DE69803588T2

DE69803588T2 - Verfahren zur herstellung abgeschreckter dünnwandiger hohler metallgehäuse durch blasformen

Info

Publication number: DE69803588T2
Application number: DE69803588T
Authority: DE
Inventors: Goeran Berglund; Mats Lindberg; Anders Sundgren
Original assignee: Accra Teknik AB
Current assignee: Accra Teknik AB
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2018-04-24
Also published as: US6261392B1; DE69803588D1; SE9702058L; JP4210342B2; SE508902C2; AU7242698A; EP1015645A1; JP2002503290A; EP1015645B1; SE9702058D0; WO1998054370A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von abgeschreckten dünnwandigen hohlen Metallgehäusen durch Blasformen.
Ein Blasformverfahren zum Herstellen von hohlen Metallgehäusen in einem Stück ist im voraus aus der SE 64 771 bekannt, wobei das erwärmte Gehäuse in einer erwärmten Form durch Einführen eines erwärmten unter Druck gesetzten Mediums, wie Druckluft, Dampf oder einem anderen gasförmigen Medium expandiert wird, so dass sich die Gestalt somit ausdehnt, so dass sie derjenigen der Vertiefungen entspricht, die in der Form angeordnet sind. Da die Formgebung des Materials bei einer hohen Temperatur stattfindet, nimmt nicht nicht nur die tatsächliche Formbarkeit des Materials zu, sondern das Ausbilden der Gestalt findet auch statt, ohne dass die Struktur des Materials verändert wird, solange diese Gestaltung bei einer Temperatur über der Rekristallisationstemperatur des Materials stattfindet. Daher können röhrenförmige Gegenstände mit komplexen Formen mit dünnen Materialien und mit sehr guter Maßgenauigkeit hergestellt werden.
Innerhalb insbesondere der Motorenindustrie besteht seit langem der Wunsch, durch eine einfache und kostengünstige Einrichtung und unter Verwendung von dünnwandigen Niedriglegierungsstahlgehäusen (weniger als 3 mm dick) abgeschreckte hohle Gehäuse in einem Stück als Ersatz für die Gehäuse herzustellen, die gepresst und abgeschreckt aus geeigneten Stahlblöcken geformt werden, primär flachen und verhältnismäßig dünnen Blöcken, die, wenn sie miteinander verbunden werden, die Last tragenden und schützenden Rahmenkomponenten eines Fahrzeugkörpers bilden.
Ein bekannter Faktor für die gegenwärtig bekannten röhrenförmigen Trägerkonstruktionen ist, dass sie in der Herstellung aufgrund der Notwendigkeit eines Zusatzherstellungsschritts teuer sind, insbesondere dem Schweißen oder Kleben, wenn die Blechbalken miteinander verbunden werden. Zusätzlich können aufgrund ihrer miteinander verbundenen Gestaltung die Trägerkonstruktionen unter bestimmten Umständen konstruktive Schwachstellen aufweisen, die durch Kerbwirkung hervorgerufen werden, und daraus folgen Probleme der Metallermüdung. Im allgemeinen wird die Steifigkeitseigenschaft negativ bei Trägerkonstruktionen beeinflusst, die gemäß der bekannten Technik hergestellt werden.
Da die Herstellungskosten für die Komponenten, die einen Teil des Fahrzeugsicherheitskäfigs bilden, wie Träger und ihre zugehörigen Elemente, bislang sehr hoch im Verhältnis zu den Gesamtkosten des Herstellens für das Fahrzeug sind, war es nicht möglich, diese auf eine optimale Weise für die Sicherheit der im Fahrzeug Fahrenden zu gestalten. Dies führt alles zusammen zu einem Hauptproblem der Automobilindustrie, insbesondere da der Produktlebenszyklus für ein Fahrzeug kürzer wurde und gleichzeitig Sicherheitsaspekte vordirnglicher wurden.
Zusätzlich zu den bekannten technischen Schwierigkeiten bei der Herstellung, die mit dem Herstellen der oben beschriebenen Trägerkonstruktionen verbunden sind, haben die Konstruktionen aufgrund der irregulären Gestalt an den Verbindungsorten scharfe Faltungen und Vertiefungen, die das Korrosionsrisiko erhöhen und die während der Oberflächenbehandlung nicht gut zugänglich sind. Zusätzlich erhöht die unregelmäßige Form der bekannten Trägerkonstruktionen ihr Gewicht im Vergleich zu einem äquivalenten gleichmäßigen Teil, das einstückig hergestellt wird. Durch die Verwendung dieser bekannten Komponenten nimmt das Gewicht des Fahrzeugs selbst zuzüglich der möglichen Nutzlast zu, so dass selbst der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs aufgrund der höheren Motorleistung, die dadurch erforderlich wird, ansteigt.
Wie es oben beschrieben worden ist, wurden solche röhrenförmigen Trägerkonstruktionen und ähnliche Elemente bislang durch Verbinden von Blechblöcken, die in geeignete Formen gepresst wurde, hergestellt, deren Form im voraus bekannt ist, so dass das eingesetzt wird, was als Pressen und Abschrecken bekannt ist, wobei sowohl die Formgebung als auch das Abschrecken eines Blechbalkens zum Herstellen der fertigen Gestalt in ein und demselben Formwerkzeug durchgeführt werden. Der Hauptvorteil des Pressens und Abschreckens ist, dass das Teil direkt in dem abgeschreckten Zustand verwendet werden kann, ohne dass ein nachfolgendes Härten nötig ist. Es hat sich als insbesondere günstig herausgestellt, aufgekohlten Manganstahl, wie Boronstahl, für diese Art von Herstellungsverfahren zu verwenden, da diese Stahlart sehr gute Abschreckeigenschaften aufgrund der Zugabe von Boron hat.
Solch ein Herstellungsvorgang ist beispielsweise aus der SE 435 527 bekannt, wobei das Ausgangsmaterial Niedriglegierungsblechbalken sind, vorzugsweise ein Stahl, der weniger als 0,4% Carbon enthält, Silikon in einer Menge, die vom Herstellungsverfahren des Stahls abhängt aber weiter nicht kritisch ist, 0,5 bis 2,0% Mangan, maximal 0,05% Phosphor und maximal 0,05% Schwefel, 0,1 bis 0,5% Chrom und/oder 0,05 bis 0,5% Molybdän, bis zu 0,1% Titan, 0,0005 bis 0,01% Boron, bis zu maximal insgesamt 0,1% Aluminium plus zusätzlicher niedriger Konzentrationen von Kupfer und Nickel, möglich, jeweils in Mengen bis zu 0,2%, wobei das Material zur Austenitisierungs-Temperatur, vorzugsweise auf 775 bis 1000ºC erwärmt wird. Der Blechblock wird dann zwischen zwei Werkzeugen in einer Presse platziert und durch die Werkzeuge, die gegeneinander durch die Presse gedrückt werden, wird ihm eine signifikante Gestaltänderung auferlegt, und durch eine rasche Abkühlung der Werkzeuge, um eine indirekte rasche Abkühlung des Blocks zu erzielen, wodurch dieser abgeschreckt wird, während er in dem Werkzeug bleibt, so dass eine martensitische und/oder bianitische, vorzugsweise feinkörnige, Struktur erzielt wird.
Es ist festzuhalten, dass dieses Verfahren nur mit flachen, im wesentlichen ebenen Gestalten mit einer großen Oberfläche anwendbar ist, um die Wärme abzuführen, und nicht wie im Fall der vorliegenden Erfindung, die hohle Gehäuse betrifft, beispielsweise geschlossene, röhrenförmige Gestalten mit Oberflächen, die verhältnismäßig klein und schwer zugänglich sind, um ein rasches Abkühlen des Blocks durch effektives Abführen der Wärme zu erzielen.
Somit bezieht sich die in der oben erwähnten SE 64 771 beschriebene Technik nicht auf ein Verfahren zum Erzielen eines abgeschreckten, hohlen Gehäuses mit hoher Festigkeit, nach dem gesucht wird, mit anderen Worten hohle Gehäuse aus abgeschrecktem Stahl, die einstückig gebildet sind. Die SE 435 527 gibt auch keine Anregung in dieser Richtung.
Wie es oben beschrieben wurde, wird insbesondere nach einer Einrichtung gesucht, um dünnwandige, hohle Metallgehäuse zu erzielen, die Träger und ihre zugehörigen Verbindungselemente bilden sollen, um die. Rahmenteile zu bilden, die in einem Fahrzeugkörper beinhaltet sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Herstellungsverfahren zu erreichen, das das Herstellen von hohlen Gehäusen aus abgeschrecktem Stahl in einem Stück ermöglicht, wobei als Basis die SE 64.771 und das, was bereits aus der SE 435 527 bekannt ist, verwendet wird.
Diese Aufgabe der Erfindung wird erzielt, dadurch dass sie die Merkmale hat, die im charakteristischen Teil des Anspruchs 1 angegeben sind.
In Verbindung mit dem Stahl, der bei diesem bekannten Press- und Abschreckvorgang verwendet wird, ist die Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung inbesondere zur Verwendung mit aufgekohltem Boronlegierungsstahl oder aufgekohltem Manganstahl gedacht, um die gewünschte Kombination von Härte und Festigkeit gleichzeitig zu erzielen, wenn ein nachfolgender Härteschritt vermieden wird.
Die Erfindung wird im folgenden detaillierter unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen Fig. 1 in einer sehr schematischen Weise einen Längsquerschnitt einer Anordnung zum Durchführen des ersten Schritts des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 1a einen Teil der Anordnung zeigt, die in Fig. 1 dargestellt ist, während eines Teils des Vorgangs;
Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 während eines zweiten Schritts des Vorgangs zeigt;
Fig. 2a einen Teil der Anordnung während eines Teils des Vorgangs zeigt; und
Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 1 während eines dritten Schritts des Vorgangs zeigt.
Entsprechend den Prinzipien, die die Basis der vorliegenden Erfindung bilden und unter Verweis auf die Zeichnungen in den Figuren umfasst eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens ein Formwerkzeug, das im allgemeinen mit 1 bezeichnet ist, in der Gestalt von zwei miteinander in Wechselwirkung tretenden Werkzeughälften 2, 3, in denen die jeweiligen Vertiefungshälften 4, 5 zum Ausbilden eines im wesentlichen glatten, zylindrischen, hohlen Gehäuseblocks 6 angeordnet sind, der zwischen ihnen eingeführt wird und erwärmt ist und gegen die inneren Wände der Vertiefungshälften 4, S durch das Einführen von Luft in sein Inneres geformt werden soll.
Dieser hohle Gehäuseblock 6 umfasst ein dünnwandiges Rohr, das an den Enden offen ist und vorzugsweise eine Materialdicke von weniger als 3 mm hat, und ist aus einem geeigneten abschreckbaren Material gebildet, vorzugsweise einem Boronstahl. Der hohle Gehäuseblock 6 ist vorzugsweise fest und nahtlos, kann jedoch auch geschweißt sein und, wenn dies der Fall ist, vorzugsweise wärmebehandelt durch ein Spannungsminderungsglühen.
Kanäle 7, 8 sind in jeder Hälfte 2, 3 des Formwerkzeugs 1 für das Zirkulieren von entweder warmem oder kaltem Wasser zum jeweils Erwärmen oder Kühlen des Formwerkzeugs 1 während des Formvorgangs angeordnet. Zum Zuführen und Entfernen dieses Mediums ist ein Ende des jeweiligen Kanals 7, 8 teilweise mit einer ersten Einlassleitung 9 für das Heizmedium verbunden, das beispielsweise eine erwärmte Flüssigkeit oder Dampf sein kann, und teilweise mit einer zweiten Einlässleitung 10 für das Kühlmedium, das vorzugsweise Wasser ist. In ähnlicher Weise ist das andere Ende der Kanäle 7, 8 teilweise mit einer ersten Auslassleitung 11 für das Kühlmedium und teilweise mit einer zweiten Auslassleitung 12 für das Heizmedium verbunden. Die Einlass- und Auslassleitungen haben auch ihre jeweilige zugehörige Steuereinrichtung, die in den Figuren nicht gezeigt ist, um die Strömung zwischen der ersten und zweiten Einlassleitung 9, 10 zu steuern, so dass man wählen kann, ob entweder das Heizmedium oder das Kühlmedium durch die Kanäle 7, 8 strömt. Auf diese Weise kann die Strömung durch die jeweiligen Kanäle 7, 8 in den Formwerkzeughälften 2, 3 sehr rasch geschaltet werden, so dass die Strömung sehr effizient das Formwerkzeug 1 heizt oder kühlt, abhängig davon, ob die Strömung das Heizmedium oder das Kühlmedium umfasst.
Zusätzlich sind das Formwerkzeug 1, oder genauer seine jeweiligen Hälften 2, 3, mit Schlitzen oder Öffnungen, die in den Figuren nicht gezeigt sind, auf eine an sich bekannte Weise versehen, so dass die Luft, die zwischen dem hohlen Gehäuseblock 6 und den inneren Wänden der Formhälften 4, 5 eingeschlossen ist, während des Formvorgangs entweichen kann, ebenso wie mit trennbaren Dichtringen 13, 13' an ihren ersten und zweiten Einlasspositionen, die mit 14, 14' bezeichnet sind, für jeweilige Düsen 15, 15', die zum Einführen des Mediums in das Innere des hohlen Gehäuseblocks 6 ebenso wie zum Führen dieses Mediums weg von den offenen Enden des hohlen Gehäuseblocks 6 gedacht sind.
Eine erste Einlassleitung 16 für ein erwärmendes, gasförmiges Medium ist teilweise mit einer der Düsen 15 verbunden, ebenso wie einer zweite Einlassleitung 17 für ein im wesentlichen kühlendes gasförmiges Medium, wobei in beiden Fällen das Medium vorzugsweise Luft umfasst. Die andere Düse 15' ist teilweise mit einer ersten Auslassleitung 18 für das Kühlmedium und teilweise mit einer zweiten Auslassleitung 19 für das Heizmedium verbunden.
Die Einlassleitungen 16, 17 und die Auslassleitungen 18, 19 haben auch ihre jeweilige zugehörige Steuereinrichtung, die in den Figuren nicht gezeigt ist, zum Lenken der Strömung zwischen den Leitungen, so dass die alternativen Strömungswege am Einlass bzw. Auslass gewählt werden können, wodurch erwärmtes gasförmiges Medium, das in das Innere des hohlen Gehäuseblocks 6 eingeführt wird, um seine Expansion zu bewirken, rasch mit einem Kühlmedium ersetzt werden kann. Zusätzlich können beide Düsen 15, 15' selbstverständlich abgeschlossen werden, so dass kein Medium durch sie strömen kann.
Das Verfahren der Erfindung wird wie folgt durchgeführt: Der hohle Gehäuseblock 6, der ein an sich im voraus bekanntes Stahlmaterial umfasst, wird auf eine Abschrecktemperatur erwärmt, d. h. eine Temperatur über Ac&sub3;, wobei das Stahlmaterial einen austenitischen Zustand einnimmt. Der Stahl wird vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 775 und 1000ºC erwärmt.
Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird der erwärmte, glatte, hohle Gehäuseblock 6 zwischen die Hälften des Formwerkzeugs 2, 3 eingeführt und diese werden gegeneinander, in eine Position gepresst, die eine abgeschlossene Form bildet. Es ist vorteilhaft, wenn die Hälften des Formwerkzeugs durch erwärmtes Medium, das durch die Kanäle 7, 8 strömt, im voraus erwärmt sind, so dass das Formwerkzeug 1 selbst nicht den hohlen Gehäuseblock 6 in einem großen Ausmaß abkühlt. Daran anschließend werden die Düsen 15, 15' in Öffnungen an jedem Ende des hohlen Gehäuses eingeführt, wobei die Dichtung zwischen dem jeweiligen Ende und der Düse 15, 15' durch die Dichtringe 13, 13' stattfindet. Wenn das vorgeheizte gasförmige Medium in das Innere des heißen, hohlen Gehäuseblocks 6 über die Düse 15 eingeführt wird, wie es durch den Richtungspfeil in Fig. 1 angegeben ist, wird der Block gegen die inneren Wände des Formhohlraums 4, 5 geformt. Es ist festzuhalten, dass die Düse 15' zu dieser Zeit abgeschlossen ist und dass das Medium somit nicht aus dem Inneren des hohlen Gehäuseblocks 6 strömen kann. Der zum Erzielen einer guten Formgebung des hohlen Gehäuseblocks gegen die inneren Wände des Formhohlraums benötigte Druck ist in einem großen Maß abhängig von der Art und den Charakteristika des Stahls aber auch von den Anfangsabmessungen des Blocks, insbesondere dem ursprünglichen inneren Volumen und der Dicke des Gehäuses. Insbesondere kann festgehalten werden, dass das Blasformen des dünnwandigen Gehäuses aus der oben empfohlenen Stahlart vorzugsweise innerhalb des Bereichs 30 bis 80 MPa liegen sollte, mit anderen Worten einem verhältnismäßig niedrigen Druck.
Dennoch sollte betont werden, dass während die oben erwähnten Drücke theoretisch ausreichend sind, um die benötigte Druckkraft zum Durchführendes Blasformens zu erzielen, ein passender Druck in der Praxis etwas größer für das Blasformen sein sollte, damit es mit einer Schnelligkeit stattfindet, die kein anfängliches Kühlen des Blocks an den inneren Wänden der Formhälften 4, 5 hervorruft, das beginnt, bevor der Formvorgang vollständig beendet ist.
Um danach ein Kühlen zu bewirken, das effizient ist, um den Abschreckvorgang durchzuführen, wird der hohle Gehäuseblock 6 rasch sowohl auf der Außenseite als auch der Innenseite abgekühlt. Das Abschrecken des hohlen Gehäuseblocks 6 findet dadurch statt, dass das im Inneren bestimmende Gas wie es in Fig. 1a dargestellt ist über die Auslassleitung 18 der Düse 15' abgeführt wird und durch ein kühlendes gasförmiges Medium, vorzugsweise Luft, ersetzt wird, das über die Einlassleitung 17 der Düse 15 eingeführt wird, wie es mit dem Richtungspfeil in Fig. 2 dargestellt ist. Gleichzeitig werden auch die Hälften 2, 3 des Formwerkzeugs 1 durch ein wesentlich kühlendes Medium, vorzugsweise Wasser, gekühlt, das durch die Kanäle 7, 8 dieser Hälften geführt wird.
Das Abschrecken oder genauer das Kühlen des geformten hohlen Gehäuseblocks 6 sollte so rasch durchgeführt werden, dass eine feinkörnige martensitische und/oder bainitische Struktur erreicht wird. Die benötigte Abkühlgeschwindigkeit hängt von der chemischen Zusammensetzung des Stahls und damit seinem CCT (Continuous Cooling Transformation) Diagramm ab. Das Abkühlen des hohlen Gehäuseblocks 6 wird durchgeführt, wobei er in der Formvertiefung bleibt und unter dem Aufrechterhalten eines sehr hohen Drucks, auch des Mediums, das sich im Inneren des hohlen Gehäuseblocks befindet, wodurch die Form selbst als eine Befestigung während des Abschreckvorgangs dient, so dass ein abgeschrecktes, fertiges Produkt mit einer komplexen Gestalt und einer sehr guten Dimensionsgenauigkeit erreicht wird. Um eine gute Befestigung des geformten hohlen Gehäuseblocks 6 gegen das Formwerkzeug 1 während des gesamten Abschreckvorgangs zu erhalten, sollten Druckfluktuationen im Inneren des hohlen Gehäuseblocks 6 vermieden werden, wenn das erwärmte Medium durch das im wesentlichen kühlende Medium für das Abschrecken ausgetauscht wird.
Nachdem das Abschrecken beendet ist, wird das kühlende gasförmige Medium aus dem Inneren des geformten hohlen Gehäuseblocks 6 abgeführt, wie es in Fig. 2a dargestellt ist, und der fertige, hohle Gehäuseblock wird aus dem Formwerkzeug entfernt, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das oben Beschriebene und in den Zeichnungen Dargestellte beschränkt, sondern kann auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Wegen innerhalb des Rahmens der Erfindung verändert und modifiziert werden. Beispielsweise ist festzuhalten, dass das Verfahren gemäß der Erfindung nicht auf hohle Gehäuse in der Gestalt eines Rohrs mit zwei offenen Enden beschränkt ist, sondern dass abhängig von der Gestalt des Formwerkzeugs das Verfahren auch für hohle Gehäuse verwendet werden kann mit sehr komplexen Gestalten und mit einer oder mehreren Öffnungen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von abgeschreckten hohlen Gehäusen aus Stahlmaterial durch Blasformen, wobei ein vorgewärmter hohler Gehäuseblock, vorzugsweise über der Austenitisierungstemperatur, in ein Blasformwerkzeug (1) eingeführt wird und geformt wird, indem er gegen die inneren Wände des Werkzeugs durch das Einführen eines erhitzten, unter Druck gesetzten Mediums in das Innere des Hohlraums des hohlen Gehäuses expandiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachfolgenden Schritt das geformte hohle Gehäuse (6) rasch in einem Vorgang abgekühlt wird, das für das Abschrecken des Stahlmaterials geeignet ist, indem das dominierende erwärmte Medium in dem hohlen Gehäuse durch ein unter Druck gesetztes kühlendes Medium ersetzt wird und indem ein kühlendes Medium durch das Formwerkzeug geführt wird, um sein Kühlen zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines hohlen Gehäuseblocks (6), der mindestens zwei Öffnungen hat, die verwendet werden, um das unter Druck gesetzte Heizmedium und das unter Druck gesetzte Kühlmedium in das Innere des hohlen Gehäuseblocks zuzuführen und zu entfernen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium, das für das Blasformen und Abschrecken des hohlen Gehäuseblocks 6 über die Öffnungen zugeführt und von dem Blasformwerkzeug (1) entfernt wird, gasförmig ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Luft als gasförmiges Medium verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blasformwerkzeug (1) vorgeheizt wird, bevor der hohle Gehäuseblock (6) darin platziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Blasformwerkzeug (1) im voraus durch erwärmtes Medium, das durch es strömt, erwärmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser als Heizmedium für das Blasformwerkzeug (1) verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Boronstahl als hohler Gehäuseblock (6) verwendet wird.

9. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Herstellen eines abgeschreckten hohlen Metallgehäuses, wie einem röhrenförmigen Träger oder seinen zugehörigen Verbindungselementen, das in einem Fahrzeugkörper umfasst sind.