EP2324938B1 - Verfahren und Warmumformanlage zur Herstellung eines gehärteten, warm umgeformten Werkstücks - Google Patents

Verfahren und Warmumformanlage zur Herstellung eines gehärteten, warm umgeformten Werkstücks Download PDF

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EP2324938B1
EP2324938B1 EP10185787.8A EP10185787A EP2324938B1 EP 2324938 B1 EP2324938 B1 EP 2324938B1 EP 10185787 A EP10185787 A EP 10185787A EP 2324938 B1 EP2324938 B1 EP 2324938B1
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EP
European Patent Office
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workpiece
blank
hardening
hardened
heated
Prior art date
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Active
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EP10185787.8A
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English (en)
French (fr)
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EP2324938A1 (de
Inventor
Dr. Jens Overrath
Stéphane Anquetil
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.)
Gestamp Umformtechnik GmbH
ThyssenKrupp Sofedit SAS
Original Assignee
ThyssenKrupp Sofedit SAS
GMF Umformtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Sofedit SAS, GMF Umformtechnik GmbH filed Critical ThyssenKrupp Sofedit SAS
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    • 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
    • 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
    • B21D22/022—Stamping using rigid devices or tools by heating the blank or stamping associated with heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/673—Quenching devices for die quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
    • C21D9/48—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals deep-drawing sheets

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hardened, hot-formed workpiece made of sheet steel, in which a workpiece blank is heated in at least one furnace at least partially to a forming temperature at which the heated workpiece blank is introduced into at least one drawing press and wherein the heated workpiece blank in which at least one drawing press is formed into a workpiece. Furthermore, the invention relates to a hot forming plant for producing a hardened formed workpiece made of steel, with a furnace for at least partial heating of a workpiece blank to a forming temperature, with a drawing press for forming the workpiece blank and with a transfer device for transferring the heated workpiece blank from the furnace to the drawing press.
  • Hot forming plants typically include a furnace for heating the workpiece blanks and a press line for forming and hardening the workpiece blanks. After heating the workpiece blanks to a predetermined forming temperature, these are taken from the furnace and placed in a drawing press. The tools of the drawing press are cooled by a cooling medium, so that the workpiece is rapidly cooled and hardened therein.
  • a cooling medium so that the workpiece is rapidly cooled and hardened therein.
  • Such a hot-forming plant and a method for producing hot-formed, hardened workpieces for example, from DE 100 49 660 A1 and from the JP 2007136533A known.
  • the workpieces are hardened in the drawing press by rapid cooling below a predetermined limit temperature.
  • the workpieces are therefore transferred after press hardening to a fixing tool or step by step to a plurality of fixing tools connected in series.
  • the fixing tools the formed workpieces are fixed and thereby further cooled.
  • a cooling medium can be used for cooling the fixing tool or for direct cooling of the workpieces. If the temperature of the workpieces has fallen far enough, they can be fed to a further treatment.
  • the cycle times of the drawing press can be limited by the at least one of the drawing press downstream fixing tool.
  • the invention is therefore based on the object of designing and further developing a method and a hot-forming installation in such a way that, in particular, high quantities of hardened, hot-formed workpieces can be produced more cost-effectively.
  • a workpiece blank is first brought to the required forming temperature in at least one furnace.
  • the forming temperature to be achieved depends on the desired structural composition of the workpiece before and after curing.
  • workpiece blank comes in particular a blank of a steel sheet in question.
  • a blank is also referred to as a board.
  • the circuit board or the semifinished product can be monolithic but also designed as a tailored blank, which combines steels of different thicknesses and / or grades.
  • the material blank after it has been heated to the forming temperature, passed by means of a transfer device provided for this purpose to a drawing press.
  • the drawing press the workpiece blank is then formed in a conventional manner.
  • the result is a so-called drawn part or molded part.
  • the workpiece blank is preferably brought between two drawing tools, which are pressed under high pressure from both sides against the workpiece blank.
  • the drawing tools are about a die and a patrix.
  • the hot-formed workpiece can cool to some degree in the drawing press. However, the formed workpiece is not cured in the drawing press.
  • the workpiece is removed after forming the drawing press and transferred by means of another transfer device to a hardening device.
  • the formed workpiece is accommodated in a receptacle of the hardening device, whose geometry is adapted to the geometry of the formed workpiece, so that the formed workpiece is fixed in the receptacle during hardening.
  • the formed workpiece does not have to rest continuously on the receptacle.
  • the workpiece is at least partially cured in the receptacle, essentially by direct heat exchange with a cooling medium.
  • the recording is included designed such that the cooling medium can come into direct contact with the formed workpiece. It is less the recording as such cooled, but rather the workpiece.
  • the workpieces do not have to remain longer than necessary in the drawing press.
  • the drawing press can therefore be operated more economically with higher cycle times.
  • the formed workpieces are transferred to a hardening device for hardening. Since no further reshaping of the workpieces takes place in the hardening device, the hardening device can be made simpler and cheaper than the drawing press.
  • the direct heat exchange between the cooling medium and the formed workpiece allows a time savings preferably in terms of curing and possibly further cooling to a temperature that does not interfere with the further handling of the workpieces.
  • an oven or a plurality of ovens may be used for heating the workpiece blank to forming temperature be provided, which then passes through the workpiece blank in succession.
  • the temperature rise of the workpiece blank can be better adjusted during the heating process.
  • the entire workpiece blank can be brought to the desired forming temperature, thereby reducing the apparatus and process engineering effort.
  • only the areas of the workpiece blank to be hardened can be brought to the forming temperature. This can be useful for subsequent processing steps of the workpiece. For example, only the areas of the workpiece can be brought to forming temperature, which should be cured later.
  • the non-hardening areas of the workpiece are then approximately those areas which are perforated and / or separated after the partial hardening of the workpiece, for example by a punching and / or cutting tool.
  • the workpiece blank in the oven can, if necessary, be heated substantially by heat conduction, heat radiation and / or induction.
  • the workpiece blank is heated in at least one roller hearth furnace to forming temperature.
  • the heating of the workpiece blank can be done continuously.
  • conductive heating devices are also conceivable which heat the board to be tempered by means of contact and a current application, for example in the manner of a "waffle iron".
  • the drawing dies of the drawing press can be cooled, for example, via a cooling medium flowing through channels arranged in the drawing dies without contact with the workpiece. As a result, heat is extracted from the workpiece during forming, so that the time required for the overall process can be shortened. By cooling in the drawing press, however, the workpiece is not yet cured.
  • cooling medium depends on various factors.
  • different cooling media can be used in the drawing press and in the hardening device.
  • such cooling media are preferred, which can escape the workpiece much heat per unit time.
  • the cooling medium is suitable for cleaning the surface of the workpiece, for example of adhering substances.
  • water, oil, a water / oil mixture, a water / graphite mixture, ice, air, steam and / or a soap solution come as a cooling medium in question.
  • the workpiece blank is heated to a forming temperature which is above the austenitizing temperature of the workpiece blank or its material. This allows high strength values of the formed and hardened workpieces.
  • the quality of the material can be improved by first precooling the workpiece blank in the air after it has left the furnace and before being introduced into the drawing press becomes.
  • Pre-cooling in the air may preferably last about 4 to 10 seconds, especially 5 to 7 seconds. This pre-cooling in air has no negative influence on the desired properties to be set in the finished component in the aforementioned limits.
  • the hot forming plant may comprise a plurality of drawing presses, wherein the workpiece blank is gradually formed in the drawing presses.
  • workpieces can also be produced with elaborate geometric structures.
  • the temperature of the formed workpiece is then still high enough to be cured in the curing device by rapid cooling.
  • the formed workpiece is partially circulated directly by the cooling medium in the receptacle of the hardening device.
  • the cooling medium is thus conveyed in sections along the workpiece located in the receptacle. In this way, the workpiece can be withdrawn in a short time a large amount of heat.
  • the receptacle of the hardening device has channels through which the cooling medium can flow. These Channels are provided such that they allow at least partial hardening of the formed workpiece by direct heat exchange with the cooling medium.
  • the cooling medium is preferably passed on the one hand through channels to the workpiece or to certain sections of the workpiece. On the other hand, the cooling medium after contact with the workpiece is preferably transported away again by other channels.
  • channels allows a targeted flow of the cooling medium, whereby only certain areas of the workpiece can be brought into contact with the cooling medium.
  • only certain areas of the workpiece can be hardened, while other areas remain uncured as a result of lower and / or slower cooling.
  • the channels are formed so that the workpiece located in the receptacle closes the channels at least on one side.
  • the receptacle is designed such that always at least on one side of the workpiece, a contact surface between the workpiece and recording is provided. This allows the workpiece in the recording consistently - if more or less one-sided - be fixed.
  • a channel is always provided in the receptacle at least on one side of the workpiece. So can the workpiece in analog Way consistently - although more or less one-sided - cooled.
  • the channels of the recording are substantially opposite, i. on the other side of the workpiece, in each case one contact surface of the receptacle is assigned.
  • the receptacle has two channels having halves.
  • channels and bearing surfaces between the workpiece and the recording can be alternately provided on each side of the workpiece. This serves a uniform cooling and a uniform fixation of the workpiece.
  • the workpiece is not to be cooled uniformly, it may be provided that only certain areas, preferably the areas to be hardened, are rapidly cooled by direct heat exchange with the cooling medium. The others, such as the non-hardening, areas preferably do not come into direct contact with the cooling medium, whereby the workpieces cools there more slowly.
  • channels can be provided in the receptacle at least on one side of the workpiece only in the areas to be rapidly cooled or hardened. In these areas, more preferably, each channel of the receptacle lying opposite, ie on the other side of the workpiece, a contact surface of the receptacle may be arranged. In the remaining areas, that is, at the portions of the workpiece that are not so quickly cooled, the workpiece is preferably fixed from both sides by contact surfaces between the holder and the workpiece.
  • the workpiece is at least partially cut in the at least one drawing press during the forming process. In this way synergies can be created or used. It can be carried out in this way, the trimming at least partially at a time at which the workpiece is still uncured.
  • the portions of the workpiece to be trimmed may not be cured in the hardening device, as required, in contrast to the remaining portions of the workpiece.
  • the trimming of the workpiece after hardening of the formed workpiece can be simplified and higher Workpiece life can be achieved in the trimmer.
  • the sections or areas to be trimmed which are not to be hardened can be kept away from the cooling medium in the hardening device. It comes at the said sections to no direct heat exchange with the cooling medium.
  • these sections and / or areas can not be brought into contact with the drawing tools at most slightly.
  • the sections to be trimmed and / or areas not to be cured in the drawing press can not or only slightly, ie preferably partially, be pressed between the drawing tools.
  • the invention aims at hardening the workpiece in order to set high strengths in the finished component.
  • the at least partially to be cured areas or areas to be annealed need not necessarily have a substantially martensitic structure, but it can also be set another structure, such as bainitic or a mixed structure that allows an increase in toughness with reduced strength.
  • the targeted adjustment of the structure can be done via the parameters of the curing device, such as temperature and speed of the cooling medium.
  • FIG. 1 A hot forming plant 1 for carrying out a method for producing a hot-formed and hardened workpiece 2 is shown schematically.
  • This workpiece 2 can be a body component, such as suspension arms, side impact beams, bending beams, B-pillar, A-pillar or roof frame.
  • the hot forming plant 1 comprises a punching press 3 for cutting off steel sheet blanks, so-called blanks, from a steel sheet strip.
  • the steel strip S is unwound from a coil C and consists of a manganese-boron steel, preferably (AlSi-22MnB5). But there are others too Steel sheets, but also other surface coatings that are organic and / or metallic (zinc-based) conceivable.
  • the workpiece blanks 2 ' which are buffer-stored on a stack in the form of blanks, are successively introduced into a furnace 5, which is a roller hearth furnace, by a transfer device 4 designed as a robotic arm in the illustrated hot-forming plant 1.
  • the workpiece blanks 2 ' are heated to a forming temperature which is greater than the austenitizing temperature of the material of the workpiece blank 2'.
  • the austenitizing temperature is at least about 730 ° C.
  • the conversion of manganese-boron steel sheet from ferrite to austenite occurs between about 730 ° C and about 830 ° C.
  • the workpiece blank 2' in the furnace 5 is heated to a forming temperature of 880 ° C - 950 ° C.
  • the workpiece blank 2 ' can be kept at the austenitizing temperature for a certain time (holding time) in order to ensure a uniform transformation into austenite. If required, this can also be achieved by using a plurality of ovens, which pass through the workpiece blank in succession.
  • the heated to forming temperature workpiece blank 2 ' is passed through a further transfer device 6 to a drawing press 7.
  • the illustrated hot-forming plant 1 is once again a robot arm. But other transfer facilities are also conceivable.
  • the workpiece blank 2 ' is pre-cooled in the air for about 6 seconds, the temperature of the workpiece blank 2' being reduced to about 820 ° C.
  • the flat workpiece blank 2 ' is reshaped by pressing in the drawing press 7 the workpiece blank 2' between two drawing tools 8, 9, a male part and a female part.
  • its temperature can be reduced by heat release to the drawing tools 8,9 more or less significantly.
  • the drawing tools 8,9 are not forcibly cooled in the illustrated hot forming plant 1 via a cooling medium or the like.
  • the workpiece 2 is forwarded by a transfer device (not shown) to a hardening device 10.
  • This transfer device can in turn be designed as a robot arm or as another device.
  • the workpiece 2 is received in the curing device 10 in a receptacle 11, which consists of two halves 12,13.
  • the two halves 12,13 cooperate so that the workpiece 2 is fixed in the closed receptacle 11, so that the formed workpiece 2 can not deform during curing.
  • the workpiece 2 is hardened in the receptacle 11 by direct contact and thus direct heat exchange with a coolant (not shown). Both in the upper and in the lower half 12,13 of the receptacle 11 are channels 14 and holes 15,15 'introduced to direct the cooling medium to the surface of the workpiece 2 and after heat exchange dissipate again.
  • the workpiece is cooled in the illustrated method from about 520 ° C to below 200 ° C in about 4 seconds.
  • the hardened, formed workpiece 2 is passed on to a trimming device 16 in the illustrated hot-forming plant 1. There, parts of the workpiece 2 are cut off. In the trimmer 16, the temperature of the workpiece 2 further decreases by heat release to the air and the trimmer 16.
  • the temperature profile of the workpiece 2 is shown as a temperature-time diagram during some of the process steps described above. This temperature profile is for better illustration. In principle, deviations from this temperature profile both in terms of time and with respect to the temperatures of the workpiece 2 in the individual processing steps are possible.
  • the workpiece blank 2 ' is first heated to a temperature of about 900 ° C.
  • This heating phase of the workpiece blank 2 ' is not shown in the temperature-time diagram. If desired, the heating phase can be carried out with a steadily decreasing temperature gradient or a constant temperature gradient. It is also conceivable that the temperature of the workpiece blank 2 'is maintained during the heating approximately in the transition region to the austenite of about 730 ° C to 830 ° C for a certain time.
  • the heating phase is then followed by a pre-cooling phase I in which the workpiece blank 2 'cools from about 900 ° C. to about 820 ° C. in air in about 6 seconds before the workpiece blank 2' is formed in the drawing press 7.
  • a pre-cooling phase II the temperature drops to about 520 ° C for about 2 seconds.
  • a phase V is still provided, in which the workpiece 2 is transferred to a trimming device 16 and cut there. This phase lasts about another 4 seconds.
  • the temperature of the workpiece 2 hardly changes.
  • the workpiece 2 can therefore already be ready shredded about 19 seconds after removal from the oven 5 delivered to a finishing plant.
  • a temperature profile of a workpiece is shown as a temperature-time diagram, which is processed in a conventional manner.
  • the workpiece blank is heated to a temperature of about 900 ° C to be formed about 7 seconds after removal from the oven.
  • the forming and the hardening of the workpiece take place in parallel in a device for press hardening with drawing tools, which are cooled near the surface by means of a cooling medium and thus extract heat from the workpiece.
  • This process step takes about 12 seconds and is therefore completed about 19 seconds after the workpiece has been removed from the oven. A trimming of the workpiece is in this Time span has not yet occurred. This requires a separate procedure.
  • Fig. 4a to 4d are the individual tools in the Fig. 1 illustrated hot forming plant 1 shown.
  • the furnace 5 is shown, in the furnace chamber 17, a flat workpiece blank 2 'is introduced to be heated to forming temperature. It is a sheet steel plate.
  • the drawing tools 8.9 of the drawing press 7 are shown. The drawing tools 8,9 are in an open position.
  • the male mold forms the workpiece blank 2 'around the die and thus creates a workpiece 2 in the form of a molded part or drawn part.
  • Fig. 4c the two halves 12, 13 of a receptacle 11 of a hardening device 10 are shown, which will be described in more detail below.
  • a trimming device 16 is shown in which the two outer ends of the deformed and hardened workpiece 2 are cut off.
  • the receptacle 11 of the curing device 10 is shown in an open and in a closed position.
  • the receptacle 11 consists of an upper and a lower half 12,13.
  • the recording could also consist of several parts or be formed in one piece.
  • On both halves 12,13 of the receptacle 11 outwardly open channels 14 are provided. These channels 14 are closed in the closed position of the receptacle 11 by the workpiece 2 received therein, so that a cooling medium can circulate in the channels 14.
  • the cooling medium is supplied via only schematically illustrated holes 15,15 ', which are in communication with the channels 14, and discharged again.
  • the sections of the workpiece 2, which is not a close in the receptacle 11 existing channel 14, abut contact surfaces 18 on the receptacle 11 and one of the halves 12,13 of the receptacle 11 at.
  • the channels are provided distributed only over a region to be hardened 19 of the workpiece 2.
  • the edges 20 of the workpiece 2 are not hardened. There, the workpiece 2 does not come in contact with the cooling medium.
  • the workpiece 2 is in the closed position of the receptacle 11 and filled with cooling medium channels 14 at least from one side, ie from above or below, in contact with the cooling medium. In the area to be hardened 19, the workpiece 2 is thus cooled everywhere either from above or from below via direct heat exchange with the cooling medium.
  • the channels 14 of the one half 12,13 of the receptacle 11 are on the other half 13,12 of the receptacle 11 contact surfaces 18 against.
  • the workpiece 2 is as it were fixed either from above or from below via the contact surfaces 18 of the receptacle 11.
  • the workpiece 2 is in each case continuously on the contact surfaces 18 of both halves 12,13 of the receptacle 11 at.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten, warm umgeformten Werkstücks aus Stahlblech, bei dem ein Werkstückrohling in wenigstens einem Ofen wenigstens partiell bis auf eine Umformtemperatur erwärmt wird, bei dem der erwärmte Werkstückrohling in wenigstens eine Ziehpresse eingebracht wird und bei dem der erwärmte Werkstückrohling in der wenigstens einen Ziehpresse zu einem Werkstück umgeformt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Warmumformanlage zur Herstellung eines gehärteten umgeformten Werkstücks aus Stahl, mit einem Ofen zum wenigstens partiellen Erwärmen eines Werkstückrohlings auf eine Umformtemperatur, mit einer Ziehpresse zum Umformen des Werkstückrohlings und mit einer Übergabeeinrichtung zur Übergabe des erwärmten Werkstückrohlings vom Ofen an die Ziehpresse.
  • Derartige Anlagen dienen beispielsweise der Herstellung von hochfesten Karosserieteilen aus Stahlblech. Warmumformanlagen weisen typischerweise eine Ofenanlage zum Erwärmen der Werkstückrohlinge sowie eine Pressenanlage zum Umformen und Härten der Werkstückrohlinge auf. Nach dem Erwärmen der Werkstückrohlinge auf eine vorbestimmte Umformtemperatur werden diese der Ofenanlage entnommen und in eine Ziehpresse eingelegt. Die Werkzeuge der Ziehpresse werden über ein Kühlmedium gekühlt, so dass das Werkstück darin rasch abgekühlt und dabei gehärtet wird. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Presshärten der Werkstücke.
  • Eine solche Warmumformanlage und ein Verfahren zum Herstellen von warm umgeformten, gehärteten Werkstücken ist beispielsweise aus der DE 100 49 660 Al und aus der JP 2007136533A bekannt. Die Werkstücke werden dabei in der Ziehpresse durch rasche Abkühlung unter eine vorgegebene Grenztemperatur gehärtet. Die Temperatur der Werkstücke ist nach dem Verlassen der Ziehpresse aber noch zu hoch, um die Werkstücke unmittelbar weiterbearbeiten oder problemlos handhaben zu können. Die Werkstücke werden nach dem Presshärten daher an ein Fixierwerkzeug oder schrittweise an mehrere hintereinander geschaltete Fixierwerkzeuge übergeben. In den Fixierwerkzeugen werden die umgeformten Werkstücke fixiert und dabei weiter abgekühlt. Hierzu kann ein Kühlmedium zur Kühlung des Fixierwerkzeugs oder zur direkten Kühlung der Werkstücke verwendet werden. Ist die Temperatur der Werkstücke weit genug gesunken, können diese einer Weiterbehandlung zugeführt werden.
  • Bei dem bekannten Verfahren können die Taktzeiten der Ziehpresse durch das wenigstens eine der Ziehpresse nachgeschaltete Fixierwerkzeug begrenzt werden. Es besteht aber weiterer Optimierungsbedarf zur Verringerung der Herstellungskosten warm umgeformter und gehärteter Werkstücke, etwa als Karosseriebauteil.
  • Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Warmumformanlage derart auszugestalten und weiterzubilden, dass insbesondere hohe Stückzahlen gehärteter, warm umgeformter Werkstücke kostengünstiger hergestellt werden können.
  • Diese Aufgabe ist sowohl durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 als auch durch eine Warmumformanlage gemäß Anspruch 10 gelöst.
  • Zur Herstellung eines warm umgeformten und gehärteten Werkstücks wird also zunächst ein Werkstückrohling in wenigsten einem Ofen auf die erforderliche Umformtemperatur gebracht. Die zu erreichende Umformtemperatur ist von der gewünschten Gefügezusammensetzung des Werkstücks vor und nach dem Härten abhängig. Als Werkstückrohling kommt insbesondere ein Zuschnitt eines Stahlblechs in Frage. Ein solcher Zuschnitt wird auch als Platine bezeichnet. Die Platine bzw. das Halbzeug kann monolithisch aber auch als Tailored Blank ausgebildet sein, das Stähle unterschiedlicher Dicken und/oder Güten vereint.
  • Der Werkstoffrohling wird, nachdem dieser auf die Umformtemperatur erwärmt worden ist, mittels einer dafür vorgesehenen Übergabeeinrichtung an eine Ziehpresse übergeben. In der Ziehpresse wird der Werkstückrohling dann in an sich bekannter Weise umgeformt. Es entsteht ein sogenanntes Ziehteil oder Formteil. Dazu wird der Werkstückrohling vorzugsweise zwischen zwei Ziehwerkzeuge gebracht, welche unter hohem Druck von beiden Seiten gegen den Werkstückrohling gepresst werden. Bei den Ziehwerkzeugen handelt es sich etwa um eine Matrize und eine Patrize.
  • Das warm umgeformte Werkstück kann in der Ziehpresse bis zu einem gewissen Grad abkühlen. Das umgeformte Werkstück wird in der Ziehpresse jedoch nicht gehärtet. Das Werkstück wird nach dem Umformen der Ziehpresse entnommen und mittels einer weiteren Übergabeeinrichtung an eine Härteinrichtung übergeben. Dabei wird das umgeformte Werkstück in einer Aufnahme der Härteinrichtung aufgenommen, deren Geometrie an die Geometrie des umgeformten Werkstücks angepasst ist, so dass das umgeformte Werkstück während des Härtens in der Aufnahme fixiert ist. Das umgeformte Werkstück muss dazu nicht durchgängig an der Aufnahme anliegen.
  • Das Werkstück wird in der Aufnahme wenigstens partiell gehärtet, und zwar im Wesentlichen durch direkten Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium. Die Aufnahme ist dabei derart ausgebildet, dass das Kühlmedium in direkten Kontakt mit dem umgeformten Werkstück gelangen kann. Es wird also weniger die Aufnahme als solche gekühlt, als vielmehr das Werkstück.
  • Erfindungsgemäß ist also eine räumliche und zeitliche Trennung zwischen der Umformung des warmen Werkstückrohlings und der Härtung des umgeformten Werkstücks vorgesehen. Diese beiden Prozessschritte werden in unterschiedlichen Anlagenteilen mit unterschiedlichen Werkzeugen durchgeführt. Dadurch wird zwar der apparative und prozesstechnische Aufwand erhöht. Allerdings können auf diese Weise kürzere Taktzeiten für die Herstellung der warm umgeformten und gehärteten Werkstücke insgesamt realisiert werden, wodurch sich die Wirtschaftlichkeit der Herstellung warm umgeformter und gehärteter Werkstücke insgesamt verbessert.
  • Die Werkstücke müssen nicht länger als nötig in der Ziehpresse verbleiben. Die Ziehpresse kann also mit höheren Taktzeiten wirtschaftlicher betrieben werden. Als Ausgleich werden die umgeformten Werkstücke zum Härten an eine Härteinrichtung übergeben. Da in der Härteinrichtung keine weitere Umformung der Werkstücke mehr erfolgt, kann die Härteinrichtung einfacher und kostengünstiger ausgestaltet werden als die Ziehpresse. Zudem erlaubt der direkte Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmedium und dem umgeformten Werkstück eine Zeitersparnis vorzugsweise hinsichtlich des Härtens und ggf. des weiteren Abkühlens auf eine Temperatur, die der weiteren Handhabung der Werkstücke nicht im Wege steht.
  • Bedarfsweise kann für das Erwärmen des Werkstückrohlings auf Umformtemperatur ein Ofen oder eine Mehrzahl von Öfen vorgesehen sein, die der Werkstückrohling dann nacheinander durchläuft. Durch eine Mehrzahl von Öfen kann der Temperaturanstieg des Werkstückrohlings während des Aufheizvorgangs besser eingestellt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der gesamte Werkstückrohling auf die gewünschte Umformtemperatur gebracht werden, wodurch sich der apparative und prozesstechnische Aufwand verringert. Es können aber auch nur die zu härtenden Bereiche des Werkstückrohlings auf die Umformtemperatur gebracht werden. Dies kann für nachfolgende Bearbeitungsschritte des Werkstücks zweckmäßig sein. So können beispielsweise nur die Bereiche des Werkstücks auf Umformtemperatur gebracht werden, die später auch gehärtet werden sollen. Die nicht zu härtenden Bereiche des Werkstücks sind dann etwa solche Bereiche, die nach dem partiellen Härten des Werkstücks, etwa durch ein Loch- und/oder Schneidwerkzeug gelocht und/oder abgetrennt werden.
  • Um eine effiziente und gleichmäßige Erwärmung des Werkstückrohlings zu erreichen, kann der Werkstückrohling im Ofen bedarfsweise im Wesentlichen durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und/oder Induktion erwärmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Werkstückrohling in wenigstens einem Rollenherdofen auf Umformtemperatur erwärmt wird. Die Erwärmung des Werkstückrohlings kann so kontinuierlich erfolgen. Denkbar sind aber auch konduktive Erwärmungsvorrichtungen, die mittels Kontakt und einer Strombeaufschlagung die zu vergütende Platine erwärmen, beispielsweise nach Art eines "Waffeleisens".
  • Die Ziehwerkzeuge der Ziehpresse können etwa über ein Kühlmedium, das durch in den Ziehwerkzeugen angeordnete Kanäle ohne Kontakt mit dem Werkstück strömt, gekühlt werden. Dadurch wird dem Werkstück beim Umformen zusätzlich Wärme entzogen, so dass die für das Gesamtverfahren benötigte Zeitspanne verkürzt werden kann. Durch die Abkühlung in der Ziehpresse wird das Werkstück jedoch noch nicht gehärtet.
  • Die Wahl eines geeigneten Kühlmediums ist von verschiedenen Faktoren abhängig. In der Ziehpresse und in der Härteinrichtung können zudem unterschiedliche Kühlmedien zum Einsatz kommen. Insbesondere im Hinblick auf die Härteinrichtung sind jedoch solche Kühlmedien bevorzugt, welche dem Werkstück viel Wärme pro Zeiteinheit entziehen können. Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn das Kühlmedium geeignet ist, die Oberfläche des Werkstücks, etwa von anhaftenden Stoffen, zu reinigen. Letztlich kommt als Kühlmedium beispielsweise Wasser, Öl, ein Wasser/Öl-Gemisch, ein Wasser/Graphit-Gemisch, Eis, Luft, Dampf und/oder eine Seifenlösung in Frage.
  • Bei einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Werkstückrohling auf eine Umformtemperatur erwärmt wird, die oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Werkstückrohlings bzw. dessen Werkstoffs liegt. Dies ermöglicht hohe Festigkeitswerte der umgeformten und gehärteten Werkstücke.
  • Die Qualität des Werkstoffs kann bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens dadurch verbessert werden, dass der Werkstückrohling nach dem Verlassen des Ofens und vor dem Einbringen in die Ziehpresse zunächst an der Luft vorgekühlt wird. Das Vorkühlen an der Luft kann vorzugsweise etwa 4 bis 10 Sekunden, insbesondere 5 bis 7 Sekunden, andauern. Dieses Vorkühlen an Luft hat in den vorgenannten Grenzen keinen negativen Einfluss auf die gewünschten einzustellenden Eigenschaften im fertigen Bauteil.
  • Bedarfsweise kann die Warmumformanlage eine Mehrzahl von Ziehpressen umfassen, wobei der Werkstückrohling in den Ziehpressen schrittweise umgeformt wird. Auf diese Weise können Werkstücke auch mit aufwändigen geometrischen Strukturen hergestellt werden. Dabei bietet es sich jedoch an, wenn das Werkstück schnell von Ziehpresse zu Ziehpresse übergeben wird und nur für kurze Taktzeiten in den Ziehpressen verweilt. Die Temperatur des umgeformten Werkstücks ist dann noch hoch genug, um in der Härteinrichtung durch rasche Abkühlung gehärtet zu werden. Vorzugsweise liegt die Temperatur eines zu härtenden Werkstücks, das ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge aufweisen soll, bei ≥ Ms + 10K (Ms = Martensit-Start). Die rasche Abkühlung. Die oberhalb der kritischen Abkühlrate liegt, führt zu hohen Festigkeiten im Bauteil, wenn die Abkühlung auf eine Temperatur von unterhalb 250°C, vorzugsweise Mf (Mf = Martensit-Finish).
  • Erfindungsgemäß wird das umgeformte Werkstück in der Aufnahme der Härteinrichtung partiell vom Kühlmedium direkt umströmt. Das Kühlmedium wird also abschnittsweise entlang des in der Aufnahme befindlichen Werkstücks gefördert. Auf diese Weise kann dem Werkstück in kurzer Zeit eine große Wärmemenge entzogen werden.
  • Erfingungsgemäß weist die Aufnahme der Härteinrichtung Kanäle auf, die von dem Kühlmedium durchströmt werden können. Diese Kanäle sind dabei derart vorgesehen, dass diese das wenigstens partielle Härten des umgeformten Werkstücks durch direkten Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium ermöglichen. Das Kühlmedium wird vorzugsweise einerseits durch Kanäle zum Werkstück bzw. zu bestimmten Abschnitten des Werkstücks geleitet. Andererseits wird das Kühlmedium nach dem Kontakt mit dem Werkstück vorzugsweise wieder durch andere Kanäle abtransportiert.
  • Die Verwendung von Kanälen erlaubt eine gezielte Strömung des Kühlmediums, wobei auch nur bestimmte Bereiche des Werkstücks mit dem Kühlmedium in Kontakt gebracht werden können. Es können so beispielsweise lediglich bestimmte Bereiche des Werkstücks gehärtet werden, während andere Bereiche infolge einer geringeren und/oder langsameren Abkühlung ungehärtet bleiben.
  • In konstruktiv einfacher Weise sind die Kanäle so ausgebildet, dass das in der Aufnahme befindliche Werkstück die Kanäle wenigstens einseitig verschließt.
  • Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Warmumformanlage ist die Aufnahme derart ausgebildet, dass immer wenigstens auf einer Seite des Werkstücks eine Anlagefläche zwischen Werkstück und Aufnahme vorgesehen ist. Dadurch kann das Werkstück in der Aufnahme durchgängig - wenn auch mehr oder weniger einseitig - fixiert werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass immer wenigstens auf einer Seite des Werkstücks ein Kanal in der Aufnahme vorgesehen ist. So kann das Werkstück in analoger Weise durchgängig - wenn auch mehr oder weniger einseitig - gekühlt werden.
  • Besonders zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang, wenn den Kanälen der Aufnahme im Wesentlichen gegenüber, d.h. auf der anderen Seite des Werkstücks, jeweils eine Anlagefläche der Aufnahme zugeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß weist die Aufnahme zwei Kanäle aufweisende Hälften auf. So können auf jeder Seite des Werkstücks abwechselnd Kanäle sowie Anlageflächen zwischen dem Werkstück und der Aufnahme vorgesehen sein. Dies dient einer gleichmäßigen Abkühlung und einer gleichmäßigen Fixierung des Werkstücks.
  • Für den Fall, dass das Werkstück nicht gleichmäßig abgekühlt werden soll, kann vorgesehen sein, dass lediglich bestimmte, vorzugsweise die zu härtenden, Bereiche durch direkten Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium rasch abgekühlt werden. Die übrigen, etwa die nicht zu härtenden, Bereiche gelangen vorzugsweise nicht in direkten Kontakt mit dem Kühlmedium, wodurch das Werkstücke dort langsamer abkühlt.
  • In diesem Fall können lediglich in den rasch abzukühlenden bzw. zu härtenden Bereichen wenigstens auf einer Seite des Werkstücks Kanäle in der Aufnahme vorgesehen sein. In diesen Bereichen kann weiter bevorzugt jedem Kanal der Aufnahme gegenüber liegend, d.h. auf der anderen Seite des Werkstücks, eine Anlagefläche der Aufnahme angeordnet sein. In den übrigen Bereichen, also an den nicht so rasch abzukühlenden Abschnitten des Werkstücks, wird das Werkstück vorzugsweise von beiden Seiten durch Anlageflächen zwischen der Aufnahme und dem Werkstück fixiert.
  • Eine weitere zeitliche und kostenmäßige Optimierung des Verfahrens zur Herstellung von warm umgeformten und gehärteten Werkstücken kann bedarfsweise erreicht werden, wenn das umgeformte und gehärtete Werkstück unmittelbar nachdem es aus der Härteinrichtung entnommen worden ist, in eine Beschneideinrichtung eingebracht und dort wenigstens teilweise beschnitten wird. Dieser zusätzliche Prozessschritt kann vorzugsweise deshalb in das Verfahren integriert, also inline, durchgeführt werden, weil durch die Beschleunigung der dem Beschneiden vorangehenden Prozessschritte Zeit eingespart wird. Es ist dann kein räumlich und zeitlich entkoppeltes Verfahren zum Beschneiden des Werkstücks erforderlich. Die Definition des Begriffs "Beschnitt" kann beispielsweise als Rund-, Teil- und/oder Lochbeschnitt als Trennoperation gesehen werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Werkstück während des Umformens also in der wenigstens einen Ziehpresse wenigstens teilweise beschnitten wird. Auf diese Weise können Synergien geschaffen bzw. genutzt werden. Es kann auf diese Weise das Beschneiden wenigstens teilweise auch zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, an dem das Werkstück noch ungehärtet ist.
  • Die zu beschneidenden Abschnitte des Werkstücks können bedarfsweise im Gegensatz zu den übrigen Abschnitten des Werkstücks in der Härteinrichtung nicht gehärtet werden. So kann das Beschneiden des Werkstücks nach dem Härten des umgeformten Werkstücks vereinfacht und es können höhere Werkstückstandzeiten in der Beschneideinrichtung erreicht werden.
  • Dazu können die zu beschneidenden Abschnitte oder Bereiche, die nicht gehärtet werden sollen, in der Härteinrichtung vom Kühlmedium ferngehalten werden. Es kommt also an den genannten Abschnitten zu keinem direkten Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium.
  • Um zusätzlich oder alternativ eine erhöhte Abkühlung der zu beschneidenden Abschnitte und/oder nicht zu härtenden Bereiche des Werkstücks während des Umformens desselben zu vermeiden, können diese Abschnitte und/oder Bereiche nicht öder höchstens geringfügig mit den Ziehwerkzeugen in Kontakt gebracht werden. Mit anderen Worten können die zu beschneidenden Abschnitte und/oder nicht zu härtenden Bereiche in der Ziehpresse nicht oder nur geringfügig, also vorzugsweise partiell, zwischen den Ziehwerkzeugen gepresst werden.
  • Die Erfindung zielt auf ein Härten des Werkstücks ab, um hohe Festigkeiten im fertigen Bauteil einzustellen. Die mindestens partiell zu härtenden Bereiche bzw. zu vergütenden Bereiche müssen nicht unbedingt im Wesentlichen ein martensitisches Gefüge aufweisen, sondern es kann auch ein anderes Gefüge eingestellt werden, beispielsweise bainitisch bzw. ein Mischgefüge, das eine Erhöhung der Zähigkeit bei verminderter Festigkeit ermöglicht. Die gezielte Einstellung des Gefüges kann über die Parameter der Härtungseinrichtung erfolgen, wie beispielsweise Temperatur und Geschwindigkeit des Kühlmediums.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigt
    • Fig. 1
    ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Warmumformanlage,
    Fig. 2
    ein Temperatur-Zeit-Diagramm für ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Fig. 3
    ein Temperatur-Zeit-Diagramm für ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren,
    Fig. 4a-4d
    Werkzeuge der Warmumformanlage gemäß Fig. 1 in schematischer Darstellung und
    Fig. 5a-5b
    eine schematische Detaildarstellung der Aufnahme der Härteinrichtung aus Fig. 1.
  • In Fig. ist schematisch eine Warmumformanlage 1 zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines warm umgeformten und gehärteten Werkstücks 2 dargestellt. Bei diesem Werkstück 2 kann es sich um ein Karosseriebauteil, wie Fahrwerkslenker, Seitenaufprallträger, Biegeträger, B-Säule, A-Säule oder Dachrahmen, handeln.
  • Die Warmumformanlage 1 umfasst eine Stanzpresse 3 zum Abtrennen von Stahlblechzuschnitten, sogenannten Platinen, von einem Stahlblechband. Das Stahlblechband S wird von einem Coil C abgewickelt und besteht aus einem Mangan-Bor-Stahl, vorzugsweise (AlSi-22MnB5). Es sind jedoch auch andere Stahlbleche, aber auch andere Oberflächenbeschichtungen, die organisch und/oder metallisch (Zink-Basis) sind, denkbar.
  • Die auf einem Stapel zwischengepufferten Werkstückrohlinge 2' in Form von Platinen werden von einer bei der dargestellten Warmumformanlage 1 als Roboterarm ausgebildeten Übergabeeinrichtung 4 nacheinander in einen Ofen 5 eingebracht, bei dem es sich um einen Rollenherdofen handelt. In dem Ofen 5 werden die Werkstückrohlinge 2' auf eine Umformtemperatur erwärmt, die größer als die Austenitisierungstemperatur des Werkstoffs des Werkstückrohlings 2' ist. Beim dargestellten Verfahren liegt die Austenitisierungstemperatur bei wenigstens ca. 730°C. Die Umwandlung des Mangan-Bor-Stahlblechs von Ferrit zu Austenit erfolgt zwischen ca. 730°C und ca. 830°C. Um eine zuverlässige Austenitisierung des Werkstückrohlings 2' und eine zuverlässige Härtung des umgeformten Werkstücks 2 sicherzustellen, wird der Werkstückrohling 2' im Ofen 5 auf eine Umformtemperatur von 880°C - 950°C erwärmt.
  • Beim Erwärmen des Werkstückrohlings 2' kann dieser über eine gewisse Zeit (Haltezeit) auf der Austenitisierungstemperatur gehalten werden, um eine gleichmäßige Umwandlung in Austenit zu gewährleisten. Dies kann bedarfsweise auch durch Verwendung mehrerer von dem Werkstückrohling hintereinander durchlaufener Öfen erreicht werden.
  • Der auf Umformtemperatur erwärmte Werkstückrohling 2' wird durch eine weitere Übergabeeinrichtung 6 an eine Ziehpresse 7 übergeben. Bei der Übergabeeinrichtung 6 handelt es sich bei der dargestellten Warmumformanlage 1 wiederum um einen Roboterarm. Andere Übergabeeinrichtungen sind aber ebenfalls denkbar. Bei der Übergabe vom Ofen 5 an die Ziehpresse 7 wird der Werkstückrohling 2' etwa 6 Sekunden an der Luft vorgekühlt, wobei sich die Temperatur des Werkstückrohlings 2' auf ca. 820°C verringert.
  • In der vorzugsweise hydraulisch betriebenen Ziehpresse 7 wird der flache Werkstückrohling 2' umgeformt, indem in der Ziehpresse 7 der Werkstückrohling 2' zwischen zwei Ziehwerkzeugen 8,9, einer Patrize und einer Matrize, verpresst wird. Beim Umformen des Werkstücks 2 kann sich dessen Temperatur durch Wärmeabgabe an die Ziehwerkzeuge 8,9 mehr oder weniger deutlich verringern. Die Ziehwerkzeuge 8,9 sind bei der dargestellten Warmumformanlage 1 nicht über ein Kühlmedium oder dergleichen zwangsgekühlt.
  • Nach dem Umformen wird das Werkstück 2 von einer Übergabeeinrichtung (nicht dargestellt) an eine Härteinrichtung 10 weitergegeben. Diese Übergabeeinrichtung kann wiederum als Roboterarm oder als andere Einrichtung ausgebildet sein. Das Werkstück 2 wird in der Härteinrichtung 10 in einer Aufnahme 11 aufgenommen, die aus zwei Hälften 12,13 besteht. Die beiden Hälften 12,13 wirken so zusammen, dass das Werkstück 2 in der geschlossenen Aufnahme 11 fixiert ist, so dass sich das umgeformte Werkstück 2 beim Härten nicht verformen kann.
  • Gehärtet wird das Werkstück 2 in der Aufnahme 11 durch direkten Kontakt und damit direkten Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel (nicht dargestellt). Sowohl in der oberen als auch in der unteren Hälfte 12,13 der Aufnahme 11 sind Kanäle 14 und Bohrungen 15,15' eingebracht, um das Kühlmedium zur Oberfläche des Werkstücks 2 zu leiten und nach erfolgtem Wärmeaustausch wieder abzuführen. In der Härteinrichtung 10 wird das Werkstück beim dargestellten Verfahren in etwa 4 Sekunden von ca. 520°C auf unter 200°C abgekühlt.
  • Das gehärtete, umgeformte Werkstück 2 wird bei der dargestellten Warmumformanlage 1 an eine Beschneideinrichtung 16 weitergegeben. Dort werden Teile des Werkstücks 2 abgeschnitten. In der Beschneideinrichtung 16 verringert sich die Temperatur des Werkstücks 2 weiter durch Wärmeabgabe an die Luft und die Beschneideinrichtung 16.
  • In der Fig. 2 ist der Temperaturverlauf des Werkstücks 2 als Temperatur-Zeit-Diagramm während einiger der zuvor beschriebenen Prozessschritte dargestellt. Dieser Temperaturverlauf dient der besseren Veranschaulichung. Es sind grundsätzlich Abweichungen von diesem Temperaturverlauf sowohl in zeitlicher Hinsicht als auch hinsichtlich der Temperaturen des Werkstücks 2 bei den einzelnen Bearbeitungsschritten möglich.
  • Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Temperaturverlauf wird zunächst der Werkstückrohling 2' auf eine Temperatur von ca. 900°C erwärmt. Diese Aufheizphase des Werkstückrohlings 2' ist im Temperatur-Zeit-Diagramm nicht dargestellt. Die Aufheizphase kann bedarfsweise mit einem stetig abnehmenden Temperaturgradienten oder einem konstanten Temperaturgradienten durchgeführt werden. Es ist auch denkbar, dass die Temperatur des Werkstückrohlings 2' während des Erwärmens etwa im Übergangsbereich zum Austenit von ca. 730°C bis 830°C über eine gewisse Zeit gehalten wird.
  • Der Aufheizphase schließt sich dann eine Vorkühlphase I an, in der der Werkstückrohling 2' an der Luft in etwa 6 Sekunden von ca. 900°C auf ca. 820°C abkühlt, bevor der Werkstückrohling 2' in der Ziehpresse 7 umgeformt wird. Während der Phase des Umformens II sinkt die Temperatur über ca. 2 Sekunden auf ca. 520°C. Die Phase des Übergebens III des Werkstücks 2 in die Härteinrichtung 10, die etwa 3 Sekunden dauert, kühlt das umgeformte Werkstück 2 nur geringfügig weiter ab. In der anschließenden Phase des Härtens IV erfolgt jedoch eine rasche Abkühlung des Werkstücks 2 auf ca. 180°C, die in etwa 4 Sekunden abgeschlossen ist. Abschließend ist noch eine Phase V vorgesehen, in der das Werkstück 2 an eine Beschneideinrichtung 16 übergeben und dort beschnitten wird. Diese Phase dauert etwa weitere 4 Sekunden. Die Temperatur des Werkstücks 2 ändert sich dabei jedoch kaum. Das Werkstück 2 kann also bereits etwa 19 Sekunden nach der Entnahme aus dem Ofen 5 fertig beschnitten an eine Weiterverarbeitungsanlage abgegeben werden.
  • In der Fig. 3 ist ein Temperaturverlauf eines Werkstücks als Temperatur-Zeit-Diagramm dargestellt, das auf konventionelle Weise bearbeitet wird. Bei diesem Verfahren wird der Werkstückrohling auf eine Temperatur von ca. 900°C erwärmt, um etwa 7 Sekunden nach der Entnahme aus dem Ofen umgeformt zu werden. Dabei erfolgen das Umformen und das Härten des Werkstücks parallel in einer Einrichtung zum Presshärten mit Ziehwerkzeugen, die mittels eines Kühlmediums oberflächennah gekühlt werden und so dem Werkstück Wärme entziehen. Dieser Prozessschritt dauert etwa 12 Sekunden und ist folglich etwa 19 Sekunden nach der Entnahme des Werkstücks aus dem Ofen abgeschlossen. Ein Beschnitt des Werkstücks ist in dieser Zeitspanne noch nicht erfolgt. Hierzu bedarf es eines separaten Verfahrens.
  • In den Fig. 4a bis 4d sind die einzelnen Werkzeuge der in der Fig. 1 dargestellten Warmumformanlage 1 dargestellt. In Fig. 4a ist schematisch der Ofen 5 dargestellt, in dessen Ofenraum 17 ein flacher Werkstückrohling 2' eingebracht ist, um auf Umformtemperatur erwärmt zu werden. Es handelt sich um eine Platine aus Stahlblech. In Fig. 4b sind die Ziehwerkzeuge 8,9 der Ziehpresse 7 dargestellt. Die Ziehwerkzeuge 8,9 befinden sich in einer offenen Stellung. Die Patrize formt den Werkstückrohling 2' um die Matrize und schafft so ein Werkstück 2 in Form eines Formteils bzw. Ziehteils. In Fig. 4c sind die beiden Hälften 12,13 einer Aufnahme 11 einer Härteinrichtung 10 dargestellt, die im Folgenden noch näher beschrieben wird. In Fig. 2b ist eine Beschneideinrichtung 16 dargestellt, in der die beiden äußeren Enden des umgeformten und gehärteten Werkstücks 2 abgeschnitten werden.
  • In den Fig. 5a und 5b ist die Aufnahme 11 der Härteinrichtung 10 in einer offenen und in einer geschlossenen Stellung dargestellt. Die Aufnahme 11 besteht aus einer oberen und einer unteren Hälfte 12,13. Die Aufnahme könnte auch aus mehreren Teilen bestehen oder einteilig ausgebildet sein. An beiden Hälften 12,13 der Aufnahme 11 sind nach außen offene Kanäle 14 vorgesehen. Diese Kanäle 14 werden in geschlossener Stellung der Aufnahme 11 durch das darin aufgenommene Werkstück 2 geschlossen, so dass in den Kanälen 14 ein Kühlmedium zirkulieren kann. Das Kühlmedium wird über lediglich schematisch dargestellte Bohrungen 15,15', welche mit den Kanälen 14 in Verbindung stehen, zu- und wieder abgeführt. Die Abschnitte des Werkstücks 2, welche nicht einen in der Aufnahme 11 vorhandenen Kanal 14 schließen, liegen an Anlageflächen 18 an der Aufnahme 11 bzw. einer der Hälften 12,13 der Aufnahme 11 an.
  • Die Kanäle sind lediglich über einen zu härtenden Bereich 19 des Werkstücks 2 verteilt vorgesehen. Die Ränder 20 des Werkstücks 2 werden nicht gehärtet. Dort kommt das Werkstück 2 nicht mit Kühlmedium in Kontakt. In dem zu härtenden Bereich 19 allerdings ist das Werkstück 2 in geschlossener Stellung der Aufnahme 11 und mit Kühlmedium gefüllten Kanälen 14 wenigstens von einer Seite, also von oben oder unten, in Kontakt mit dem Kühlmedium. Im zu härtenden Bereich 19 wird das Werkstück 2 also überall entweder von oben oder von unten über direkten Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium gekühlt.
  • Den Kanälen 14 der einen Hälfte 12,13 der Aufnahme 11 liegen an der anderen Hälfte 13,12 der Aufnahme 11 Anlageflächen 18 gegenüber. Im zu härtenden Bereich 19 ist das Werkstück 2 gleichsam entweder von oben oder von unten über die Anlageflächen 18 der Aufnahme 11 fixiert. An den Rändern 20, also in den nicht zu härtenden Bereichen des Werkstücks 2, liegt das Werkstück 2 jeweils durchgängig an den Anlageflächen 18 beider Hälften 12,13 der Aufnahme 11 an.
  • Es sind grundsätzlich auch Ausgestaltungen der Aufnahme denkbar, die von der in den Fig. 5a und 5b dargestellten und zuvor näher beschriebenen Aufnahme abweichen.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines gehärteten, warm umgeformten Werkstücks (2) aus Stahlblech,
    - bei dem ein Werkstückrohling (2') in wenigstens einem Ofen (5) wenigstens partiell bis auf eine Umformtemperatur erwärmt wird,
    - bei dem der erwärmte Werkstückrohling (2') in wenigstens eine Ziehpresse (7) eingebracht wird,
    - bei dem der erwärmte Werkstückrohling (2') in der wenigstens einen Ziehpresse (7) zu einem Werkstück (2) umgeformt wird,
    - bei dem das umgeformte Werkstück (2) in wenigstens eine Härteinrichtung (10) eingebracht wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - das umgeformte Werkstück (2) in einer an die Geometrie des umgeformten Werkstücks (2) angepassten und zwei Hälften (12,13) aufweisende Aufnahme (11) der Härteinrichtung (10) durch Anlage des Werkstücks (2) an Anlageflächen (18) der Hälften (12,13) fixiert wird,
    - dass auf jeder Seite des Werkstücks (2) abwechselnd mit den Anlageflächen (18) vorgesehene Kanäle (14) der Hälften (12,13) von einem Kühlmedium durchströmt werden und dabei das Kühlmedium direkt mit dem Werkstück (2) Wärme austauscht und
    - dass das umgeformte Werkstück (2) in der Aufnahme (11) durch den direkten Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium wenigstens partiell gehärtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    bei dem der Werkstückrohling (2') auf eine die Austenitisierungstemperatur des Werkstückrohlings (2') übersteigende Umformtemperatur erwärmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem der erwärmte Werkstückrohling (2') vor dem Einbringen in den Ofen (5) an der Luft vorgekühlt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    bei dem der Werkstückrohling (2') stufenweise in einer Mehrzahl von Ziehpressen (7) zu einem Werkstück (2) umgeformt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    bei dem das umgeformte und gehärtete Werkstück (2) unmittelbar nach dem Entnehmen aus der Härteinrichtung (10) in eine Beschneideinrichtung (16) eingebracht und dort wenigstens teilweise beschnitten wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    bei dem das Werkstück (2) wenigstens teilweise während des Umformens beschnitten wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
    bei dem zu beschneidende Abschnitte des Werkstücks (2) in der Härteinrichtung (10) nicht gehärtet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    bei dem zu beschneidende Abschnitte des Werkstücks (2) in der Härteinrichtung (10) vom Kühlmedium ferngehalten werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    bei dem die zu beschneidenden Abschnitte des Werkstücks (2) höchstens geringfügig mit Ziehwerkzeugen (8,9) der wenigstens einen Ziehpresse (7) in Kontakt gebracht werden.
  10. Warmumformanlage (1) zur Herstellung eines gehärteten umgeformten Werkstücks (2) aus Stahl, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    - mit einem Ofen (5) zum wenigstens partiellen Erwärmen eines Werkstückrohlings (2') auf eine Umformtemperatur,
    - mit einer Ziehpresse (7) zum Umformen des Werkstückrohlings (2') und
    - mit einer Übergabeeinrichtung (6) zur Übergabe des erwärmten Werkstückrohlings vom Ofen (5) an die Ziehpresse (7),
    - wobei eine Härteinrichtung (10) zum Härten des Werkstücks (2) vorgesehen ist,
    - wobei eine Übergabeeinrichtung zur Übergabe des umgeformten Werkstücks (2) von der Ziehpresse (7) an die Härteinrichtung (10) vorgesehen ist und
    - wobei die Härteinrichtung (10) eine an die Geometrie des umgeformten Werkstücks (2) angepasste und zwei Hälften (12,13) aufweisende Aufnahme (11) zum Fixieren des umgeformten Werkstücks (2) durch Anlage des Werkstücks an Anlageflächen (18) der Hälften (12,13) aufweist, dadurch gekenntzeichnet,
    - dass die Aufnahme (11) zum wenigstens partiellen Härten des umgeformten Werkstücks (2) durch direkten Wärmeaustausch mit einem in Kanälen (14) entlang des Werkstücks (2) geführten Kühlmedium ausgebildet ist und
    - dass auf jeder Seite des Werkstücks (2) die Kanäle (14) und Anlageflächen (18) aufweisende Hälften (12,13) einander abwechselnd vorgesehen sind.
  11. Warmumformanlage nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass in für das Härten vorgesehenen Bereichen (19) des Werkstücks (2) den Kanälen (14) der einen Hälfte (12,13) Anlageflächen (18) für das umgeformte Werkstück (2) der anderen Hälfte (13,12) gegenüber angeordnet sind.
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