durch
das Drückwalzen
wird eine Gefügestruktur
erzielt, die wesentlich günstigere
Festigkeit- und Zähigkeitseigenschaften
aufweist. Diese läßt dann
eine erhebliche Gewichtsreduzierung der Räder zu.
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Derartige
Verfahren gehen beispielsweise aus der
DE 12 97 570 B1 ,
DE 44 42 465 A1 der
der US-PS 4,528,734 hervor. Es werden typischerweise folgende Verfahrensschritte
in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt:
- – Gießen des
Materials zu einer Vorform;
- – Drückwalzen
der Vorform;
- – Erwärmen der
Zwischenform auf Lösungsglühtemperatur;
- – Abschrecken
der Zwischenform auf Raumtemperatur;
- – Auslagern
der Zwischenform zur Festigkeitssteigerung;
- – Bearbeitung
der Zwischenform auf Endmaß durch
spanabhebende Bearbeitung.
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Ein
Nachteil dieser Verfahren ist, daß weiterhin ein erheblicher
Materialverzug nach dem Lösungsglühen auftritt.
Es ist also auch hier bei der Materialvolumenauslegung der Vorform
ein Bearbeitungsaufmaß für die anschließende spanabhebende
Bearbeitung zu berücksichtigen.
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Eine
gewisse Reduktion des Verzugs wird durch ein gattungsgemäßes Verfahren
nach der WO-94/19127 A1 erreicht. Bei diesem Verfahren wird ein
gegossener Rohling zunächst
einem Lösungsglühen bei
530 °C unterzogen
und nach anschließendem
Abschrecken auf 200 °C
bei dieser Temperatur unter Vermeidung einer weiteren Erwärmung zum
gewünschten
Fahrzeugrad drückgewalzt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders
effizientes Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallrädern anzugeben,
mit dem ein Rad möglichst
endkonturennah spanlos gefertigt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Verfahren nach dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines Leichtmetallrades wird zunächst ein aus einer Aluminium legierung
geformtes Werkstück,
welches – je
nach Verfahrensstadium – im
folgenden auch Vorform oder Zwischenform genannt wird, einem Lösungsglühvorgang
unterzogen und anschließend
durch Drückwalzen
umgeformt. Erfindungsgemäß wird dabei
das Drückwalzen
als ein Warmwalzen bei einer Drückwalztemperatur
durchgeführt,
welche zwischen der Lösungsglühtemperatur
von etwa 530 °C,
als einer oberen Temperaturgrenze, und einer Temperatur von 250°C, als einer
unteren Temperaturgrenze, liegt.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung liegt darin, daß das Drückwalzen erst nach dem Lösungsglühen durchgeführt wird.
Hei den herkömmlichen
Verfahren entsteht durch das Lösungsglühen und
das nachfolgende Abschrecken immer ein Verzug des Werkstückes. Ursachen
dafür sind
das Freiwerden von Eigenspannungen und Verwerfungen beim Abschrecken
des Rades. Die erforderliche Lösungsglühtemperatur
senkt die Streckgrenze der drückgewalzten
Werkstücke
so weit herab, daß die
Eigenspannungen größer als
die Streckgrenze werden und damit zur bleibenden Verformung, d.h.
einem Verzug des Materials führen.
Ein beim Lösungsglühen auftretender
Materialverzug kann so bei dem nachfolgend als Warmwalzen durchgeführten Drückwalzen berücksichtigt
und ausgeglichen werden. Dadurch entstehen wesentlich geringere
Maßänderungen
als beim konventionellen Prozeß.
Zu berücksichtigen
sind dann nur noch die beim Abschrecken des Rades entstehenden Verwerfungen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist wesentlich, daß beim Drückwalzen möglichst keine zusätzlichen
hohen Spannungen in das Materialgefüge eingebracht werden. Dies
wird durch ein Warmwalzen bei einer Temperatur von zumindest 250 °C erreicht,
wobei aber die Lösungsglühtemperatur
nicht überschritten
wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Drückwalzen
eines lösungsgeglühten Rades
in einem Warmzustand hat sich überraschend
herausgestellt, daß beim
Abkühlen
des drückgewalzten
Werkstücks
von einer höheren Temperatur
gegenüber
dem konventionell wärmebehandelten
Rad – wider
Erwarten – kein
grösserer
Verzug, sondern ein geringer oder kein Verzug eintritt. Bei dem
Verfahren bleibt das Materialgefüge
spannungsarm und es kann sogar zu einer Reduktion der Spannungen
im Aluminium-Mischkristall kommen. Als eine Erklärung hierfür kann angesehen werden, daß durch
den beim Drückwalzen
bewirkten dreidimensionalen Spannungszustand bei der temperaturbedingt
erhöhten
Beweglichkeit der Atome diese im lösungsgeglühten Mischkristallgefüge energetisch
noch günstigere
Positionen einnehmen können,
was die Eigenspannungen im Gefüge herabsetzt.
Durch diese Spannungsarmut im Gefüge nach dem Drückwalzen
wird erreicht, daß beim
Abkühlen des
drückgewalzten
Rades kaum ein Materialverzug auftritt.
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Mit
der Erfindung wird so ein endkonturennahes Formen eines Fahrzeugrades
mit hoher Festigkeit bei großer
Gestaltungsfreiheit erreicht, bei dem nur noch sehr geringe oder
sogar praktisch keine Materialverzüge auftreten. Eine spanabhebende
Bearbeitung des Werkstückes
zu einer Endform ist dabei kaum oder sogar überhaupt nicht mehr notwendig.
Insofern ergeben sich geringere Material- und Bearbeitungskosten.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Werkstück nach
dem Lösungsglühvorgang und/oder
nach dem Drückwalzen
auf eine Abschrecktemperatur, insbesondere auf etwa Raumtemperatur
abgeschreckt.
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Unter
Abschrecken versteht man in diesem Zusammenhang eine sehr schnelle
Abkühlung
des Werkstücks,
die beispielsweise auf einfache Art und Weise durch Absprühen oder
Bebrausen mit Wasser oder auch mit Hilfe eines Ölbads erreicht werden kann.
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Beim
Lösungsglühen bei
einer Lösungsglühtemperatur
von etwa 530 °C
wird eine hohe Löslichkeit
der Aluminium-α-Mischkristallphase
angestrebt. Dabei lagern sich Atome der anderen Legierungselemente,
wie z.B. Silizium und Magnesium in die Aluminium-Matrix ein, was
sich vorteilhaft auf die Festigkeitseigenschaften des Materials
auswirkt. Durch das Abschrecken nach dem Lösungsglühen wird das entstandene Gefüge fixiert. Man
spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Zwangslösung von
Legierungsatomen im α-Mischkristall.
Darüber
hinaus wird durch das Abschrecken in vorteilhafter Weise eine anschließende weitere
Aushärtung des
Materials, etwa durch Auslagern, ermöglicht.
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Ein
Abschrecken des Werkstücks
nach dem Drückwalzen
kann ebenfalls vorteilhaft sein, um unerwünschte Ausscheidungsprozesse
zuverlässig
zu unterdrücken.
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In
einer vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Werkstück
nach dem Lösungsglühvorgang
und/oder nach dem Drückwalzen
bei einer Auslagerungstemperatur, insbesondere bei etwa 180 C einem
Auslagerungsvorgang unterzogen.
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Hei
dieser Auslagerungstemperatur, die höher ist als Raumtemperatur,
liegt besonders gute Auslagerung vor. Hierfür wird der übersättigte Mischkristall mit den
eingebundenen Legierungsatomen bei dieser Temperatur eine bestimmte
Zeit, insbesondere zwei bis sechs Stunden, gehalten.
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Da
sich das Materialgefüge
fernab des thermischen Gleichgewichts befindet, lassen sich während des Auslagerungsvorgangs
gezielt fein verteilte Materialausscheidungen im Kristallgefüge einstellten.
Die Festigkeit des Gefüges
hängt dabei
von der Größe dieser
Ausscheidungen ab. Je niedriger die Auslagerungstemperatur ist,
desto langsamer bilden sich die die Festigkeit des Werkstoffs erhöhenden Ausscheidungen,
desto länger
dauert es also bis eine bestimmte Endhärte erreicht ist. Wird aber
die Warmbehandlung zu lange fortgesetzt, erfolgt ein Absinken der
mechanischen Eigenschaften.
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Auslagerungsvorgänge finden,
wenn auch in geringerem Umfang, bereits bei Raumtemperatur statt. Die
dadurch beispielsweise innerhalb von zwei bis fünf Tagen erreichten Festigkeitssteigerungen
des Materials können
für einige
Anforderungen ausreichend sein. Das heißt, daß in diesen Fällen der
Vorteil erreicht wird, daß auf
das Warmauslagern verzichtet werden kann. Dabei werden der Erwärmungsofen
sowie die Energie zur Aufwärmung
der Werkstücke
eingespart, wodurch weitere Kosten eingespart werden können. Darüber hinaus
reduziert sich die Herstellungszeit um die Dauer der Warmauslagerung.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Fortbildung der Erfindung wird beim Drückwalzen
ein Materialüberschuß an dem
Werkstück
belassen und das Werkstück
nach dem Drückwalzen
durch einen spanabhebenden Prozeß zu einer Endform bearbeitet.
Hierdurch können
sehr geringe Toleranzen eingehalten werden. Die spanabhebende Bearbeitung
kann dabei nur an Teilbereichen des Rades ausgeführt werden, etwa an den Felgenhörnern oder
der Felgenschalter, an welcher eine passgenaue Anlage des Reifens
gewünscht
ist.
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Besonders
gute Ergebnisse werden mit den Legierungen GK-AlSi7Mg, GK-AlSi11Mg
oder GK-AlSi12Mg erzielt.
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Eine
andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß das Drückwalzen
bei einer Drückwalztemperatur
durchgeführt
wird, die oberhalb, insbesondere um mindestens 50 C über einer
Auslagerungstemperatur liegt. Bei dieser Temperatur ist eine Warmumformung
möglich.
Während des
Drückwalzens
vollziehen sich dann beschleunigt Auslagerungsprozesse, die eine
nachgeordnete Warmauslagerungsbehandlung gegebenenfalls überflüssig machen.
Dadurch kann der langwierige und kostenintensive Verfahrensabschnitt
des Warmauslagerns eingespart werden. Eine hohe Festigkeit kann
gezielt dadurch erreicht werden, daß die Rekristallisationstemperatur
der Legierung nicht überschritten
wird. Besonders bevorzugt ist es, die Vorform unmittelbar nach,
längstens
jedoch zwei bis drei Stunden nach dem Abschrecken drückzuwalzen.
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Bei
einer ebenfalls bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Drückwalzen
bei einer Drückwalztemperatur
durchgeführt,
welche im wesentlichen der Lösungsglühtemperatur
entspricht. Man erreicht dadurch den Vorteil, daß bei dieser Temperatur die
Löslichkeit
der Fremdatome sehr hoch ist und damit unerwünschte Ausscheidungen effektiv
unterdrückt
werden.
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Vorteilhaft
kann es weiterhin aber auch sein, wenn die Drückwalztemperatur auf maximal
150 °C unterhalb
der Lösungsglühtemperatur,
insbesondere auf etwa 400 °C,
eingestellt wird. Es handelt sich dabei um eine Temperatur, bei
der einerseits die Bildung von Ausscheidungen bereits hinreichend
kinetisch unterdrückt ist
und bei der anderer seits noch eine sehr gute Verformbarkeit des
Materials gegeben ist. Insbesondere ist es von Vorteil, die Abkühlung der
Vorform auf die Umformtemperatur rasch durchzuführen, um so unerwünschte Veränderungen
im Materialgefüge
zu verhindern. Eine weitere Absenkung der Drückwalztemperatur oder ein zu
langsames Abkühlen
führen
zu unerwünschten
Ausscheidungen, die den potentiellen Anstieg der Festigkeit durch
den Auslagerungsprozeß reduzieren.
Die Drückwalztemperatur
wird dabei gezielt in Abhängigkeit
vom Verformungsverhalten des jeweiligen Werkstoffes eingestellt.
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In
einer besonders bevorzugten Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Werkstück direkt
nach dem Lösungsglühen dem
Drückwalzvorgang
unterworfen, und zwar bei einer Temperatur, die im wesentlichen
der Lösungsglühtemperatur
entspricht. Danach wird das Werkstück auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt
und anschließend
einem Auslagerungsvorgang bei einer Auslagerungstemperatur von etwa
180 °C unterzogen.
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Bei
einer vorteilhaften Abwandlung dieses Verfahrens wird das Werkstück nach
dem Lösungsglühen auf
die Drückwalztemperatur,
die zwischen der Lösungsglühtemperatur
und etwa 300 °C
liegen kann, abgeschreckt. Nach dem Drückwalzen wird das Werkstück auch
hier auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt und anschließend einem
Auslagerungsvorgang bei einer Auslagerungstemperatur von etwa 180 °C unterzogen.
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Neben
den bisher beschriebenen Vorteilen zeichnen sich diese beiden Verfahrensvarianten
insbesondere dadurch aus, daß das
Werkstück
nach dem Lösungsglühen nicht
unter die Drückwalztemperatur
abgekühlt
wird, d.h., daß das
Werkstück nicht
auf die Drückwalztemperatur
wieder erwärmt
werden muß.
Hierdurch können
in vorteilhafter Weise Zeit und Kosten gespart werden.
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Eine
weitere besonders bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß das
Werkstück
nach dem Lösungsglühvorgang
auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt wird, daß das Werkstück mehrere
Stunden bei dieser Temperatur gehalten wird und daß anschließend das
Werkstück
auf die Drückwalztemperatur
erwärmt
wird.
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Nach
dem Drückwalzprozeß wird bereits
eine Formgenauigkeit des Werkstücks
erreicht, die engen Toleranzen genügt. Daher ist keine oder nur
noch eine äußerst geringe
spanende Nachbearbeitung erforderlich. Der wesentliche Vorteil der
hier beschriebenen Verfahrensvariante ist, daß diese hohe Genauigkeit nicht
durch eine nachfolgende Wärmebehandlung
wieder beeinträchtigt
wird. Wird bei dieser Verfahrensvariante das Drückwalzen bei einer Temperatur
durchgeführt,
die deutlich höher
ist als übliche
Auslagerungstemperaturen, so kann in vorteilhafter Weise eine separate
Warmauslagerungsbehandlung überflüssig gemacht
werden, da die während
des Auslagerns ablaufenden Prozesse beschleunigt während des
Drückwalzens
stattfinden können.
Die langwierige und kostenintensive Warmauslagerung kann also eingespart
werden.
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Der
besondere Vorteil der Methode ergibt sich aus der Möglichkeit,
daß faktisch
der Drückwalz-
und Auslagerungsvorgang vereint sind. Anstelle der Härtesteigerung
des Rades durch eine herkömmliche
Auslagerung kann die Härtesteigerung
des Rades durch das Drückwalzen
nach dem Lösungsglühen erreicht
werden. Die Auslagerungseffekte, die durch das Warmdrückwalzen
mit anschließender
Luftabkühlung
erzielt werden, ersetzen dabei in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit
der üblichen
Warmauslagerung.
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Noch
eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
schließlich
darin, daß das
Werkstück
nach dem Läsungsglühvorgang
auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt wird, daß das Werkstück anschließend auf
eine Auslagerungstemperatur von etwa 180 °C erwärmt und einem Auslagerungsvorgang
unterzogen wird und daß anschließend das
Werkstück
auf die Drückwalztemperatur
erwärmt
wird.
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Auch
bei dieser Verfahrensvariante wird erreicht, daß nach dem mit hoher Genauigkeit
durchführbaren Drückwalzvorgang
keine weitere Wärmebehandlung
mehr stattfindet. Ein zusätzlicher
Vorteil dieses Verfahrens im Vergleich zu den zuvor beschriebenen
Verfahrensvarianten liegt in der zeitlichen Unabhängigkeit
des Drückwalzens
von den Wärmebehandlungsverfahren.
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Durch
eine Wahl der Umformtemperatur kann sogar die während der Wärmebehandlung erreichte Festigkeit
gezielt während
des Umformens verändert
und eingestellt werden.
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Allen
beschriebenen Ausführungsbeispielen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist gemeinsam, daß die
durch Spannungen verursachten Materialverzüge deutlich reduziert werden.
Aufgrund der wesentlich verringerten Materialverzüge können die
Felgen besonders endformnah drückgewalzt
werden, und das für
eine eventuelle spanabhebende Bearbeitung notwendige Bearbeitungaufmaß kann drastisch
vermindert werden. Eine spanabhebende Bearbeitung des Werkstückes am
Ende der Umformung beschränkt
sich auf die Beseitigung von Grat und eventuellen Materialüberschüssen an
den Seiten der Räder.
Durch die Erfindung sind außerdem
Räder hoher
Festigkeit und größere Designmöglichkeiten,
wie sie vom Markt gefordert werden, erreichbar.
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Grundsätzlich kann
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
sowohl eine geschmiedete als auch eine gegossene Vorform verwendet
werden. Gegenüber
dem Drückwalzen
geschmiedeter Vorformen wird beim Drückwalzen gegossener Vorformen
eine größere Verbesserung
der Werkstoffeigenschaften erreicht.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
In diesen Zeichnungen zeigen:
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1 die
Kontur einer nach einem konventionellen Verfahren bearbeiteten Vorform
sowie die Kontur des Werkstücks
nach einer abschließenden
spanabhebenden Bearbeitung;
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2 die
Kontur einer bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten
gegossenen Vorform vor dem Drückwalzen
sowie die Konturen des Werkstücks
nach den Verfahrensschritten Drückwalzen
und spanabhebende Bearbeitung zur Endform;
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3 eine
Seitenansicht einer zur Durchführung
des Drückwalzens
einsetzbaren Vorrichtung;
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4 einen
Schnitt der in 3 dargestellten Vorrichtung
in einer die Drückwalzrollen
enthaltenen Ebene senkrecht zur Drehachse der Hauptspindel;
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5 Detailansicht
der Vorrichtung von 3 im Bereich des Drückwalzwerkzeugs
in einer die Drehachse der Hauptspindel enthaltenden Ebene;
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6 Temperaturprofil
eines konventionellen Herstellungsverfahrens, bei dem eine gegossene
Vorform zunächst
drückgewalzt
und danach einem Lösungsglühvorgang
unterzogen wird;
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7 Temperaturprofil
eines konventionellen Herstellungsverfahrens, bei dem kein Drückwalzvorgang
durchgeführt
wird;
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8 ein
Aluminium-Silizium-Zustandsdiagramm;
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9 Temperaturprofile
von zwei Varianten des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
bei dem das Drückwalzen
direkt im Anschluß an
das Lösungsglühen durchgeführt wird;
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10 ein
Temperaturprofil eines weiteren erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
bei dem das Werkstück
zwischen Lösungsglühen und
Drückwalzen
abgeschreckt und bei dem das Drückwalzen
maximal nach 2 bis 3 Stunden nach dem Abschrecken durchgeführt wird;
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11 ein
Temperaturprofil einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei dem die Vorform zwischen Lösungsglühen und
Drückwalzen
einem Auslagerungsprozeß unterworfen
wird;
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12 eine
Grafik, in der Verbesserungen der Materialeigenschaften der Legierung
GK-AlSi7Mg bei erfindungsgemäßer Verarbeitung
dargestellt sind; und
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13 eine
Grafik, in der die durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erreichte
Gewichtseinsparung am Beispiel eines gegossenen 16'' × 7''-Aluminium-Rades veranschaulicht ist.
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Einander
entsprechende Teile sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
ein Querschnitt durch ein nach dem konventionellen Verfahren, d.h.
ohne Drückwalzen hergestelltes
Leichtmetallrad 1 dargestellt. In einem Felgenbereich des
Leichtmetallrades 1, d.h. insbesondere in den Bereichen
eines Felgenbettes 5, einer Felgenschulter 7 sowie
eines Felgenhorns 3, weist eine Gußkontur 9 des Werkstücks ein
Bearbeitungsaufmaß 10 gegenüber der
Endform 13 auf. Die Dicke C der Endform 13 im
Bereich des Felgenhorns 3 beträgt in der hier dargestellten
Ausführungsform
9 mm und ist damit etwa doppelt so groß wie die Dicken A bzw. B der
Endform 13 im Bereich des Felgenbettes 5 bzw.
im Bereich der Felgenschulter 7. Das Bearbeitungsaufmaß ist notwendig,
um bei den zu erwartenden Materialverzügen nach der Wärmebehandlung
bei einer spanabhebenden Bearbeitung die Endform 13 zuverlässig herauszuarbeiten.
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Im
Vergleich dazu sind zur Verdeutlichung der Erfindung in 2 ein
Werkstück
mit einer Gußkontur 9 nach
dem Giessen, das Werkstück
mit einer Drückwalzkontur 11 nach
dem Drückwalzen
sowie eine Endform 13 dargestellt. Die Dicken A, B bzw.
C der Endform im Bereich eines Felgenbettes 5, einer Felgenschulter 7 und
eines Felgenhorns 3 sind hier mit 3,5 mm, 2,7 mm bzw. 6
mm durchgehend geringer als die entsprechenden Dicken des in 1 dargestellten
Leichtmetallrads 1. Ein Bearbeitungsaufmaß 10 für eine abschliessende spanabhebende
Bearbeitung kann erfindungsgemäß geringer
als bei dem in 1 gezeigten Leichtmetallrad 1 ausgebildet
und auch nur im Bereich zwischen dem Felgenhorn 3 und einem
Hump vorgesehen werden. Eine eventuelle Nachbearbeitung des Felgenhornes 3 und
des Humps dient einem besonders sicheren Sitz des Reifens auf der
Felge.
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Anhand
der 3 bis 5 wird im folgenden eine kurze
Beschreibung eines Drückwalzvorgangs
gegeben.
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In
einer Drückwalzmaschine 20 ist
das Drückwalzwerkzeug 30 zwischen
einer Hauptspindel 22 und einem Druckkopf 24 horizontal
eingespannt.
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Eine
Außenkontur 32 des
Drückwalzwerkzeugs 30 entspricht
dabei der Innenkontur des Werkstücks. Das
Werkstück
mit einer Gußkontur 9 wird
nach automatischer Zuführung
horizontal zwischen der Hauptspindel 22 und dem Druckkopf 24 eingespannt
und in Rotation versetzt.
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Die
Umformung vollzieht sich unter Rotation und einer axialen Relativbewegung
der Hauptspindel 22 und des Druckkopfs 24 zu drei
an dem Werkstück
angreifende Drückwalzrollen 26,
die an einem Support 28 gelagert sind.
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6 zeigt
das Temperaturprofil eines bekannten Verfahrens zur Herstellung
von Aluminium-Rädern, bei
dem eine gegossene Vorform drückgewalzt
und dann wärmebehandelt
wird.
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In 7 ist
das Temperaturprofil eines weiteren bekannten Verfahrens zur Herstellung
von Aluminium-Rädern
dargestellt, bei dem ein Gußwerkstück ohne
einen Drückwalzvorgang
wärmebehandelt
wird.
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8 zeigt
ein Aluminium-Silizium-Zustandsdiagramm. Diesem Diagramm ist insbesondere
die Schmelzkurve der Legierung zu entnehmen. Diese Kurve begrenzt
und definiert das Lösungsglühen, da
bei einem Überschreiten
die Bildung von Schmelze zu einer spröden und rißempfindlichen Struktur nach
dem Abkühlen
führt.
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9 zeigt
die Temperaturverläufe
zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Hei beiden Varianten wird zunächst
eine gegossene und gegebe nenfalls auf Raumtemperatur abgekühlte Vorform
einem Lösungsglühvorgang
bei etwa 530 °C
unterzogen. Anschließend
wird in der mit a gekennzeichneten Verfahrensvariante ein Drückwalzvorgang
bei einer Drückwalztemperatur
durchgeführt,
die im wesentlichen der Lösungsglühtemperatur
entspricht. Dies ist energiesparend und für besonders spröde Legierungen
zweckmäßig. Hingegen
wird in der mit b gekennzeichneten Verfahrensvariante der Drückwalzvorgang nach
einem kurzen Abschrecken bei einer Temperatur von etwa 400 °C durchgeführt, was
eine besonders hohe Materialfestigkeit unterstützt. Danach wird bei beiden
Verfahrensvarianten das Werkstück
auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt und nachfolgend bei einer Temperatur
von etwa 180°C
einem Auslagerungsvorgang unterworfen. Die Endform liegt unmittelbar
vor oder wird schließlich
erreicht, indem ein gewisses Materialübermaß durch eine abschließende spanabhebende
Bearbeitung (hier mit "Bedrehen" gekennzeichnet) abgenommen
wird.
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Das
Temperaturprofil einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in 10 gezeigt. Bis zum Lösungsglühen ist
der Verlauf dabei im wesentlichen identisch wie bei den in 9 gezeigten Varianten.
Danach wird jedoch das Werkstück
einem Abschreckvorgang unterworfen und auf etwa Raumtemperatur abgekühlt. Bei
dieser Abschrecktemperatur wird das Rad maximal zwei bis drei Stunden
gehalten, um danach bei einer Temperatur von etwa 400 °C drückgewalzt
zu werden. Abschließend
wird, wie gehabt, ein gegebenenfalls vorhandenes Materialübermaß mittels
einer spanabhebenden Bearbeitung abgenommen und auf diese Weise
die Endform hergestellt. Bei dieser Verfahrensabfolge hat sich überraschend
herausgestellt, daß beim
Drückwalzen
verstärkt
Auslagerungsvorgänge
ablaufen, welche einen längeren,
separaten Auslagerungsschritt überflüssig machen.
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Das
Temperaturprofil eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in 11 gezeigt. Im Vergleich zu
der in 10 dargestellten Variante wird
bei diesem Verfahren das Werkstück nach
dem Lösungsglühen nur
kurz bei etwa Raumtemperatur abgeschreckt und danach bei etwa 180 °C einem Auslagerungsvorgang
unterworfen, wodurch eine besonders gleichmäßige Gefügestruktur erzielbar ist. Anschließend findet
auch hier das Drückwalzen
bei einer Temperatur von maximal 400 °C statt. Abschließend kann
wieder ein eventuell vorgesehener Materialüberschuß durch eine spanabhebende
Bearbeitung abgenommen werden.
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12 zeigt
für das
Beispiel einer GK-AlSi7Mg-Legierung eine graphische Darstellung
der Materialeigenschaften, die mit einem konventionellen Gießverfahren
und mit einem erfindungsgemäßen Verfahren
erreicht werden. Es werden deutliche Steigerungen der Zugfestigkeit,
der 0,2%-Dehngrenze und der Bruchdehnung erzielt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
beispielsweise in vorteilhafter Weise 16'' × 7''-Aluminiumräder in Massenproduktion hergestellt
werden. Für
dieses Beispiel wird im folgenden das Einsparungspotential der neuen
erfindungsgemäßen Verfahren
demonstriert.
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Es
wird ein Volumen- und Gewichtsvergleich gegeben zwischen einem konventionell
hergestellten Rad (1) und einem mit einem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Rad, welches nahe der Endkontur drückgewalzt wurde ("near net shape", 2).
Die entsprechenden Ergebnisse sind in 13 graphisch
dargestellt.
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Die
Berechnungen beziehen sich ausschließlich auf den Bereich des Felgenbetts 5.
Dabei setzt sich die Material- und Gewichtseinsparung aus der verminderten
Wandstärke,
die aufgrund der verbesserten Materialeigenschaften möglich ist,
und dem deutlich reduzierten Bearbeitungsaufmaß 10 zusammen.
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Vergleich
des Felgenbettbereichs nach der spanabhebenden Endbearbeitung:
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Vergleich
des Materialeinsatzes für
die Gießoperation:
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Bei
diesem Beispiel ist also eine Gewichtsverringerung des fertigen
Rades nach der Drehoperation um 898 g, eine Verringerung des für die abschließende spanabhebende
Bearbeitung notwendigen Übermaßes um 1688
g und damit eine Verringerung des gesamten Materialeinsatzes für die Gießoperation
von 2586 g pro Rad möglich.
Das bedeutet für
die Produk tionslinie pro Rad: 2586 g weniger Material zu gießen, 1688
g weniger Material, das bei der abschließenden spanabhebenden Bearbeitung
abgenommen werden muß und
damit auch 1688 g weniger Abfallmaterial. Das heißt, daß bei einer
Produktion von hunderttausend Rädern
259 Tonnen Aluminium eingespart werden könnten. Hei einem Kilopreis
von Aluminium von derzeit etwa 3,50 DM folgt daraus eine Ersparnis
von etwa 900.000,- DM, d.h. etwa 9,- DM pro Rad.
