EP2581466B1 - Verfahren zur Herstellung eines Formteils - Google Patents

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EP2581466B1
EP2581466B1 EP20110185347 EP11185347A EP2581466B1 EP 2581466 B1 EP2581466 B1 EP 2581466B1 EP 20110185347 EP20110185347 EP 20110185347 EP 11185347 A EP11185347 A EP 11185347A EP 2581466 B1 EP2581466 B1 EP 2581466B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sheet
aluminium sheet
forming
failure
critical
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Active
Application number
EP20110185347
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2581466A1 (de
Inventor
Reiner DI Kelsch
Tobias B.Eng. Hägele
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.)
Voestalpine Metal Forming GmbH
Original Assignee
Voestalpine Metal Forming 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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voestalpine Metal Forming GmbH filed Critical Voestalpine Metal Forming GmbH
Priority to EP20110185347 priority Critical patent/EP2581466B1/de
Publication of EP2581466A1 publication Critical patent/EP2581466A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2581466B1 publication Critical patent/EP2581466B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • 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
    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
    • B21D37/16—Heating or cooling

Definitions

  • the invention relates to a body side wall and a method for producing a molded part from an aluminum alloy aluminum sheet, in which the particular undeformed aluminum sheet is at least partially precooled before his, carried out with a forming forming, in particular deep drawing, wherein the at least partially pre-cooled aluminum sheet for forming is introduced into an at least partially cooled forming tool, wherein at least one pre-cooled, failure-critical sheet metal portion of the aluminum sheet is formed with at least one cooled tool area at such a low temperature that a failure-free shape change to the aluminum sheet is possible.
  • a prior art according to the preamble of claim 1 is known from DE4307020A1 known.
  • the object of the invention is therefore to improve a method for producing a molded part in such a way that procedurally increased degrees of deformation can be achieved.
  • the process should be inexpensive and easy to use.
  • the invention achieves the stated object by virtue of the fact that the aluminum sheet is precooled at most in regions, wherein the precooled, sheet-metal area that is critical of the critical area is covered by a sheet metal area free of cold treatment.
  • the not pre-cooled sheet metal portion of the aluminum sheet can namely break-relieving during reshaping for the fail-critical sheet metal area by a material Nachhne can adjust from this uncooled sheet metal area in the comparatively strong reshaping and pre-cooled sheet metal area.
  • This material flow is based, in particular, on the fact that this uncooled sheet metal area has a lower strength than is the case in the case of the failure-critical and deeply pre-cooled sheet metal area.
  • the non-pre-cooled sheet metal area therefore acts together with the precooled sheet metal area during the forming process to relieve the failure.
  • Such a discharge can also ensure an increase in the process reliability of the process, whereby any process fluctuations can be safely intercepted. It may prove to be particularly advantageous if the precooled, sheet-metal area that is critical of the critical area is covered with a cold-treatment-free sheet-metal area. The potential of material flow can thus be increased significantly, which also considerable deformation levels can be withstood. In addition, the thinning of the aluminum sheet in the vicinity of its failure-critical Sheet metal area made more uniform, which may be particularly advantageous in the deep drawing process. In addition to increased process reliability of forming an increased dimensional accuracy of the molded part can be met so that the method can stand out particularly compared to the prior art.
  • the aluminum sheet is introduced for forming in an at least partially cooled forming tool, then a temperature drift on the cooled aluminum sheet can be kept comparatively small, if, for example, comes to a contact between aluminum sheet and forming tool. It can therefore also be ensured that at least one precooled, failure-critical sheet metal region of the aluminum sheet is formed with at least one cooled tool region at such a low temperature that a failure-free deformation on the aluminum sheet is possible. Increased degrees of deformation can therefore be achieved by the method according to the invention without the need to set comparatively low temperatures on the entire pre-cooled aluminum sheet. The method can therefore not only allow process-safe, a failure-free forming and so in particular suitable for deep drawing for forming - preferably when a final forming is carried out, in which it is necessary to achieve relatively high degrees of deformation.
  • the method according to the invention is also relatively easy to handle in its application of the tool cooling.
  • a cost-effective and process-reliable method can also be made possible, because in particular due to increased tensile strength and increased elongation at break of the aluminum sheet during forming, high degrees of deformation can be achieved.
  • a failure error may represent a crack on the aluminum sheet, such as a tearing, tearing, etc., wrinkling of the aluminum sheet, and / or the like.
  • the aluminum sheet is below a temperature of -20 degrees Celsius immediately before its forming in at least one of its failure-critical sheet metal areas, then this can already ensure a sufficient increase in the tensile strength and elongation at break, in order to ensure a process-reliable forming.
  • a temperature between -140 and -210 degrees Celsius can turn out to be outstanding in its potential achievable degrees of deformation and significantly improve the process reliability of a thermoforming process.
  • Comparatively high degrees of deformation can be achieved if, during forming, the failure-critical sheet metal area has the lowest temperature on the aluminum sheet.
  • liquid nitrogen can be characterized here as a cost-effective and in its cooling effect reliable coolant, because it allows cooling to -196 degrees Celsius in procedurally simple manner.
  • Increased safety during deep freezing of the aluminum sheet can be achieved, for example, when the aluminum sheet introduced into a cold chamber is sprayed with coolant for precooling.
  • the aluminum sheet held by a loading system in particular by a feeder or by a robot, can be sprayed with coolant for precooling when it is placed in the forming tool. This can lead to short cycle times and thus to a comparatively fast process.
  • the surface of the forming tool during insertion of the aluminum sheet into its receptacle is sprayed with coolant to its at least partially cooling.
  • the process for subsequent application can also be used in existing thermoforming equipment. An advantageous universal usability of the method according to the invention can thus be created.
  • the forming tool during the forming of the aluminum sheet for example by cooling channels, is cooled.
  • a particularly good temperature stability of the forming tool in particular in the case of the failure-critical sheet metal areas on the tool die and / or on the tool punch, can be made possible.
  • the process reliability of the process can be improved.
  • the method according to the invention may be distinguished when the sheet-metal part which is at least partially the door frame area of a molded part formed by a body side wall of a motor vehicle is at least partially pre-cooled on the aluminum sheet.
  • the deep-freezing according to the invention can enable a particularly safe method.
  • the process according to the invention was able to stand out in particular for aluminum sheet of a 5xxx, 6xxx or 7xxx aluminum alloy.
  • the method according to the invention can be distinguished with 6xxx aluminum alloys.
  • Such 6xxx aluminum alloys are often used for an outer skin of a body of a motor vehicle, but can not achieve comparatively high degrees of deformation with known heat treatment processes. Therefore, with the method according to the invention, even a 6xxx aluminum alloy can be reliably subjected to forming with a comparatively high degree of deformation.
  • the invention may also be distinguished from the prior art particularly when the method is used for producing a molded part designed as a body side wall of a motor vehicle - in particular when reshaping failsafe door frame areas.
  • Fig. 1 For example, with reference to an exemplary embodiment, the method sequence for producing a molded part 1 is shown in greater detail.
  • the molded part 1 is formed from an undeformed aluminum sheet 2.
  • the aluminum sheet was previously subjected to a partial shaping.
  • the aluminum sheet 2 can have different aluminum alloys, for example from the group 5xxx, 6xxx or 7xxxx, and / or also an equal sheet metal thickness.
  • this aluminum sheet 2 is partially pre-cooled, as can be seen in the subsequent illustration.
  • a cooling device 3 sprays a coolant 4 onto the surface 5 of the aluminum sheet 2 via nozzles, not shown, so that this sheet metal region 6 has a lower temperature than the rest of the sheet metal area. Liquid nitrogen has proved to be a particularly suitable coolant for this purpose.
  • even more sheet metal areas 6 or sheet metal edge areas with coolant 4 to cool deep but this has not been shown in detail.
  • the pre-cooled aluminum sheet 2 has been introduced into a forming tool 7 for forming.
  • the forming can also represent a final forming, in which usually comparatively high degrees of deformation are required and thus there may be an increased risk of failure.
  • the forming tool 7 may be formed, for example, as a drawing tool.
  • the already partially formed aluminum sheet 2 already spans between the tool die 8 and the tool punch 9.
  • the state of the forming tool 7 shown here is therefore more likely to be associated with the completion of the forming. Especially in this state of the process is usually expected to fail, because at the end of the drawing process often relatively thick sheet metal portions are formed. This includes in particular the failure critical door frame area 14 of a body side wall of a motor vehicle.
  • the invention now proposes that the pre-cooled aluminum sheet 2 is introduced for forming into an at least partially cooled forming tool 7.
  • the tool die 8 and the tool punch 9 are provided with cooling channels 10, which cool at least the failure critical contact areas with the aluminum sheet 2 from room temperature lower. It is therefore ensured that the pre-cooled, failure-critical sheet metal region 6 of the aluminum sheet 2 with at least these cooled tool areas 11, 12 is formed at such a low temperature that, inter alia, the low temperature induced increased tensile strength and the increased elongation at break of the aluminum sheet 2 allow a failure-free forming.
  • the aluminum sheet 2 is at most partially pre-cooled, and only in the illustrated sheet metal region 6.
  • the deep-frozen, critical-critical sheet-metal region 6, for example a frame region 14 for a car door, can draw aluminum material from uncooled sheet metal regions 13 and 15, which have lower strength compared to the sheet metal region 6, so that the fail-critical and actively cooled sheet metal region 6 has a comparatively higher strength level can be relieved.
  • such an increased degree of deformation can be achieved or the process can be made more reliable.
  • a failure-critical sheet-metal region 6 can be relieved if the victim zone 13 and / or 15 comprises the failure-critical sheet-metal region 6.
  • the precooled, failure-critical sheet-metal region 6 is surrounded by or covered by a cold-treatment-free sheet-metal region. This division can, inter alia, by a partial pre-cooling of the aluminum sheet 2, as in Fig. 1 represented, created.
  • the aluminum sheet 2 is moved between the various representations or brought into the relevant position.
  • it has been omitted in the drawings to represent the charging systems or "handling devices" for the aluminum sheet 2.
  • the aluminum sheet 2 held by a loading system in particular by a feeder or by a robot, is sprayed with coolant for precooling when it is placed in the forming tool 7.
  • the design effort for pre-cooling of the aluminum sheet 2 are kept low because, for example, the cooling device 3 together with the charging system can form a handling unit.
  • the aluminum sheet is placed in a space provided for this step, cold chamber and is sprayed there with coolant for precooling.
  • the surface of the forming tool 7 is sprayed during the introduction of the aluminum sheet into its receptacle with coolant.
  • the charging system takes over the loading of the forming tool with coolant. This leads, in particular with regard to an already provided pre-cooling of the aluminum sheet 2 by the charging system, to a constructive simplicity in a device provided for carrying out the method.
  • a molded part 1 can be end-molded from an aluminum sheet 2 of the group of 6xxx aluminum alloys.
  • FIGS. 4a and 4b another mold part 16 is shown according to another embodiment.
  • This molded part 16 formed from an aluminum sheet 2 with a 6016 aluminum alloy, has a failure-critical sheet-metal region 6 or failure-critical frame region 14 which can not be produced with conventional or known forming.
  • a conventional or known forming method is used, it comes - as in Fig. 4a clearly visible - to a crack 17 or breaker in this failure-critical Zargen Suite 14.
  • a conventional forming process fails even with a 6016 aluminum alloy with 1.1 mm sheet thickness at a degree of deformation of 20 to 30%.
  • the aluminum sheet 2 is - as already described above - pre-cooled in his fail-critical sheet metal area 6 or fail-critical frame area 14 to -80 degrees Celsius, which place in the Fig. 4b only hinted at the molding 16 has been drawn.
  • the forming tool is cooled to -20 degrees Celsius, so as to reshape the pre-cooled aluminum sheet 2, in particular endumzuformen in this fail-critical sheet metal portion 6.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Karosserieseitenwand und ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus einem eine Aluminiumlegierung aufweisenden Aluminiumblech, bei dem das insbesondere unverformte Aluminiumblech vor seiner, mit einem Umformwerkzeug durchgeführten Umformung, insbesondere Tiefziehen, wenigstens bereichsweise vorgekühlt wird, wobei das zumindest bereichsweise vorgekühlte Aluminiumblech zum Umformen in ein wenigstens bereichsweise gekühltes Umformwerkzeug eingebracht wird, wobei mindestens ein vorgekühlter, versagenskritischer Blechbereich des Aluminiumblechs mit wenigstens einem gekühlten Werkzeugbereich bei einer derart tiefen Temperatur umgeformt wird, dass eine versagensfreie Formänderung am Aluminiumblech möglich ist.
  • Um eine Verbesserung in der Umformbarkeit von Aluminiumblechen zu erreichen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt ( DE 43 07 020 ) und ( DE2714127C3 ), das Aluminiumblech vollflächig zu kühlen und in seinem gekühlten Zustand einem abschließenden Umformschritt zu unterwerfen. Zu diesem Zweck kann das Aluminiumblech in ein kryogenes Bad getaucht oder durch Besprühen gekühlt werden, bevor es, eingelegt in ein Umformwerkzeug, seiner Endumformung unterworfen wird. Zwar können bei diesem Verfahren durch eine Tiefkühlung des gesamten Aluminiumblechs erhöhte Festigkeitswerte erreicht werden, aufgrund unterschiedlicher Beanspruchung des homogen gekühlten Aluminiumblechs in einem Umformwerkezug kann jedoch kein vergleichsweise hoher Umformgrad erreicht werden. Bekannte Verfahren sind daher im Umformgrad beschränkt, auch dann, wenn das Aluminiumblech hierfür vergleichsweise tief gekühlt ist.
  • Ein Stand der Technik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE4307020A1 bekannt.
  • Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zum Herstellen eines Formteils derart zu verbessern, dass verfahrenssicher erhöhte Umformgrade erreichbar sind. Außerdem soll das Verfahren kostengünstig und einfach in seiner Anwendung sein.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das Aluminiumblech höchstens bereichsweise vorgekühlt wird, wobei der vorgekühlte versagenskritische Blechbereich mit einem kältebehandlungsfreien Blechbereich umfasst wird.
  • Wird das Aluminiumblech höchstens bereichsweise vorgekühlt, dann kann damit nicht nur der Verfahrensaufwand zum Tiefkühlen des Aluminiumblechs vermindert, sondern damit auch gezielt der Umformgrad des Verfahrens deutlich erhöht werden. Der nicht vorgekühlte Blechbereich des Aluminiumblechs kann nämlich beim Umformen für den versagenskritischen Blechbereich bruchentlastend wirken, indem sich aus diesem ungekühlten Blechbereich ein Materialnachfluss in den vergleichsweise stark umzuformenden und vorgekühlten Blechbereich einstellen kann. Dieser Materialfluss begründet sich insbesondere dadurch, dass dieser ungekühlte Blechbereich eine niedrigere Festigkeit aufweist als dies im versagenskritischen und tiefer vorgekühlten Blechbereich der Fall ist. Der nicht vorgekühlte Blechbereich wirkt daher beim Umformen zusammen mit dem vorgekühlten Blechbereich versagensentlastend. Solch eine Entlastung kann außerdem für eine Erhöhung der Prozesssicherheit des Verfahrens sorgen, wodurch auch eventuelle Prozessschwankungen sicher abgefangen werden können.
    Als besonders vorteilhaft kann sich herausstellen, wenn der vorgekühlte versagenskritische Blechbereich mit einem kältebehandlungsfreien Blechbereich umfasst wird. Das Potential an Materialnachfluss kann damit deutlich erhöht werden, wodurch auch erheblichen Umformgraden standgehalten werden kann. Außerdem kann damit die Ausdünnung des Aluminiumblechs in der Umgebung seines versagenskritischen Blechbereichs gleichmäßiger erfolgen, was insbesondere beim Tiefziehverfahren von Vorteil sein kann. Neben einer erhöhten Prozesssicherheit des Umformens kann so auch einer erhöhten Formgenauigkeit am Formteil entsprochen werden, wodurch sich das Verfahren gegenüber dem Stand der Technik besonders abheben kann.
    Wird das Aluminiumblech zum Umformen in ein wenigstens bereichsweise gekühltes Umformwerkzeug eingebracht, dann kann ein Temperaturdrift am gekühlten Aluminiumblech vergleichsweise klein gehalten werden, wenn es beispielsweise zu einer Berührung zwischen Aluminiumblech und Umformwerkzeug kommt. Es kann daher auch sichergestellt werden, dass mindestens ein vorgekühlter, versagenskritischer Blechbereich des Aluminiumblechs mit wenigstens einem gekühlten Werkzeugbereich bei einer derart tiefen Temperatur umgeformt wird, dass eine versagensfreie Formänderung am Aluminiumblech möglich ist. Erhöhte Umformgrade sind daher durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichbar, ohne dass am gesamten vorgekühlten Aluminiumblech vergleichsweise tiefe Temperaturen eingestellt werden müssen. Das Verfahren kann daher nicht nur verfahrenssicher ein versagensfreies Umformen ermöglichen und sich so insbesondere für ein Tiefziehen zum Umformen eignen - vorzugsweise wenn ein Endumformen durchzuführen ist, bei dem es vergleichsweise hohe Umformgrade zu erreichen gilt.
  • Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in seiner Anwendung der Werkzeugkühlung vergleichsweise einfach handhabbar. Es kann somit auch ein kostengünstiges und prozesssicheres Verfahren ermöglicht werden, weil insbesondere aufgrund einer erhöhten Zugfestigkeit und erhöhten Bruchdehnung des Aluminiumblechs beim Umformen hohe Umformgrade erreichbar sein können. Im Allgemeinen wird erwähnt, dass ein Versagensfehler ein Riss am Aluminiumblech, beispielsweise ein Reißer, Bodenreißer etc., eine Faltenbildung des Aluminiumblechs und/oder dergleichen darstellen kann.
  • Liegt das Aluminiumblech unmittelbar vor seinem Umformen in wenigstens einem seiner versagenskritischen Blechbereiche unter einer Temperatur von -20 Grad Celsius, dann kann dies bereits für eine ausreichende Erhöhung der Zugfestigkeit sowie Bruchdehnung sorgen, um damit ein prozesssicheres Umformen zu gewährleisten. Insbesondere aber kann sich eine Temperatur zwischen -140 und -210 Grad Celsius als hervorragend in seinem Potential an erreichbaren Umformgraden herausstellen und die Prozesssicherheit eines Tiefziehverfahrens deutlich verbessern.
  • Vergleichsweise hohe Umformgrade können erreicht werden, wenn beim Umformen der versagenskritische Blechbereich die tiefste Temperatur am Aluminiumblech aufweist.
  • Einfache Handhabung beim Vorkühlen des Aluminiumblechs kann erreicht werden, wenn das Aluminiumblech vor seinem Einlegen in das Umformwerkzeug mit Kühlmittel besprüht wird. Insbesondere flüssiger Stickstoff kann sich hier als kostengünstiges und in seiner Kühlwirkung zuverlässiges Kühlmittel auszeichnen, weil damit eine Kühlung auf -196 Grad Celsius auf verfahrenstechnisch einfache Weise ermöglicht werden kann.
  • Eine erhöhte Arbeitssicherheit beim Tiefkühlen des Aluminiumblechs kann beispielsweise dadurch erreicht werden, wenn das in eine Kältekammer eingebrachte Aluminiumblech mit Kühlmittel zur Vorkühlung besprüht wird.
  • Alternativ kann das von einem Ladesystem, insbesondere von einem Feeder oder von einem Roboter, gehaltene Aluminiumblech bei seinem Einlegen in das Umformwerkzeug mit Kühlmittel zur Vorkühlung besprüht werden. Dies kann zu kurzen Taktzeiten und damit zu einem vergleichsweise schnellen Verfahren führen.
  • Um einen vergleichsweise niedrigen Aufwand bei der Ausgestaltung des Umformwerkzeugs aufwenden zu müssen, kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Umformwerkzeugs während des Einbringens des Aluminiumblechs in seine Aufnahme mit Kühlmittel zu seiner wenigstens bereichsweisen Kühlung besprüht wird. Außerdem kann sich so das Verfahren für eine nachträgliche Anwendung auch bei bereits bestehenden Anlagen zum Tiefziehen eigenen. Eine vorteilhafte universelle Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann so geschaffen werden.
  • Alternativ bzw. zusätzlich zur Kältebehandlung der Oberfläche des Umformwerkzeugs kann vorgesehen sein, dass das Umformwerkzeug während des Umformens des Aluminiumblechs, beispielsweise durch Kühlkanäle, gekühlt wird. Damit kann eine besonders gute Temperaturstabilität des Umformwerkzeugs, insbesondere bei den versagenskritischen Blechbereichen an der Werkzeugmatrize und/oder am Werkzeugstempel, ermöglicht werden. Damit kann unter anderem die Prozesssicherheit des Verfahrens verbessert werden.
  • Insbesondere kann sich das erfindungsgemäße Verfahren auszeichnen, wenn am Aluminiumblech jener Blechteil vorgekühlt wird, der wenigstens teilweise dem Türzargenbereich eines von einer Karosserieseitenwand eines Kraftfahrzeugs ausgebildeten Formteils entspricht. Gerade beim Ausbilden solch einer Türzarge, beispielsweise durch ein Tiefziehen, kann die erfindungsgemäße Tiefkühlung ein besonders sicheres Verfahren ermöglichen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren konnte sich insbesondere bei Aluminiumblech einer 5xxx, 6xxx oder 7xxx Aluminiumlegierung auszeichnen. Insbesondere kann sich das erfindungsgemäße Verfahren bei 6xxx Aluminiumlegierungen auszeichnen. Solche 6xxx Aluminiumlegierungen werden nämlich häufig für eine Außenhaut einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs verwendet, können aber vergleichsweise hohe Umformgrade mit bekannten Wärmebehandlungsverfahren nicht erreichen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher selbst eine 6xxx Aluminiumlegierung einem Umformen mit einem vergleichsweise hohen Umformgrad prozesssicher unterworfen werden.
  • Die Erfindung kann sich gegenüber dem Stand der Technik besonders auch dann auszeichnen, wenn das Verfahren zur Herstellung eines als Karosserieseitenwand eines Kraftfahrzeugs ausgebildeten Formteils verwendet wird - und zwar besonders beim Umformen versagenskritischer Türzargenbereiche.
  • In den Figuren ist die Erfindung beispielsweise anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher dargestellt. Es zeigen
    • Fig. 1
    einen Verfahrensablauf zur Herstellung eines Formteils als erstes Ausführungsbeispiel,
    Fig. 2
    eine vergrößerte Draufsicht auf das in Fig. 1 dargestellte Formteil,
    Fig. 3
    eine vergrößerte Ansicht auf das in Fig. 1 dargestellte Umformwerkzeug mit eingelegtem Aluminiumblech zum Umformen und
    Fig. 4a und 4b
    Darstellungen von einem weiteren Formteil.
  • Gemäß Fig. 1 wird beispielsweise anhand eines Ausführungsbeispiels der Verfahrensablauf zum Herstellen eines Formteils 1 näher dargestellt. Das Formteil 1 wird aus einem unverformten Aluminiumblech 2 gebildet. Es ist aber auch vorstellbar, dass das Aluminiumblech vorher einer Teilformgebung unterworfen wurde. Im Allgemeinen wird erwähnt, dass das Aluminiumblech 2 unterschiedliche Aluminiumlegierungen, beispielsweise aus der Gruppe 5xxx, 6xxx oder 7xxxx, und/oder auch eine geleichmäßige Blechstärke aufweisen kann. In einem weiteren Schritt wird dieses Aluminiumblech 2 bereichsweise vorgekühlt, wie dies in der daran anschließenden Darstellung zu erkennen ist. Eine Kühleinrichtung 3 sprüht über nicht näher dargestellte Düsen ein Kühlmittel 4 auf die Oberfläche 5 des Aluminiumblechs 2, sodass dieser Blechbereich 6 eine tiefere Temperatur als der übrige Blechbereich aufweist. Flüssiger Stickstoff hat sich hierfür als besonders geeignetes Kühlmittel herausgestellt. Im Rahmen der Erfindung ist selbstverständlich im Allgemeinen denkbar, auch mehrere Blechbereiche 6 oder auch Blechrandbereiche mit Kühlmittel 4 tief zu kühlen, was jedoch nicht näher dargestellt worden ist.
  • In einer weiteren Darstellung ist zu erkennen, dass das vorgekühlte Aluminiumblech 2 in ein Umformwerkzeug 7 zum Umformen eingebracht worden ist. Vorzugsweise kann das Umformen auch ein Endumformen darstellen, bei dem meist vergleichsweise hohe Umformgrade verlangt werden und damit eine erhöhte Gefahr des Versagens bestehen kann. Das Umformwerkzeug 7 kann beispielsweise als Ziehwerkzeug ausgebildet sein. Das bereits teilweise umgeformte Aluminiumblech 2 spannt sich bereits zwischen der Werkzeugmatrize 8 und dem Werkzeugstempel 9 auf. Der hier dargestellte Zustand des Umformwerkzeugs 7 ist daher eher dem Abschluss des Umformens zuzuordnen. Gerade in diesem Verfahrensstand ist meist mit einem Versagen zu rechnen, weil am Ende des Ziehvorgangs oft die vergleichsweise stark zu verformenden Blechteilbereiche ausgebildet werden. Dazu zählt insbesondere der versagenskritische Türzargenbereich 14 einer Karosserieseitenwand eines Kraftfahrzeugs. Um die Gefahr eines Versagens besonders stark zu verringern, schlägt nun die Erfindung vor, dass das vorgekühlte Aluminiumblech 2 zum Umformen in ein wenigstens bereichsweise gekühltes Umformwerkzeug 7 eingebracht wird. Zu diesem Zweck sind die Werkzeugmatrize 8 und der Werkzeugstempel 9 mit Kühlkanälen 10 versehen, die wenigstens die versagenskritischen Kontaktbereiche mit dem Aluminiumblech 2 gegenüber Raumtemperatur tiefer kühlen. Es ist daher sichergestellt, dass der vorgekühlte, versagenskritische Blechbereich 6 des Aluminiumblechs 2 mit wenigstes diesen gekühlten Werkzeugbereichen 11, 12 bei einer derart tiefen Temperatur umgeformt wird, dass unter anderem die tiefentemperaturbedingt erhöhte Zugfestigkeit sowie die erhöhte Bruchdehnung des Aluminiumblechs 2 ein versagensfreies Umformen ermöglichen. Es wurde bereits als ausreichend - von der Bauteilgeometrie und vom Grad der Umformung abhängig - festgestellt, dass bei -55 Grad Celsius zur Vorkühlung eines 5182 oder 6016 Aluminiumblechs mit 1mm Dicke samt einer Kühlung der Werkzeugbereiche 11, 12 eines Ziehwerkzeugs auf -20 Grad Celsius eine deutlichen Erhöhung in erreichbaren Umformgraden erreicht werden kann. Vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn das Aluminiumblech 2 unmittelbar vor seinem Umformen in seinen versagenskritischen Blechbereichen 6 unter einer Temperatur von -20 Grad Celsius liegt, vorzugsweise wenn diese eine Temperatur zwischen -140 und -210 Grad Celsius aufweisen.
  • Wie in Fig. 1 in seiner zweiten Darstellung zu erkennen ist, wird das Aluminiumblech 2 höchstens bereichsweise vorgekühlt, und zwar nur im dargestellten Blechbereich 6. Dadurch kann eine ungekühlte Opferzone, aufweisend einen Blechbereich 15 mit Raumtemperatur und einen Temperaturübergangsbereich 13 (Blechbereich 13 mit einer Temperaturverteilung zwischen der Temperatur des vorgekühlten Blechbereichs 6 und der Raumtemperatur des Blechbereichs 15), für eine Materialausdünnung während des Umformens herangezogen werden, wie dies insbesondere in der Fig. 2 zu erkennen ist. Der tiefgekühlte versagenskritische Blechbereich 6, beispielsweise ein Zargenbereich 14 für eine Autotür, kann so von ungekühlten Blechbereichen 13 und 15, die im Vergleich zum Blechbereich 6 eine niedrigere Festigkeit aufweisen, Aluminiummaterial nachziehen, so dass der versagenskritische und aktiv gekühlte Blechbereich 6 mit vergleichsweise höherem Festigkeitsniveau entlastet werden kann. Erfindungsgemäß kann so ein erhöhter Umformgrad erreicht bzw. das Verfahren verfahrenssicherer werden.
  • Besonders vorteilhaft kann ein versagenskritischer Blechbereich 6 entlastet werden, wenn die Opferzone 13 und/oder 15 den versagenskritischen Blechbereich 6 umfasst. Zu diesem Zweck wird der vorgekühlte versagenskritische Blechbereich 6 mit einem kältebehandlungsfreien Blechbereich umgeben bzw. davon umfasst. Diese Aufteilung kann unter anderem auch durch eine bereichsweise Vorkühlung des Aluminiumblechs 2, wie in Fig. 1 dargestellt, geschaffen werden.
  • Entsprechend der Darstellung nach Fig. 1 wird das Aluminiumblech 2 zwischen den verschiedenen Darstellungen bewegt bzw. in die diesbezügliche Position gebracht. Der Einfachheit halber wurde in den Zeichnungen darauf verzichtet, die Ladesysteme bzw. "Handling Einrichtungen" für das Aluminiumblech 2 darzustellen. Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch herausgestellt, wenn das von einem Ladesystem, insbesondere von einem Feeder oder von einem Roboter, gehaltene Aluminiumblech 2 bei seinem Einlegen in das Umformwerkzeug 7 mit Kühlmittel zur Vorkühlung besprüht wird. So kann der konstruktive Aufwand zum Vorkühlen des Aluminiumblechs 2 gering gehalten werden, weil beispielsweise die Kühleinrichtung 3 zusammen mit dem Ladesystem eine Handhabungseinheit bilden können. Es ist aber auch durchaus vorstellbar, dass das Aluminiumblech in eine für diesen Schritt vorgesehene Kältekammer eingebracht wird und dort mit Kühlmittel zur Vorkühlung besprüht wird.
  • Zur Kühlung des Umformwerkzeugs 7 ist auch vorstellbar, dass die Oberfläche des Umformwerkzeugs 7 während des Einbringens des Aluminiumblechs in seine Aufnahme mit Kühlmittel besprüht wird. Zu diesem Zweck kann es ausreichen, dass das Ladesystem die Beaufschlagung des Umformwerkzeugs mit Kühlmittel übernimmt. Dies führt insbesondere in Hinblick auf eine bereits vorgesehene Vorkühlung des Aluminiumblechs 2 durch das Ladesystem zu einer konstruktiven Einfachheit an einer zur Durchführung des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung.
  • Wie bereits vorstehend erwähnt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nach Fig. 1 insbesondere für ein Tiefziehen einer Formteils 1, das ein Karosserieseitenwand eines Kraftfahrzeugs ausgebildeten soll und damit auch einen versagenskritischen Türzargenbereich 14 aufweist. Insbesondere kann damit auch im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik ein Formteil 1 aus einem Aluminiumblech 2 der Gruppe der 6xxx Aluminiumlegierungen endumgeformt werden.
  • Nach den Figuren 4a und 4b wird ein weiteres Formteil 16 nach einem anderen Ausführungsbeispiel dargestellt. Dieses Formteil 16, geformt aus einem Aluminiumblech 2 mit einer 6016 Aluminiumlegierung, weist einen versagenskritischen Blechbereich 6 bzw. versagenskritischen Zargenbereich 14 auf, der mit einer konventionellen bzw. bekannten Umformung nicht herstellbar ist. Wird nun ein konventionelles bzw. bekanntes Umformverfahren verwendet, so kommt es - wie in Fig. 4a klar ersichtlich - zu einem Riss 17 bzw. Reißer in diesem versagenskritischen Zargenbereich 14. Ein konventionelles Umformverfahren scheitert bereits bei einer 6016 Aluminiumlegierung mit 1,1 mm Blechdicke bei einem Umformgrad von 20 bis 30%. Um diesen hohen Umformgrad dennoch mit einer 6016 Aluminiumlegierung zu erreichen, wird das Aluminiumblech 2 - wie bereits vorstehend beschrieben - in seinem versagenskritischen Blechbereich 6 bzw. versagenskritischen Zargenbereich 14 auf -80 Grad Celsius vorgekühlt, welche Stelle in der Fig. 4b lediglich andeutungsweise am Formteil 16 eingezeichnet worden ist. Außerdem wird das Umformwerkzeug auf -20 Grad Celsius gekühlt, um damit das vorgekühlte Aluminiumblech 2 umzuformen, insbesondere in diesem versagenskritischen Blechbereich 6 endumzuformen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann im versagenskritischen Blechbereich 6 eine 5 bis 15%-ige Steigerung der Zugfestigkeit sowie eine 20 bis 30%-ige Steigerung der Bruchdehnung genutzt werden. Ein Riss 17, wie in der Fig. 4a dargestellt, tritt bei der Erfindung daher nicht auf - Rissfreiheit kann so gewährleitstet werden. Im Allgemeinen wird an dieser Stelle erwähnt, dass unter rissfrei ein Blechbereich definiert wird, welcher keine sichtbare Einschnürung, kritische Ausdünnungen und/oder offensichtliche Risse aufweist und damit die generellen Anforderungen bzw. Normen für Aluminiumbleche insbesondere für den Karosseriebau erfüllt. Damit kann gegenüber dem Stand der Technik selbst eine 6xxx Aluminiumlegierung prozesssicher zur Erzeugung von Formteilen 16 mit hohen Umformgraden verwendet werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Formteils (1) aus einem eine Aluminiumlegierung aufweisenden Aluminiumblech (2), bei dem das insbesondere unverformte Aluminiumblech (2) vor seiner, mit einem Umformwerkzeug (7) durchgeführten Umformung, insbesondere Tiefziehen, wenigstens bereichsweise vorgekühlt wird, wobei das zumindest bereichsweise vorgekühlte Aluminiumblech (2) zum Umformen in ein wenigstens bereichsweise gekühltes Umformwerkzeug (7) eingebracht wird, wobei mindestens ein vorgekühlter, versagenskritischer Blechbereich (6) des Aluminiumblechs mit wenigstens einem gekühlten Werkzeugbereich (11, 12) bei einer derart tiefen Temperatur umgeformt wird, dass eine versagensfreie Formänderung am Aluminiumblech (2) möglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumblech (2) höchstens bereichsweise vorgekühlt wird, wobei der vorgekühlte versagenskritische Blechbereich (6) mit einem kältebehandlungsfreien Blechbereich (15) umfasst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumblech (2) unmittelbar vor seinem Umformen in wenigstens einem seiner versagenskritischen Blechbereiche (6) unter einer Temperatur von -20 Grad Celsius liegt, vorzugsweise eine Temperatur zwischen -140 und -210 Grad Celsius aufweist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umformen der versagenskritische Blechbereich (6) die tiefste Temperatur am Aluminiumblech (2) aufweist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumblech (2) vor seinem Einlegen in das Umformwerkzeug (7) mit Kühlmittel (4), insbesondere flüssigem Stickstoff, besprüht wird, um damit das Aluminiumblech (2) insbesondere auf -196 Grad Celsius zu kühlen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in eine Kältekammer eingebrachte Aluminiumblech (2) mit Kühlmittel (4) zur Vorkühlung besprüht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das von einem Ladesystem, insbesondere von einem Feeder oder von einem Roboter, gehaltene Aluminiumblech (2) bei seinem Einlegen in das Umformwerkzeug (7) mit Kühlmittel (4) zur Vorkühlung besprüht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Umformwerkzeugs (7) während des Einbringens des Aluminiumblechs (2) in seine Aufnahme mit Kühlmittel (4) zu seiner wenigstens bereichsweisen Kühlung besprüht wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (7) während des Umformens des Aluminiumblechs (2), beispielsweise durch Kühlkanäle (10), gekühlt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Aluminiumblech (2) jener Blechteil vorgekühlt wird, der wenigstens teilweise dem Türzargenbereich (14) eines von einer Karosserieseitenwand eines Kraftfahrzeugs ausgebildeten Formteils (2) entspricht.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumblech (2) eine 5xxx, 6xxx oder 7xxx Aluminiumlegierung, vorzugsweise eine 6xxx Aluminiumlegierung, aufweist.
  11. Verwendung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10 zur Herstellung eines als Karosserieseitenwand eines Kraftfahrzeugs ausgebildeten Formteils (2).
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