EP1253983A1 - Bauteil mit lokal begrenzten versteifungsbereichen und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Bauteil mit lokal begrenzten versteifungsbereichen und verfahren zu seiner herstellung

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EP1253983A1
EP1253983A1 EP01913784A EP01913784A EP1253983A1 EP 1253983 A1 EP1253983 A1 EP 1253983A1 EP 01913784 A EP01913784 A EP 01913784A EP 01913784 A EP01913784 A EP 01913784A EP 1253983 A1 EP1253983 A1 EP 1253983A1
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EP
European Patent Office
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component
rigidity
stiffness
region
sheet
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01913784A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Herzog
Wolfgang KLEINEKATHÖFER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daimler AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1253983A1 publication Critical patent/EP1253983A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D21/00—Understructures, i.e. chassis frame on which a vehicle body may be mounted
    • B62D21/15—Understructures, i.e. chassis frame on which a vehicle body may be mounted having impact absorbing means, e.g. a frame designed to permanently or temporarily change shape or dimension upon impact with another body
    • B62D21/152—Front or rear frames
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D13/00—Corrugating sheet metal, rods or profiles; Bending sheet metal, rods or profiles into wave form
    • B21D13/02—Corrugating sheet metal, rods or profiles; Bending sheet metal, rods or profiles into wave form by pressing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/02—Stamping using rigid devices or tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/20—Deep-drawing

Definitions

  • the invention relates to a component made of high-strength sheet metal, which is provided with a stiffness-increasing deformation structure in a locally limited stiffening area, and to a method for its production
  • DE 1 96 34 244 a method for increasing the stiffness-structuring of metal sheets is known, with the aid of which a sheet metal plate is dented in several stages from both sides. Periodic patterns of large dents are formed, in the dents of which small dents are formed on the opposite side. This surface structure ensures that very good pressure and bending stiffness, however the buckling method proposed for its manufacture can only be used on very thin sheets and is therefore not suitable for increasing the rigidity of structural components, e.g. for vehicle construction. Furthermore, DE 1 96 34 244 describes a buckling method in a continuous process, in which the entire surface of a raw sheet is provided with dents. On the one hand, a targeted local increase in the stiffness of the raw sheet is not possible, on the other hand, the buckling structure and thus the increase in stiffness obtained would largely be lost in a forming process following the buckling process
  • the invention is therefore based on the object of producing components from sheet metal with deliberately introduced, spatially limited stiffening areas which have a considerable increase in local stiffness compared to conventional components provided with local stiffening areas.
  • the invention is also based on the object of a simple method for achieving a to propose such a local increase in stiffness on sheet metal components
  • the surface of the component is then provided with a stiffening structure in selected areas, which consists of a periodic grid of nested concave and convex bumps Stiffness against torsion Furthermore, the regular periodic lattice structure of the stiffening pattern enables a mathematical simulation of the stiffnesses achieved and as a result of which a systematic optimization of the stiffening structure for the respective component
  • the stiffening structure can be characterized with the help of a few parameters (bulge radii and depths, lattice constant of the stiffening structure and orientation of the lattice direction with respect to the component), so that the parameters required for a certain local stiffness in advance of Component production can be determined by means of a simulation.
  • the depths of the bumps can be varied locally within the stiffening structure, as a result of which local variations in the stiffness can be achieved in a targeted manner within the stiffening area
  • a particularly simple to simulate stiffening structure which at the same time ensures high rigidity in all spatial directions, is a pattern of nested bumps on a hexagonal grid (see claim 2)
  • the stiffening structure is created with the help of a drawing process on the component (see claim 3)
  • a drawing process on the component (see claim 3)
  • the shaping of the component geometry and the introduction of the stiffening structure take place in a single operation, which essentially corresponds to a deep-drawing operation (see claim 4).
  • the stiffening structure which - depending on the required increase in stiffness - protrudes between 2 and 4 mm beyond the surrounding component area, is molded into the sheet metal part in the final pressure of the deep-drawing press.
  • the resulting high pressures result in an additional crystalline change in the sheet metal structure, which also contributes to increasing the rigidity of the sheet metal part the shaping of the component geometry, the local stiffening of any curved component surfaces
  • FIG. 1 shows a section of a side plate of an elongated beam with a local stiffness-increasing deformation structure
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a deep-drawing tool for producing a side plate for the long beam of FIG. 1
  • FIG. 1 shows a section of an elongated support 1 made of sheet steel, which forms part of a vehicle frame of a transporter.
  • the elongated support 1 consists of several individual parts 2 produced by means of a deep-drawing process and in particular comprises a side panel 2 ′ which is welded to other (not shown in FIG. 1) Individual parts of the long beam 1 are connected.
  • the long beam 1 must meet certain criteria in terms of both strength and rigidity, but at the same time should have the smallest possible sheet thickness in the interest of minimizing weight.
  • the individual parts 2, 2 'therefore consist of a high-strength steel, which - even with thin sheet thicknesses - has a comparatively high strength combined with good forming capacity.
  • the loss in stiffness of the long beam 1, which occurs due to the small sheet thickness is compensated for by local stiffness-increasing deformation structures 3, which are achieved using a deep-drawing process ahrens are stamped into selected areas of the individual parts 2
  • the long beam 1 which are exposed to particularly high compression and torsion loads in operation, in particular in the event of an accident.
  • this relates in particular to the central region 5, in which the long beam 1 is S-shaped and in which an attachment part 2 " is fastened, which serves to fasten a crossbeam (not shown in FIG. 1)
  • the main direction of loading lies along the longitudinal axes of the longbeam regions 6, which adjoin the central region 5. Due to the S structure, the central region 5 is below such loads are particularly susceptible to lateral buckling, which directly results in a displacement or use of the cross member
  • the side panel 2 ′ is provided in the central region 5 with a deformation structure that increases rigidity
  • the hexagonal structure 3 'used in this application consists of a hexagonal lattice of concave bulges 7, the bulges of which are provided with convex counterbumps 8, so that the structure 3', as shown in a sectional view in FIG. 2, consists of a nested concave lattice and convex bumps 7, 8 is formed.
  • the depth 9 of the bumps 7 and the height 10 of the counterbumps 8 vary over the central region 5, so that the depth 9 of the dents 7 and the height 10 of the counter dents 8 in the center 11 of the middle region 5 are greater than in the edge zones 12 of the middle region 5.
  • the local increase in rigidity which is brought about by the hexagonal structure 3 ′ in a selected region 4 depends on the depth 9 and the radius 14 of the bumps 7, the height 10 and the radius 15 of the counterbumps 8 and on the base length 16 of the hexagonal lattice, furthermore the local increase in stiffness is not isotropic, but depends on the orientation of the lattice relative to the direction of the force application, which is indicated by the arrows in the example of the long beam 1 in FIG. 1.
  • the stiffening structure 3 can in principle have any lattice structure and symmetry. However, in order to enable a fast and reliable simulation of the component rigidity achieved thereby (and thus an optimization of the component under loads), it is advantageous to choose a lattice that translates and has rotational symmetry and which can be characterized by a few parameters.
  • a lattice that translates and has rotational symmetry and which can be characterized by a few parameters.
  • square and triangular structures are particularly suitable for this. While hexagonal grids do not allow larger and smaller grid cells to interact, rectangular grid structures in particular can be used As shown in FIG. 3, lattice cells 17 of different sizes are combined, so that in this case an even more differentiated adaptation of the local stiffness of the areas concerned is possible
  • the individual parts 2, the rigidity of which are to be locally reinforced with the aid of deformation structures 3, are often parts of structural components and therefore have - depending on the function of the Component - sheet thicknesses of up to a few mm thick
  • a method must be used which exerts high deformation forces on the sheet metal.
  • FIG. 4 shows a basic sketch of a deep-drawing tool 1 9 for the production of the side plate 2 ′ of FIG. 1.
  • the deep-drawing tool 1 9 comprises a stamp 20 and a die 21, both of which are provided with local surface structures 22, 23, which are those on the raw plate 1 8
  • Deformation structure 3 'to be shaped When lowering the punch 20, first by the action of the edge areas 24, 24' on the punch 20 and die 21 on the raw sheet 18 flanges 25, 25 'are bent, to which additional sheets on the side part 2' in a later process step. When the plunger 20 is further lowered, the deformation structure 3 is then also produced on the raw sheet 18, this takes place in the final pressure of the deep-drawing plunger 20.
  • a suitable regulation of the pressure forces of the hold-down device 26 during the lowering of the plunger 20 ensures that during the molding both the flanges 25, 25 'and the deformation structure 3 have sufficient material s the side areas 27 of the raw sheet 1 8 can flow into the inner areas 28 to be formed and thus neither cracks nor folds of the raw sheet 1 8 occur in the area of the flanges 25, 25 'nor on the stiffness-increasing deformation structures 3
  • stamp or die areas 22, 23 which form the stiffness-increasing deformation structure 3 are exposed to higher wear than the rest of the tool during the deep-drawing process, depending on the geometry of the individual part 2 to be shaped, so it is advisable in some cases to use these areas 22 , 23 of the punch 20 or the die 21 can be reinforced by tool inserts 29, 30 made of a particularly hard or resistant material
  • the method according to the invention can be used for locally increasing the stiffness of plate-shaped workpieces 1 of different thicknesses, which can consist of a wide spectrum of different (deformable) materials.
  • the stiffness-increasing structures 3 can be used to reinforce any areas which are exposed to particular pressure and / or torsional loads With the aid of such a local deformation structure 3, specifically provide weak points in the component 1 at which the component kinks or breaks in the event of a certain load.
  • the grid cells 1 7 can also have a more complex convex-concave shape if, for example, each concave bump 7 is provided with a convex counterbump 8 on its inside, which in turn is a convex bump at its center having.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Bauteil aus hochfestem Blech, insbesondere ein Strukturbauteil (1), das in einem lokal begrenzten Versteifungsbereich mit einer Verformungsstruktur (3) versehen ist, welche die lokale Steifigkeit des Bauteils gegenüber herkömmlichen Bauteilen erheblich erhöht. Die steifigkeiktserhöhende Verformungsstruktur besteht aus einem periodischen Gitter ineinandergeschachtelter konkaver und konvexer Beulen (7, 8). Sie wird mit Hilfe eines Tiefziehverfahrens in bestimmte, lokal begrenzte Bereiche des Blechs eingeprägt. Die regelmäßige periodische Gitterstruktur des Versteifungsmusters ermöglicht eine rechnerische Simulation der zu erzielenden Steifigkeiten und als Folge davon eine systematische Optimierung der Versteifungsstruktur für das jeweilige Bauteil. Die Beulentiefen (9, 10) können innerhalb der Versteifungsstruktur örtlich variiert werden, wodurch innerhalb des Versteifungsbereiches gezielt lokale Variationen der Steifigkeit des Bauteils erreicht werden.

Description

Bauteil mit lokal begrenzten Versteifungsbereichen und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus hochfestem Blech, das in einem lokal begrenzten Versteifungsbereich mit einer steifigkeitserhohenden Verformungsstruktur versehen ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung
Viele Bauteile im Automobilbau, insbesondere Strukturbauteile, müssen hohe Anforderungen sowohl in bezug auf Festigkeit als auch in bezug auf Steifigkeit erfüllen Gleichzeitig besteht großes Interesse daran, Leichtbaukonzepte im Fahrzeugbau zu verwirklichen und daher das Gewicht dieser Teile so weit wie irgend möglich zu reduzieren Die gewünschte Festigkeit kann - bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion - erreicht werden, wenn als Ausgangsmateπal dünne Bleche aus hochfesten Stahlen verwendet werden, welche eine vergleichbare Festigkeit aufweisen wie dickere Bleche aus herkömmlichen Stahlen Allerdings müssen diese dünneren Bleche zur Erreichung der geforderten Steifigkeit mit steifigkeitserhohenden Strukturen wie z B Sicken und/oder Noppen versehen werden Da im Regelfall nur in ausgewählten Bereichen der Bauteile eine hohe Steifigkeit gefordert ist, wahrend in anderen Bereichen die Steifigkeit nur eine untergeordnete Rolle spielt, ist es vorteilhaft, diese steifigkeitserhohenden Strukturen nur in solchen Bereichen der Bauteile vorzusehen, welche im Betrieb besonderen Belastungen in bezug auf Steifigkeit ausgesetzt sind
Die lokale Steifigkeitserhohung von Bauteilen aus Blech ist aus der gattungsbildenden DE 297 1 2 622 U1 bekannt In dieser Schrift wird vorgeschlagen, die Blechplatinen vor der Ausformung der Bauteilgeometrien in ausgewählten Bereichen mit warzenformigen Noppen zu versehen, welche mit Hilfe eines Prageverfahrens in die Blechplatinen eingebracht werden Da wahrend der darauffolgende Ausformung der Bauteilgeometne - z B mit Hilfe eines Ziehverfahrens - die Noppenstruktur weitgehend verlorengeht, eignet sich diese Noppenversteifung vorwiegend für solche Bereiche, welche in dem folgenden Umformprozeß nicht oder nur unwesentlich umgeformt werden
Die Herstellung eines lokal steifigkeitserhohten Bauteils gemäß der DE 297 1 2 622 Ul besteht somit aus zwei Prozeßschritten - nämlich der Prägung der Blechplatine mit einer Noppenstruktur gefolgt von der Umformung der Blechplatine zur Erzeugung der Bauteilgeometne - und ist somit verhältnismäßig aufwendig Weiterhin besteht oft der Bedarf, gerade auch die Umformbereiche auf dem Bauteil mit steifigkeitserhohenden Strukturen zu versehen, was mit dem in der DE 297 1 2 622 U1 vorgeschlagenen Verfahren nicht möglich ist Schließlich besteht der Bedarf, eine größere lokale Steifigkeitserhohung, insbesondere eine stärkere Erhöhung der Biegesteifigkeit zu erreichen, die mit den in der DE 297 1 2 622 U1 gezeigten Noppenstrukturen nicht erzielbar ist
Aus der DE 1 96 34 244 ist ein Verfahren zur steifigkeitserhohenden Strukturierung von Blechen bekannt, mit Hilfe dessen eine Blechplatine mehrstufig von beiden Seiten beulstruktuπert wird Dabei entstehen periodische Muster großer Beulen, in deren Beulmulden sich von der Gegenseite her kleine Beulen bilden Diese Oberflachenstruktur gewährleistet zwar eine sehr gute Druck- und Biegesteifigkeit, allerdings ist das zu ihrer Herstellung vorgeschlagene Beulverfahren nur auf sehr dünne Bleche anwendbar und eignet sich daher nicht zur Steifigkeitserhohung von Strukturbauteilen, z B für den Fahrzeugbau Weiterhin beschreibt die DE 1 96 34 244 ein Beulverfahren im Durchlaufverfahren, bei dem die gesamte Oberflache eines Rohblechs mit Beulen versehen wird Daher ist einerseits keine gezielte lokale Steifigkeitserhohung des Rohblechs möglich, andererseits ginge in einem auf den Beulprozeß folgenden Umformprozeß die Beulstruktur und somit die erzielte Steifigkeitserhohung weitgehend verloren
Der Erfindung egt daher die Aufgabe zugrunde, Bauteile aus Blech mit gezielt eingebrachten, raumlich begrenzten Versteifungsbereichen herzustellen, welche eine erhebliche Erhöhung der lokalen Steifigkeit gegenüber herkömmlichen, mit lokalen Versteifungsbereichen versehenen Bauteilen aufweisen Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Erzielung einer solchen lokalen Steifigkeitserhohung auf Bauteilen aus Blech vorzuschlagen
Die Aufgabe wird erfindungsgemaß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelost
Danach wird die Oberflache des Bauteils in ausgewählten Bereichen mit einer Versteifungsstruktur versehen, welche aus einem periodischen Gitter ineinandergeschachtelter konkaver und konvexer Beulen besteht Eine solche Versteifungsstruktur gewahrleistet eine erhebliche Steifigkeitserhohung gegenüber den herkömmlich eingebrachten Noppen und Sicken Dies betrifft sowohl die Biege- und Drucksteifigkeit als auch die Steifigkeit gegenüber Verwindungen Weiterhin ermöglicht die regelmäßige periodische Gitterstruktur des Versteifungsmusters eine rechnerische Simulation der dabei erzielten Steifigkeiten und als Folge davon eine systematische Optimierung der Versteifungsstruktur für das jeweilige Bauteil Die Versteifungsstruktur laßt sich mit Hilfe weniger Parameter (Beulenradien und -tiefen, Gitterkonstante der Versteifungsstruktur und Ausrichtung der Gitterrichtung gegenüber dem Bauteil) charakterisieren, so daß die für eine bestimmte lokale Steifigkeit benotigten Parameter im Vorfeld der Bauteilherstellung mittels einer Simulation ermittelt werden können Weiterhin können die Beulentiefen innerhalb der Versteifungsstruktur örtlich variiert werden, wodurch innerhalb des Versteifungsbereiches gezielt lokale Variationen der Steifigkeiten erreicht werden können
Eine besonders einfach zu simulierende Versteifungstruktur, die gleichzeitig in allen Raumrichtungen eine hohe Steifigkeit gewährleistet, ist ein Muster ineinandergeschachtelter Beulen auf einem hexagonalen Gitter (siehe Anspruch 2)
Die Versteifungsstruktur wird mit Hilfe eines Ziehverfahrens auf dem Bauteil erzeugt (siehe Anspruch 3) Beim Absenken des Pressenstempels im Zuge des Ziehverfahrens können ausreichend große Kräfte aufgebracht werden, um auch mehrere Millimeter dicke Bleche aus hochfestem Stahl prozeßsicher mit den oben beschriebenen komplexen Versteifungsstrukturen zu versehen Somit laßt sich das Verfahren auf beliebige Bleche anwenden, solange die Bleche aus ziehfahigem Material bestehen
Besonders gunstig in bezug auf die Herstellkosten des Bauteils ist es, wenn die Ausformung der Bauteilgeometne und das Einbringen der Versteifungsstruktur in einem einzigen Arbeitsgang erfolgt, der im wesentlichen einem Tiefzieh-Arbeitsgang entspricht (siehe Anspruch 4) Die Versteifungsstruktur, welche - je nach geforderter Steifigkeitserhohung - zwischen 2 und 4 mm über die umgebenden Bauteilbereich hinausragt, wird dabei im Enddruck der Tiefziehpresse in das Blechteil eingeformt Durch die dabei auftretenden hohen Drucke erfolgt eine zusätzliche kristalline Veränderung der Blechstruktur, was zusätzlich zur Steifigkeitserhohung des Blechteils beitragt Weiterhin ermöglicht dieses Einbringen der Versteifungsstruktur wahrend des Ausformens der Bauteilgeometne die lokale Versteifung beliebig gekrümmter Bauteilflachen
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer in den Zeichnungen dargestellten Ausfuhrungsbeispieles naher erläutert, dabei zeigen
Fig 1 einen Ausschnitt eines Seitenblechs eines Langstragers mit einer lokalen steifigkeitserhohenden Verformungsstruktur,
Fig 2 einen seitlichen Schnitt durch das Seitenblech gemäß der Schnittlinie II - II in Fig 1 , Fig 3 eine alternative Ausgestaltung der Verformungsstruktur,
Fig 4 eine schematische Darstellung eines Tiefziehwerkzeugs zur Herstellung eines Seitenblechs für den Langstrager der Fig 1
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Langstragers 1 aus Stahlblech, der Teil eines Fahrzeugrahmens eines Transporters bildet Der Langstrager 1 besteht aus mehreren mittels eines Tiefziehverfahrens hergestellten Einzelteilen 2 und umfaßt insbesondere ein Seitenblech 2', welches durch Schweißen mit weiteren (in Figur 1 nicht dargestellten) Einzelteilen des Langstragers 1 verbunden ist Der Langstrager 1 muß sowohl in bezug auf Festigkeit als auch in bezug auf Steifigkeit gewisse Kriterien erfüllen, soll gleichzeitig aber im Interesse der Gewichtsminimierung eine möglichst geringe Blechdicke haben Die Einzelteile 2,2' bestehen daher aus einem hochfesten Stahl, der - auch bei dünnen Blechstarken - eine vergleichsweise hohe Festigkeit verbunden mit einem guten Umformvermogen aufweist Die aufgrund der geringen Blechdicke entstehenden Steifigkeitseinbußen des Langstragers 1 werden durch lokale steifigkeitserhohende Verformungsstrukturen 3 kompensiert, welche mit Hilfe eines Tiefziehverfahrens in ausgewählte Bereiche der Einzelteile 2 eingeprägt sind
Besonders hohe Steifigkeitsanforderungen werden an diejenigen Bereiche 4 auf den Einzelteilen
2 gestellt, welche im Betrieb, insbesondere bei einem Unfall, besonders hohen Stauch- und Torsionsbelastungen ausgesetzt sind Im vorliegenden Beispiel des Langstragers 1 betrifft dies insbesondere den Mittelbereich 5, in dem der Langstrager 1 S-formig gestaltet ist und in dem ein Anbauteil 2" befestigt ist, das der Befestigung eines (in Figur 1 nicht gezeigten) Querträgers dient Wie in Figur 1 durch Pfeile angedeutet, liegt die Hauptbelastungsrichtung entlang der Langsachsen der Langstragerbereiche 6, die an den Mittelbereich 5 angrenzen Aufgrund der S- Struktur ist der Mittelbereich 5 unter solchen Belastungen besonders anfällig für seitliche Knickungen, welche unmittelbar eine Verschiebung bzw Verwmdung des Querträgers zur Folge haben
Um das Auftreten seitlicher Knickungen im Mittelbereich 5 des Langstragers 1 zu unterdrucken, wird das Seitenblech 2' im Mittelbereich 5 mit einer steifigkeitserhohenden Verformungsstruktur
3 versehen Die in diesem Anwendungsfall verwendete hexagonale Struktur 3' besteht aus einem hexagonalen Gitter konkaver Beulen 7, deren Beulmulden mit konvexe Gegenbeulen 8 versehen sind, so daß die Struktur 3', wie in Figur 2 in einer Schnittansicht dargestellt, aus einem Gitter ineinandergeschachtelter konkaver und konvexer Beulen 7, 8 gebildet ist Die Tiefe 9 der Beulen 7 und die Hohe 1 0 der Gegenbeulen 8 variieren über den Mittelbereich 5, so daß die Tiefe 9 der Beulen 7 und die Hohe 1 0 der Gegenbeulen 8 im Zentrum 1 1 des Mitteibereichs 5 großer sind als in den Randzonen 1 2 des Mitteibereichs 5 Dadurch wird im (für Verknickungen besonders empfänglichen) Zentrum 1 1 des Mitteibereichs 5 eine stärkere Steifigkeitserhohung erreicht als in den (für Verknickungen nicht so empfänglichen) Randzonen 1 2, so daß das Seitenblech 2' im gesamte Mittelbereich 5 einer Verformungskraft, die von außen auf den Langstrager 1 einwirkt, einen ausgeglichenen Widerstand entgegensetzt Die steifigkeitserhohende Verformungsstruktur 3' ist so auf dem Seitenblech 2' ausgerichtet, daß die Richtung der höchsten Drucksteifigkeit naherungsweise senkrecht zu der (zu erwartenden) Knickrichtung 1 3 liegt
Die lokale Steifigkeitserhohung, die durch die hexagonale Struktur 3' in einem ausgewählten Bereich 4 bewirkt wird, hangt ab von der Tiefe 9 und dem Radius 14 der Beulen 7, der Hohe 10 und dem Radius 1 5 der Gegenbeulen 8 und von der Basislange 1 6 des hexagonalen Gitters, weiterhin ist die lokale Steifigkeitserhohung nicht isotrop, sondern hangt ab von der Orientierung des Gitters relativ zur Richtung der Krafteinleitung, welche im Beispiel des Langstragers 1 in Figur 1 durch die Pfeile gekennzeichnet ist Um eine auf einen besonderen Anwendungsfall optimierte versteifende Verformungsstruktur 3 zu erhalten, müssen die oben genannten Parameter auf diesen Anwendungsfall abgestimmt werden Hierzu wird eine Simulation des betreffenden Einzelteils 2 (bzw des aus den Einzelteilen zusammengesetzten Bauteils) mit der versteifenden Struktur 3 durchgeführt, und die Parametereinstellung wird so lange variiert, bis die gewünschte Steifigkeit ausgewählter Bereiche 4 bzw das gewünschte Knickverhalten des gesamten Bauteils erreicht ist
Die versteifende Struktur 3 kann im Prinzip eine beliebige Gitterstruktur und -Symmetrie aufweisen Um jedoch eine schnelle und verläßliche Simulation der damit erreichten Bauteilsteifigkeit (und somit eine Optimierung des Bauteils unter Belastungen) zu ermöglichen, ist es gunstig, ein Gitter zu wählen, das Translations- und Rotationssymmetrie aufweist und das sich durch einige wenige Parameter charakterisieren laßt Neben dem in Figuren 1 und 2 gezeigten hexagonalen Gitter kommen hierfür insbesondere Vierecks- und Dreiecksstrukturen in Frage Wahrend bei der Verwendung hexagonaler Gitter kein Zusammenspiel größerer und kleinerer Gitterzellen möglich ist, können insbesondere rechteckigen Gitterstrukturen, wie in Figur 3 gezeigt, Gitterzellen 1 7 unterschiedlicher Große kombiniert werden, so daß in diesem Fall eine noch differenziertere Anpassung der lokalen Steifigkeit der betroffenen Bereiche möglich ist
Die Einzelteile 2, deren Steifigkeit mit Hilfe von Verformungsstrukturen 3 gezielt lokal verstärkt werden sollen, sind oftmals Teile von Strukturbauteilen und weisen daher - je nach Funktion des Bauteils - Blechdicken bis zu einigen mm Starke auf Um solch dicke Bleche mit den in Figur 1 gezeigten komplexen Verformungsstrukturen 3' zu versehen, muß ein Verfahren angewandt werden, das hohe Verformungskrafte auf das Blech ausübt Hierzu ist es besonders gunstig, die Verformungsstrukturen 3 als Teil eines Tiefziehprozesses einzubringen, wahrend dessen die gesamte Bauteilgeometne aus einem Rohblech 1 8 herausgeformt wird Dann erfordert die Herstellung der Verformungsstrukturen 3 keinen separaten Prozeßschritt, sondern sie erfolgt als Teil der (einstufigen oder mehrstufigen) Umformung des Rohblechs 1 8
Figur 4 zeigt eine Prinzipskizze eines Tiefziehwerkzeugs 1 9 für die Herstellung des Seitenblechs 2' der Figur 1 Das Tiefziehwerkzeug 1 9 umfaßt einen Stempel 20 und eine Matrize 21 , die beide mit lokalen Oberflachenstrukturen 22, 23 versehen sind, welche der auf dem Rohblech 1 8 auszuformenden Verformungsstruktur 3' entsprechen Beim Absenken des Stempels 20 werden zunächst durch Einwirkung der Kantenbereiche 24, 24' an Stempel 20 und Matrize 21 auf dem Rohblech 1 8 Flansche 25, 25' abgebogen, an welche in einem spateren Prozeßschritt Zusatzbleche an das Seitenteil 2' angeschweißt werden Beim weiteren Absenken des Stempels 20 wird dann auch die Verformungsstruktur 3 auf dem Rohblech 1 8 erzeugt, dies geschieht im Enddruck des Tiefziehstempels 20 Durch eine geeignete Regelung der Druckkräfte der Niederhalter 26 wahrend des Absenkens des Stempels 20 wird sichergestellt, daß wahrend der Ausformung sowohl der Flansche 25, 25' als auch der Verformungsstruktur 3 genügend Material aus den Seitenbereichen 27 des Rohblechs 1 8 in die auszuformenden Innenbereiche 28 fließen kann und somit weder im Bereich der Flansche 25, 25' noch an den steifigkeitserhohenden Verformungsstrukturen 3 Risse oder Faltungen des Rohblechs 1 8 auftreten
Diejenigen Stempel- bzw Matrizenbereiche 22, 23, welche die steifigkeitserhohende Verformungsstruktur 3 ausformen, werden fallweise - in Abhängigkeit von der Geometrie des auszuformenden Einzelteils 2 - wahrend des Tiefziehprozesses höherem Verschleiß ausgesetzt als der Rest des Werkzeugs, daher ist es fallweise empfehlenswert, diese Bereiche 22, 23 des Stempels 20 bzw der Matrize 21 durch Werkzeugeinsatze 29, 30 aus einem besonders harten bzw widerstandsfähigen Material zu verstarken
Das erfindungsgemaße Verfahren ist zur lokalen Steifigkeitserhohung plattenformiger Werkstucke 1 unterschiedlicher Dicke anwendbar, die aus einem weiten Spektrum unterschiedlicher (verformbarer) Werkstoffe bestehen können Die steifigkeitserhohenden Strukturen 3 sind zur Verstärkung jeglicher Bereiche einsetzbar, die besonderen Druck- und/oder Torsionsbelastungen ausgesetzt sind Weiterhin kann man mit Hilfe einer solchen lokalen Verformungsstruktur 3 gezielt Schwachstellen in dem Bauteil 1 vorsehen, an denen das Bauteil im Fall einer bestimmten Belastung knickt bzw bricht Neben der oben beschriebenen Verformungsstruktur 3 ineinandergeschachtelter konkaver Beulen 7 und konvexer Gegenbeulen 8 können die Gitterzellen 1 7 auch eine komplexere konvex-konkave Gestalt haben, wenn z.B. jede konkave Beule 7 in ihrem Inneren mit einer konvexen Gegenbeule 8 versehen ist, die ihrerseits in ihrem Zentrum wiederum einer konvexe Beule aufweist.

Claims

Patentansprüche
Bauteil aus einem Blech mit hoher Festigkeit, das in einem definierten, lokal begrenzten Versteifungsbereich, welcher für die Formstabihtat dieses Bauteils von besonderer Bedeutung sind, mit einer steifigkeitserhohenden Verformungsstruktur versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsstruktur (3) aus einem periodischen Gitter aneinandergrenzender Zellen (17) besteht, wobei jede Gitterzelle (17) ineinandergeschachtelte konkave und konvexe Beulen (7, 8) enthalt
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsstruktur (3) eine hexagonale Struktur hat
Verfahren zur Erzeugung einer lokal begrenzten, steifigkeitserhohenden Verformungsstruktur auf einem Bauteil, dessen Geometrie mittels eines Ziehverfahrens aus einer Blechplatme hoher Formstabihtat ausgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungstruktur (3), bestehend aus einem periodischen Gitter ineinandergeschachtelter konkaver und konvexer Beulen (7, 8), mit Hilfe eines Ziehverfahrens auf dem Bauteil erzeugt wird
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsstruktur (3) gemeinsam mit der Bauteilgeometne in demselben Prozeßschritt ausgeformt wird
EP01913784A 2000-02-12 2001-02-03 Bauteil mit lokal begrenzten versteifungsbereichen und verfahren zu seiner herstellung Withdrawn EP1253983A1 (de)

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