EP3037186A2 - Federnd gelagertes segmentiertes warmumformwerkzeug und verfahren zur herstellung eines warmumform- und pressgehärteten stahlbauteils mit scharf berandetem übergangsbereich - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a hot forming tool according to the features in the preamble of claim 1.
- the present invention further relates to a method according to claim 16.
- a board made of a hardenable steel alloy is provided and this at least partially heated above Austenitmaschinestemperatur.
- the at least partially austenitized sheet metal plate has higher Umform demandssgrade in the hot state, so that it is transformed in a press forming tool for sheet metal component.
- the press-forming tool is then particularly preferably cooled in such a way that hardening of the hot-formed sheet-metal component still located in the hot-forming tool takes place.
- the produced sheet metal part is cooled so rapidly that the austenitic structure is converted into a substantially martensitic structure or in a mixed structure.
- such a tool is from the DE 10 2011 018 850 A1 known.
- the transition zone from hard to ductile region due to heat conduction in the reshaped board or in the formed component sometimes not sufficiently sharp edges.
- the object of the present invention is, starting from the prior art, to improve a segmented hot forming tool such that the expansions due to mutually different temperatures that occur in the segments of the upper tool and lower tool are compensated for and sufficient contact between the mold surfaces of the upper tool and lower tool and the sheet metal blank to be formed or the molded sheet metal component is made. It is a further object of the invention to provide a method for sharply bonding a transition region to a hot-worked and press-hardened component having different strength ranges from each other.
- the hot forming tool has an upper tool and a lower tool, which are movable toward each other and a mold cavity is formed when the hot forming tool is closed between upper tool and lower tool, wherein the upper tool and / or the lower tool is divided into at least two segments / are.
- the sheet metal forming component produced is in contact with the respective mold surface of the upper tool or lower tool.
- the hot forming tool according to the invention is characterized in that at least one segment is formed as a heating segment and that the heating segment on a side opposite the mold cavity has a compensation element, so that a thermal expansion of the heating segment is compensated in Pressenhubides.
- the hot forming tool is used in the context of the invention, in particular for forming sheet metal blanks, wherein the sheet metal blanks have a relation to the room temperature higher temperature.
- Sheet metal blanks can be formed from a steel alloy but also from a light metal alloy, such as an aluminum alloy.
- a hot-workable and hardenable steel alloy is preferably processed with the hot-forming tool according to the invention, so that the hot-forming tool is designed in particular as a hot-forming and press-hardening tool.
- the temperature of the component to be hot-formed then has at least partially a temperature above the austenitizing temperature, ie above AC3.
- the compensating element is preferably designed in conjunction with a floating bearing with a linear degree of freedom, in particular in the press lifting direction in conjunction with a spring.
- the heating segment itself is preferably actively heated so that, for example, in particular in the heating segment itself, a heating source is integrated.
- a heating segment in the upper tool and a corresponding arranged heating segment in the lower tool is provided.
- the remaining segments are then provided with cooling channels and are tempered, so that the formed sheet metal blank is cooled down so rapidly that a hardened microstructure, in particular a martensitic microstructure, is established, for example, in the case of an austenitic microstructure of the blank.
- the heating segment has a higher temperature during stratified operation over the remaining segments of the hot forming tool and expands more.
- the temperature and dimension of the heating segment before and during contact with the board are different.
- the compensation element on the back of the heating segment makes it possible for a thermal expansion in the press lifting direction of the heating segment in the upper tool or in Lower tool, thus a thermal expansion in the direction of the mold cavity is compensated by the compensating element.
- the heating segment is resiliently mounted, so that an expansion of the heating segment causes the compensation element is compressed and a contraction of the heating segment leads to an expansion of the compensation element.
- the absolute position of the mold surface of the heating segment in the mold cavity is approximately constant, with uniform plant contact of the mold surface of the heating segment and the mold surface of the adjacent segments on the circuit board.
- heat source in the heating segment various heat sources can be used.
- heating cartridges or even resistance heaters in the form of heating wires are conceivable.
- an inductive heating source which may then be integrated in the heating segment or else arranged externally, with respect to the mold cavity behind the heating segment.
- the heating segment is undersized at room temperature. This means that the actual size of the heating segment in the state at room temperature is smaller than the nominal size of the heating segment at the operating temperature.
- the dimensions refer to the absolute position of the mold surface of the heating segment in the mold cavity. Upon heating of the heating segment by an active heat source, the heating segment then expands as a result of the heat. At operating temperature, the heating segment preferably reaches its nominal dimension and / or a dimension lying slightly above the nominal dimension. In this case, the absolute position of the mold surface of the heating segment with respect to the mold cavity is exactly passively set by the compensating element. Any fluctuations due to different temperatures during the production process are then compensated by the small excess and / or the compensation element.
- the compensation element is designed as a mechanically passive element with a linear degree of freedom of movement, in particular in the press lifting direction.
- the compensation element is a resilient element, in particular a spring, most preferably a helical compression spring.
- a plurality of compensation elements in particular a plurality of springs distributed such that tilting of the heating segment during compression of the compensation element is avoided.
- the number and position and / or spring rate of the compensation elements, in particular of the springs can then be designed as a function of the deformation rates and / or the surface pressure acting on the respective surface section on the heating segment.
- the compensating element may also be a cushion, in particular a hydraulic cushion, which is filled with a compressible fluid.
- the upper tool is mounted on a tappet and / or the lower tool on a press table.
- the rear side of the segments are preferably fixed in each case in a form-fitting manner in the case of the upper tool on the tappet table and in the case of the lower tool on the press table, preferably with the inclusion of a clamping plate.
- the respective heating segment is then stored floating and particularly preferably has a linear guide.
- the linear guide is in particular designed such that the linear degree of freedom of movement takes place in the direction of the press stroke.
- the guide is designed as a guide rod which engages in a guide hole, thus as a positive sliding guide.
- the linear guide is arranged centrally on the heating segment with respect to a plane perpendicular to the press lifting direction of the hot forming tool. A longitudinal extension of the heating segment in all directions of the plane from the substantially central centering is thus made possible. The expansion in the press stroke direction itself is in turn realized by the compensation element.
- an insulating layer is arranged on the rear side of the heating segment and / or insulating layers are arranged on the side edges or side surfaces of the heating segment. Due to the insulating layer heat loss can be reduced both with active heating segment, since the heat flow should be concentrated only on the sheet metal blank, the heat conduction, however, takes place in the heating segment itself in all directions, thus also to the back of the heating segment.
- an insulating layer By using an insulating layer, the energy input for actively heating the heating segment can be reduced.
- the insulating layer on the side edges or side surfaces of the heating segment are designed so that heat conduction to the segment adjacent to the heating segment is prevented. Again, the energy used for heating and heating of the heating segment is kept low and at the same time reaches a sharply bordered transition region on the component to be produced.
- the heating segment is formed from a material which has a lower thermal conductivity compared to the rest of the upper tool and / or lower tool. Consequently, the thermal conductivity of the material of the heating segment is less than the thermal conductivity of the materials of the heating segment adjacent segments.
- the material of the heating segment has a higher heat resistance.
- the aim is to realize a high heat dissipation so that the press hardening process is carried out.
- significantly or only significantly less heat should be dissipated, so that no hardening or at most partial hardening takes place.
- a further preferred embodiment also provides that cooling channels are formed in the heating segment, so that the region of the produced sheet-metal forming component on which the heating segment bears is at least partially coolable.
- cooling channels are formed in the heating segment, so that the region of the produced sheet-metal forming component on which the heating segment bears is at least partially coolable.
- a partially cured mixed structure can be adjusted specifically.
- this can be achieved During maintenance, a hand-warm state in the heating segment is quickly reached or the heating segment does not overheat.
- a gap in particular an air gap, is formed between the heating segment and at least one of the adjacent segments of the heating segment.
- This air gap has two advantages. On the one hand, due to the gap, and hence the physical separation, there is no heat conduction from the heating segment to an adjacent segment. Thus, the transition area can be sharpened more sharply.
- the heating segment can expand in the press lifting direction due to the compensating element, wherein the press lifting direction is mostly oriented vertically
- the heating segment can expand horizontally, thus transversely to the Pressenhubides while it is preferably displaceably mounted in the horizontal direction in the horizontal direction due to the linear guide.
- the method according to the invention it is possible to produce a particularly sharply bordered narrow transition zone between the fully hardened region of the produced steel component and, on the other hand, softer region of the steel component.
- the fully hardened area preferably consists almost completely of a martensitic structure, which was rapidly quenched by above AC3 temperature.
- the softer area on the other hand, preferably has a mixed structure, with the individual additional or respective microstructure constituents bainite, ferrite, perlite and / or retained austenite.
- the transition region is initially quite wide, for example, with a width of about 100 mm and preferably formed between 100 and 200 mm during heating of the board.
- a partition is arranged, which has a corresponding width, for example of several cm for thermal insulation between two temperature zones, for example 900 ° C and 600 ° C. , so that a transition area on the board of more than 100mm already by the different temperature effects in both temperature zones of the heating station is generated.
- Another factor is the heat conduction within the board itself.
- the board is formed of a hardenable steel alloy, which also has high thermal conductivities.
- one area of the board is heated to more than 900 ° C. and another area is heated to below 700 ° C., a heat conduction from warmer area to cooler area within the board itself is produced. This also creates a transition area having a corresponding width of more than 100 mm.
- the heating times in the heating station are preferably between 1 and 20 minutes. and especially between 3 and 7 min.
- the method according to the invention starts with the use of a hot-forming and press-hardening tool or, alternatively, first of all a tempering station which has a tempering segment.
- the tempering segment itself is designed to cover only a small area in relation to the total area of the board or of the component to be formed so that essentially the tempering segment covers approximately only the transition area of the heated board.
- the Temperiersegment is brought into contact with the transition region and then either due to Konktakttemper réelle the transition region after reheating or cool or keep warm during quenching in the case of a press-hardening tool, so that a lower cooling rate is generated.
- the heat-treated from the heating station board is first spent in the tempering in the tempering at least the transition region tempered by contact temperature, creating a sharply bordered, now narrow transition region is set, which forms a sharply bordered transition zone after press hardening. Subsequently, the board is placed directly in a hot forming and press hardening tool, so that further heat conduction in the board and thereby conditionally enlargement of the transition region is prevented.
- the thermoforming mold can then be particularly advantageous homogeneous cooled formed without heating segments.
- the tempering segment In the case of removal from the heating station and direct introduction into a hot forming and press hardening tool, the tempering segment is in the Hot forming and press hardening tool arranged by itself.
- the tempering segment is designed and tempered in particular as a heating segment, in particular it heats the transition region of the board during press hardening.
- the transition region is tempered in such a way that it belongs to the softer or more ductile region on the finished manufactured component.
- a transition region having a width between 50 mm and 200 mm at the tempered in the heating station board in a process-optimized and energetically simple way as a transition zone with a width between 1 mm and 50 mm, in particular between 15 mm and 40 mm, particularly preferably between 20 mm and 30 mm to the component produced after the press hardening process sharp edges to produce.
- the tempering is arranged in the upper tool and / or lower tool of the tempering or the hot forming and press hardening tool.
- the Temperiersegement has such a dimension that it covers an area ratio of 50 to 95% of the transition region of the heated board.
- the tempering segment is dimensioned such that it additionally overlaps the under AC3, in particular heated under AC1 temperature range from the transition region, further up to 70 mm, in particular up to 60 mm and particularly preferably up to 50 mm. Overall, a surface area is then covered by the tempering, which corresponds to 70 to 140% of the transition region.
- the method is carried out on a hot-forming tool described at the outset, wherein a particularly preferred Compensation element is arranged behind the tempering, so that the different thermal expansions of the tempering, in particular in Pressenhubides the hot forming tool can be compensated or compensated.
- FIG. 1 shows an inventive hot forming tool 1 in the case of FIG. 1 b in a side view and in the case of FIG. 1a in a cross-sectional view along the section line aa.
- the hot forming tool 1 has an upper tool 2 and a lower tool 3, wherein the upper tool is formed of three segments 4, 5, 6, which comprise two normal segments 4, 5 and a heating segment 6 and the lower tool 3 also of three segments 7, 8 9, wherein these also comprise two segments 7, 8 and a heating segment 9.
- the heating segments 6, 9 each have two heating sources 10, for example, media lines for carrying out a heating medium or else heating coils or the like.
- the remaining segments 4, 5, 7, 8 each have Cooling channels 11 on.
- the segments 4, 5 of the upper tool 2 are attached to a tappet 13 by incorporation of a clamping bed 12.
- the segments 7, 8 of the lower tool 3 are fixed to a clamping bed 14, which in turn is mounted on a press table 15. The attachment is done, for example, each by means of sliding blocks.
- the heating segment 9 of the lower tool 3 is mounted floating over compensating elements 16, wherein the compensating elements 16 are at least partially formed as a spring.
- the centrally arranged linear guide 17 which has an axial degree of freedom of movement in the press stroke direction 18.
- the linear guide 17 is arranged in each case centrally of the heating segment 9, so that the heating segment 9 can extend in all directions transverse to the linear guide 17 due to thermal action or can contract.
- the hot forming tool 1 is shown in the closed state, so that a mold cavity 19 results between the upper tool 2 and lower tool 3 and in the mold cavity 19 is a Blechumformbauteil 20 with closed hot forming tool 1 in contact with the respective surface of the segments 4, 5.
- the possibly different extension in the press stroke direction 18 of the heating segment 9 relative to the adjacent segment 8 is compensated by the compensating elements 16.
- a gap 21 between the heating segment 9 and segment 8 and between the heating segment 6 and segment 5 is provided, which prevents heat conduction from the heating segment 6, 9 to segment 5, 8.
- the heating segment 6 is not resiliently mounted in this case on the upper tool 2.
- insulating layers 22 are arranged so that a heat transfer to the respective clamping beds 12, 14 is largely prevented due to heat conduction.
- the heating segments 6, 9 are also on the outer side surfaces Insulating layers 22 arranged so that a heat dissipation to the environment U is also prevented.
- FIGS. 2a and b show an analogous embodiment FIG. 1 with the differences described below.
- the heating segments 6, 9 are each based on the illustration in FIG FIG. 2b arranged on the inside.
- the heating segment 6, 9 of the lower tool 3 by means of balancing elements 16 is floating or mounted elastically, so that a mutually different thermal expansion in Pressenhubides 18 is prevented.
- a corresponding insulating layer 22 is arranged between the respective heating segment 6, 9 and this adjacent segment 4, 5, 7, 8, a corresponding insulating layer 22 is arranged.
- FIG. 2a It can be seen that no guidance is provided, but the compensating elements additionally assume a guiding function and also insulating layers 22 are arranged opposite the surroundings U.
- FIG. 3 the process sequence of the method described according to the invention is shown.
- a circuit board 100 made of a hardenable steel alloy is provided. This already has a board blank here, for the production of a steel component 101 in the form of a B-pillar for a motor vehicle.
- the circuit board 100 is brought into a heating station 102, here for example in the form of a continuous furnace.
- the heating station 102 has two different temperature zones 103, 104, with respect to the image plane an upper temperature zone 103 above AC3 temperature and the image plane lower temperature zone 104 with a temperature below AC1.
- a first area 105 of the board 100 is heated to AC3 temperature or higher, and a second area 106 is heated to below AC1 temperature.
- a wide transition region 107 which is generated on the one hand due to heat conduction within the circuit board 100 itself, on the other hand due to the fact that a partition wall 108 of the heating station 102 has a certain width to one provide thermal isolation between temperature zone above AC3 103 and temperature zone below AC1 104.
- a tempered circuit board 109 is provided, in which a first region 105 over Austenitmaschinestemperatur and a second region 106 below the AC1 temperature are formed and an intervening transition region 107 having a width b107 of 50 mm to 200 mm.
- the thus tempered board 109 is inserted into a hot forming and press hardening tool 110, which is shown here by way of example by the plan view of a lower tool.
- a hot forming and press hardening tool 110 which is shown here by way of example by the plan view of a lower tool.
- at least one segment is arranged, which is designed as tempering segment 111 and in particular heating segment.
- the tempering segment 111 covers in terms of area a major part of the transition region 107 and likewise overlaps, starting from the transition region 107, a part of the second region 106 which is at a temperature below AC1.
- the tempering segment 111 makes it possible to control the cooling rate during the press hardening process and, in particular, to achieve a lower cooling rate, so that martensite formation is largely avoided in the transition region 107.
- a soft region 112 is set in the second region 106 with respect to a hard region 113, wherein the soft region 112 also extends over a large part of the transition region 107 initially present and a sharply bordered transition zone 114 with a width b114 of preferably 10 mm to 35 mm, in particular between 20 mm and 30 mm is set.
- the width b114 of the transition zone 114 preferably corresponds to less than half the width b107 of the transition region 107, in particular less than one third of the width b107 and preferably less than one fourth of the width b107. Furthermore, in the hot forming and press-hardening tool 110, it is shown that the tempering segment 111 does not cover an upper part 107o of the transition region 107, but covers a lower part 107u of the transition region 107, the lower part 107u of the transition region 107 preferably covering 50 to 95% of the surface of the transitional area 107. Further, the tempering segment 111 then extends from the transition region 107 toward the second region 106 having a width of preferably 70 mm, in particular 60 mm and particularly preferably 50 mm. This covered second area 106 u is described by the reference numeral 106 u. This ensures that even the boundary region 115 between the second region 106 and the transition region 107 receives a homogeneous material structure during the press hardening process.
- a sharply edged, highly precise transition zone 114 can be set between different strength areas 112, 113 on a steel component 101.
- A-pillars, roof construction, Schutauernster or similar motor vehicle components are produced, which in particular have large-area soft areas.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Warmumformwerkzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
- Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren gemäß Patentanspruch 16.
- Im Stand der Technik ist es bekannt, zur Herstellung von Blechumformbauteilen die Warmumform- und Presshärtetechnologie einzusetzen. Insbesondere wird ein solches Verfahren zur Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen und hier ganz besonders bevorzugt von Kraftfahrzeugsicherheits- sowie Kraftfahrzeugstrukturbauteilen eingesetzt.
- Zunächst wird eine Platine aus einer härtbaren Stahllegierung bereitgestellt und diese zumindest partiell auf über Austenitisierungstemperatur erwärmt. Die zumindest teilweise austenitisierte Blechplatine besitzt im warmen Zustand höhere Umformfreiheitsgrade, so dass diese in einem Pressumformwerkzeug zum Blechbauteil umgeformt wird. Bereits während oder nach Abschluss des Umformvorganges wird dann besonders bevorzugt das Pressumformwerkzeug gekühlt derart, dass eine Härtung des warmumgeformten noch in dem Warmformwerkzeug befindlichen Blechbauteils erfolgt. Insbesondere wird das hergestellte Blechformbauteil derart rasch abgekühlt, dass das austenitische Gefüge in im Wesentlichen martensitisches Gefüge oder aber in ein Mischgefüge überführt wird. Alternativ ist es auch möglich, das noch warme Blechumformbauteil in ein separates Haltewerkzeug zu überführen und in diesem dann durch rasches Abkühlen abschreckzuhärten.
- Insbesondere bei der partiellen Härtung eines Bauteils ist es von Nöten, einen scharf berandeten Übergangsbereich zwischen gehärteten Bereichen und ungehärteten Bereichen herzustellen. Aufgrund von Wärmeleitung innerhalb der Platine aber auch Wärmeleitung innerhalb des Pressumformwerkzeuges hat es sich als besonders vorteilig erwiesen, das Pressumformwerkzeug selbst segmentiert auszubilden. Dies bedeutet, dass beispielsweise das Oberwerkzeug bzw. das Unterwerkzeug in mindestens zwei voneinander verschiedene Segmente aufgeteilt ist und zwischen den Segmenten eine physische Trennung, beispielweise in Form eines Luftspaltes, vorhanden ist. Hierdurch wird eine Wärmeleitung innerhalb des Werkzeuges unterbunden. Nachteilig dabei ist jedoch, dass die separaten Segmente aufgrund der verschiedenen eingestellten Temperaturen sich unterschiedlich stark ausdehnen.
- Beispielsweise ist ein solches Werkzeug aus der
DE 10 2011 018 850 A1 bekannt. - Weiterhin ist bei der Herstellung von warmumgeformten und pressgehärteten Bauteilen mit partiell voneinander verschiedenen Festigkeitsbereichen die Übergangszone von hartem zu duktilem Bereich aufgrund von Wärmeleitung in der umzuformenden Platine bzw. in dem umgeformten Bauteil mitunter nicht hinreichend scharf berandet.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik ein segmentiertes Warmumformwerkzeug dahingehend zu verbessern, dass die Ausdehnungen aufgrund voneinander verschiedener Temperaturen, die sich in den Segmenten von Oberwerkzeug bzw. Unterwerkzeug einstellen, kompensiert werden und ein hinreichender Anlagenkontakt zwischen den Formoberflächen von Oberwerkzeug und Unterwerkzeug und der umzuformenden Blechplatine bzw. dem geformten Blechbauteil hergestellt ist. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Verfahren aufzuzeigen, um bei einem warmumgeformten und pressgehärteten Bauteil mit voneinander verschiedenen Festigkeitsbereichen einen Übergangsbereich scharf zu beranden.
- Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Warmumformwerkzeug gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
- Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin mit einem Verfahren zur Herstellung eines warmgeformten und pressgehärteten Bauteilen gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 16 gelöst.
- Vorteilhafte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Warmumformwerkzeuges sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
- Das Warmumformwerkzeug weist ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug auf, die aufeinander zu bewegbar sind und bei geschlossenem Warmumformwerkzeug zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug ein Formhohlraum ausgebildet ist, wobei das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug mindestens in zwei Segmente unterteilt ist/sind. In dem Formhohlraum liegt das hergestellte Blechumformbauteil mit der jeweiligen Formoberfläche von Oberwerkzeug bzw. Unterwerkzeug im Anlagenkontakt.
- Das Warmumformwerkzeug ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Segment als Heizsegment ausgebildet ist und dass das Heizsegment auf einer dem Formhohlraum gegenüberliegenden Seite ein Ausgleichselement aufweist, so dass eine thermische Ausdehnung des Heizsegmentes in Pressenhubrichtung kompensiert wird.
- Das Warmumformwerkzeug wird dabei im Rahmen der Erfindung insbesondere zum Umformen von Blechplatinen eingesetzt, wobei die Blechplatinen eine gegenüber der Raumtemperatur höhere Temperatur aufweisen. Blechplatinen können dabei aus einer Stahllegierung ausgebildet sein aber auch aus einer Leichtmetalllegierung, beispielsweise einer Aluminiumlegierung. Bevorzugt wird mit dem erfindungsgemäßen Warmumformwerkzeug jedoch eine warmumformbare und härtbare Stahllegierung bearbeitet, so dass das Warmumformwerkzeug insbesondere als Warmumform- und Presshärtewerkzeug ausgebildet ist. Die Temperatur des warmumzuformenden Bauteils weist dann zumindest partiell eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur, mithin über AC3 auf.
- Bevorzugt ist das Ausgleichselement in Verbindung mit einer schwimmenden Lagerung mit einem linearen Freiheitsgrad, insbesondere in Pressenhubrichtung in Verbindung mit einer Feder ausgebildet. Das Heizsegment selber ist bevorzugt aktiv beheizt, so dass beispielsweise insbesondere in das Heizsegment selbst, eine Heizquelle integriert ist.
- Bevorzugt ist ein Heizsegment im Oberwerkzeug und ein korrespondierend dazu angeordnetes Heizsegment im Unterwerkzeug vorgesehen. Es kann jedoch auch nur im Oberwerkzeug ein Heizsegment oder nur im Unterwerkzeug ein Heizsegment vorgesehen sein. Es können auch jeweils in Oberwerkzeug und Unterwerkzeug mehrere Heizsegmente vorgesehen sein.
- Die restlichen Segmente, insbesondere die dem Heizsegment benachbarten Segmente sind dann mit Kühlkanälen versehen und werden temperiert, so dass die umgeformte Blechplatine derart rasch abgekühlt wird, dass sich beispielsweise bei einem austenitischen Gefüge der Platine ein gehärtetes Gefüge, insbesondere martensitisches Gefüge einstellt. In der Folge weist das Heizsegment eine höhere Temperatur während des Schichtbetriebs auf gegenüber den restlichen Segmenten des Warmumformwerkzeuges und dehnt sich stärker aus. Auch die Temperatur und die Abmessung des Heizsegmentes vor und während des Kontakts mit der Platine unterscheiden sich voneinander. Das Ausgleichselement auf der Rückseite des Heizsegmentes ermöglicht es, dass eine thermische Ausdehnung in Pressenhubrichtung von dem Heizsegment im Oberwerkzeug bzw. im Unterwerkzeug, mithin eine thermische Ausdehnung in Richtung des Formhohlraumes durch das Ausgleichselement kompensiert wird. Insbesondere ist dazu das Heizsegment federnd gelagert, so dass eine Ausdehnung des Heizsegmentes dazu führt, dass das Ausgleichselement zusammengedrückt wird sowie eine Kontraktion des Heizsegmentes zu einer Ausdehnung des Ausgleichselementes führt. Im Ergebnis ist die Absolutposition der Formoberfläche des Heizsegmentes im Formhohlraum annähernd konstant, wobei sich ein gleichmäßiger Anlagenkontakt der Formoberfläche des Heizsegmentes sowie der Formoberfläche der benachbarten Segmente an der Platine einstellt.
- Im Ergebnis kann ein scharf berandeter Übergangsbereich zwischen gezielt eingestellten Gefügezuständen in den einzelnen Abschnitten des hergestellten Bauteils mit voneinander verschiedenen Härten erreicht werden.
- Als Heizquelle in dem Heizsegment können verschiedene Wärmequellen eingesetzt werden. Beispielsweise vorstellbar sind Heizpatronen oder aber auch Widerstandsheizungen in Form von Heizdrähten. Auch vorstellbar ist eine induktive Heizquelle, die dann in das Heizsegment integriert sein kann oder aber auch extern, in Bezug auf den Formhohlraum hinter dem Heizsegment angeordnet ist.
- Weiterhin besonders bevorzugt ist das Heizsegment bei Raumtemperatur untermaßig ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Istmaß des Heizsegmentes im Zustand bei Raumtemperatur kleiner dem Sollmaß des Heizsegmentes bei Betriebstemperatur ist. Die Maßangaben beziehen sich auf die Absolutposition der Formoberfläche des Heizsegmentes im Formhohlraum. Bei Erwärmung des Heizsegmentes durch eine aktive Heizquelle dehnt sich das Heizsegment dann in Folge der Wärmeinwirkung aus. Bei Betriebstemperatur erreicht das Heizsegment bevorzugt sein Sollmaß und/oder ein geringfügig über dem Sollmaß liegendes Maß. Hier stellt sich dann durch das Ausgleichselement jeweils die Absolutposition der Formoberfläche des Heizsegmentes bezogen auf den Formhohlraum exakt passiv ein. Eventuelle Schwankungen in Folge von verschiedenen Temperaturen während des Produktionsprozesses werden dann durch das geringe Übermaß und/oder das Ausgleichselement ausgeglichen.
- Bevorzugt ist das Ausgleichselement als mechanisch passives Element mit einem linearen Bewegungsfreiheitsgrad, insbesondere in Pressenhubrichtung ausgebildet. Weiterhin bevorzugt ist das Ausgleichselement ein federelastisches Element, insbesondere eine Feder, ganz besonders bevorzugt eine Schraubendruckfeder. Weiterhin besonders bevorzugt sind mehrere Ausgleichselemente, insbesondere mehrere Federn derart verteilt, dass ein Verkanten des Heizsegmentes bei Einfedern des Ausgleichselementes vermieden ist. Die Anzahl und Lage und/oder Federrate der Ausgleichselemente, insbesondere der Federn kann dann in Abhängigkeit der Umformgrade und/oder der auf den jeweiligen Flächenabschnitt wirkenden Flächenpressung an dem Heizsegment ausgelegt werden. Bei einem dünnen Abschnitt des Heizsegmentes ist beispielsweise nur ein Ausgleichselement ausreichend, wohingegen bei einem breiteren Abschnitt drei, vier oder fünf Ausgleichselemente in einem Abstand zueinander positioniert angeordnet sind. Das Ausgleichselement kann jedoch auch ein Kissen sein, insbesondere ein hydraulisches Kissen, welches mit einem komprimierbaren Fluid gefüllt ist.
- Weiterhin besonders bevorzugt ist das Oberwerkzeug an einem Stößeltisch gelagert und/oder das Unterwerkzeug an einem Pressentisch. Die Rückseite der Segmente sind bevorzugt jeweils formschlüssig im Falle des Oberwerkzeuges an dem Stößeltisch und im Falle des Unterwerkzeuges an dem Pressentisch bevorzugt unter Eingliederung einer Spannplatte lagefixiert. Das jeweilige Heizsegment ist dann schwimmend gelagert und weist besonders bevorzugt eine lineare Führung auf. Die lineare Führung ist insbesondere derart ausgebildet, dass der lineare Bewegungsfreiheitsgrad in Richtung des Pressenhubs erfolgt. Insbesondere ist die Führung als Führungsstab, welche in ein Führungsloch eingreift ausgeführt, mithin als formschlüssige Gleitführung.
- Besonders bevorzugt ist die lineare Führung bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Pressenhubrichtung des Warmumformwerkzeuges mittig an dem Heizsegment angeordnet. Eine Längenausdehnung des Heizsegmentes in alle Richtungen der Ebene von der im Wesentlichen mittigen Zentrierung wird somit ermöglicht. Die Ausdehnung in Pressenhubrichtung selbst wird wiederum durch das Ausgleichselement realisiert.
- Weiterhin besonders bevorzugt ist an der Rückseite des Heizsegmentes eine Isolierlage angeordnet und/oder an den Seitenrändern bzw. Seitenflächen des Heizsegmentes sind Isolierlagen angeordnet. Aufgrund der Isolierlage kann ein Wärmeverlust sowohl bei aktivem Heizsegment vermindert werden, da der Wärmefluss nur auf die Blechplatine konzentriert werden soll, die Wärmeleitung jedoch in dem Heizsegment selber in alle Richtungen erfolgt, mithin auch zu der Rückseite des Heizsegmentes. Durch einen Einsatz einer Isolierlage kann der Energieeinsatz zum aktiven Beheizen des Heizsegmentes verringert werden. Die Isolierlage an den Seitenrändern bzw. Seitenflächen des Heizsegmentes sind so ausgebildet, dass eine Wärmeleitung an das dem Heizsegment benachbarten Segment unterbunden wird. Auch hier wird der Energieeinsatz zum Erwärmen und Heizen des Heizsegmentes gering gehalten und gleichzeitig ein scharf berandeter Übergangsbereich an dem herzustellenden Bauteil erreicht.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist das Heizsegment aus einem Werkstoff ausgebildet, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem restlichen Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug aufweist. Mithin ist die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes des Heizsegmentes geringer als die Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe der dem Heizsegment benachbarten Segmente.
- Besonders bevorzugt weist der Werkstoff des Heizsegmentes eine höhere Warmfestigkeit auf. Bei dem den Heizsegment benachbarten Segmenten ist es Ziel, eine hohe Wärmeabfuhr zu realisieren, so dass der Presshärteprozess durchgeführt wird. Bei dem Heizsegment selbst soll jedoch maßgeblich keine oder nur deutlich geringere Wärme abgeführt werden, so dass keine Härtung oder allenfalls eine Teilhärtung stattfindet. Dadurch, dass das Heizsegment nur geringere Wärme abführen muss, weist dies eine höhere Warmfestigkeit auf. Unter Warmfestigkeit ist die Formstabilität bei Temperierung des Heizsegmentes zu verstehen.
- Optional ergänzend ist einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch vorgesehen, dass in dem Heizsegment Kühlkanäle ausgebildet sind, so dass auch der Bereich des hergestellten Blechumformbauteils an dem das Heizsegment anliegt, zumindest teilweise kühlbar ist. Hierdurch kann beispielsweise gezielt ein teilgehärtetes Mischgefüge eingestellt werden. Zudem kann damit erreicht werden, dass bei einer Wartung schnell ein handwarmer Zustand im Heizsegment erreicht wird oder das Heizsegment nicht überhitzt.
- Weiterhin besonders bevorzugt ist zwischen dem Heizsegment und mindestens einem der benachbarten Segmente des Heizsegmentes ein Spalt, insbesondere ein Luftspalt, ausgebildet. Dieser Luftspalt hat zwei Vorteile. Zum einen erfolgt aufgrund des Spaltes, mithin der physischen Trennung, keine Wärmeleitung von dem Heizsegment zu einem benachbarten Segment. Mithin kann der Übergangsbereich schärfer berandet werden.
- Als zweiter Vorteil ist jedoch die dadurch geschaffene horizontale Ausdehnungsmöglichkeit des Heizsegmentes zu sehen. Das Heizsegment kann sich in Pressenhubrichtung aufgrund des Ausgleichselementes ausdehnen, wobei die Pressenhubrichtung zumeist vertikal orientiert ist
- Aufgrund des Spaltes kann sich das Heizsegment horizontal ausdehnen, mithin quer zur Pressenhubrichtung während es bevorzugt aufgrund der linearen Führung in der Mitte in Horizontalrichtung verschiebfest gelagert ist.
- Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines umzuformenden und pressgehärteten Stahlbauteils, insbesondere eines Kraftfahrzeugbauteils, mit partiell voneinander verschiedenen Festigkeitseigenschaften. Das Verfahren kennzeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte:
- Erwärmen einer Platine aus einer härtbaren Stahllegierung in einer Erwärmungsstation, wobei mindestens ein erster Bereich auf über Austenitisierungstemperatur (AC3) erwärmt wird und mindestens ein zweiter Bereich auf unterhalb Austenitisierungstemperatur, vorzugsweise kleiner AC1 erwärmt wird und zwischen beiden Bereichen ein Übergangsbereich ausgebildet wird,
- Überführen der so erwärmten Platine in eine Temperierstation oder ein Warmumform- und Presshärtewerkzeug, wobei die Temperierstation oder das Warmumform- und Presshärtewerkzeug segmentiert ausgebildet ist und mindestens ein Temperiersegment aufweist, wobei das Temperiersegment im Bereich des sich ergebenden Übergangsbereichs der erwärmten Platine angeordnet ist,
- Temperieren des Übergangsbereichs mit dem Temperiersegment auf eine Temperatur unterhalb der Ac1 Temperatur, bevorzugt jedoch auf einer Temperatur größer 450°C, insbesondere größer 550°C,
- Warmumformen und Presshärten des Stahlbauteils mit mindestens einem harten Bereich und einem weichen Bereich sowie einer dazwischen liegenden Übergangszone.
- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich eine besonders scharf berandete schmale Übergangszone zwischen vollständig gehärtetem Bereich des hergestellten Stahlbauteils und demgegenüber weicheren Bereich des Stahlbauteils herzustellen. Der vollständig gehärtete Bereich besteht vorzugsweise annähernd vollständig aus martensitischem Gefüge, welches von über AC3 Temperatur entsprechend schnell abgeschreckt wurde. Der demgegenüber weichere Bereich weist bevorzugt ein Mischgefüge auf, mit den einzelnen zusätzlichen bzw. jeweiligen Gefügebestandteilen Bainit, Ferrit, Perlit und/oder Restaustenit. Dies wird insbesondere dadurch hergestellt, dass entweder der duktilere und somit weichere Bereich des Stahlbauteils vor dem Warmumformen zunächst nicht vollständig austenitisiert ist und/oder während des Presshärtens nicht derart schnell abgeschreckt wird, so dass ein vollständig martensitisches Gefüge vermieden wird, bevorzugt kein martensitisches Gefüge ausgebildet wird.
- Der Übergangsbereich ist während der Erwärmung der Platine zunächst recht breit, beispielsweise mit einer Breite von über 100 mm und bevorzugt zwischen 100 und 200 mm ausgebildet. Dies bedingt sich dadurch, dass zum einen in der Erwärmungsstation, beispielsweise in Form eines Durchlaufofens oder eines Etagenofens eine Trennwand angeordnet ist, die zur thermischen Isolierung zwischen zwei Temperaturzonen, beispielsweise 900°C und 600°C eine entsprechende Breite, beispielsweise von mehreren cm aufweist, so dass ein Übergangsbereich an der Platine von mehr als 100 mm bereits durch die verschiedenen Temperatureinwirkungen in beiden Temperaturzonen der Erwärmungsstation erzeugt wird. Ein weiterer Faktor ist die Wärmeleitung innerhalb der Platine selbst. Die Platine ist aus einer härtbaren Stahllegierung ausgebildet, welche zudem hohe Wärmeleitfähigkeiten aufweist. Wird beispielsweise ein Bereich der Platine auf mehr als 900°C erwärmt und ein anderer Bereich auf unter 700°C erwärmt, so entsteht eine Wärmeleitung von wärmerem Bereich zu kühlerem Bereich innerhalb der Platine selbst. Auch hierdurch wird ein Übergangsbereich erzeugt, der eine entsprechende Breite von mehr als 100 mm aufweist. Die Erwärmungszeiten in der Erwärmungsstation betragen bevorzugt zwischen 1 und 20 min. und insbesondere zwischen 3 und 7 min.
- Genau hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren an, dass ein Warmumform- und Presshärtewerkzeug oder alternativ zunächst eine Temperierstation verwendet werden, die ein Temperiersegment aufweisen. Das Temperiersegment selbst ist bezogen auf die Gesamtfläche der Platine bzw. des umzuformenden Bauteils nur einen geringen Bereich überdeckend ausgebildet, so dass im Wesentlichen das Temperiersegment annähernd nur den Übergangsbereich der erwärmten Platine abdeckt. Das Temperiersegment wird in Kontakt mit dem Übergangsbereich gebracht und kann dann aufgrund von Konktakttemperierung den Übergangsbereich entweder nacherwärmen oder aber kühlen bzw. während des Abschreckhärtens im Falle eines Presshärtewerkzeuges warm halten, so dass eine geringere Abkühlrate erzeugt wird. Im Falle einer Temperierstation wird zunächst die aus der Erwärmungsstation wärmebehandelte Platine in die Temperierstation verbracht, in der Temperierstation zumindest der Übergangsbereich durch Kontakttemperierung temperiert, wodurch ein scharf berandeter, nunmehr schmaler Übergangsbereich eingestellt wird, welcher nach dem Presshärten eine scharf berandete Übergangszone ausbildet. Anschließend wird die Platine direkt in ein Warmumform- und Presshärtewerkzeug eingelegt, so dass eine weitere Wärmeleitung in der Platine und dadurch bedingt eine Vergrößerung des Übergangsbereichs unterbunden wird. Das Warmformwerkzeug kann dann besonders vorteilhaft homogen gekühlt ohne Heizsegmente ausgebildet werden.
- Im Falle der Entnahme aus der Erwärmungsstation und des direkten Verbringens in ein Warmumform- und Presshärtewerkzeug ist das Temperiersegment in dem Warmumform- und Presshärtewerkzeug selbst angeordnet. Hier ist das Temperiersegment insbesondere als Heizsegment ausgebildet und temperiert, insbesondere heizt es den Übergangsbereich der Platine während des Presshärtens.
- Der Übergangsbereich wird derart temperiert, dass an dem fertig hergestellten Bauteil dieser zu dem weicheren bzw. duktileren Bereich gehört. Dies bedeutet wiederrum, dass der in der Erwärmungsstation erzeugte Übergangsbereich in der Platine zunächst von ca. 700°C bis 800°C auf unter AC1 Temperatur, insbesondere auf 500°C bis 650°C gekühlt wird und/oder während des Presshärteprozesses derart geheizt wird, dass eine geringere Abkühlrate und somit annähernd keine Martensitbildung im Übergangsbereich erzeugt wird.
- Im Rahmen der Erfindung ist es somit möglich, einen Übergangsbereich, welcher eine Breite zwischen 50 mm und 200 mm bei der in der Erwärmungsstation temperierten Platine aufweist, in prozessoptimierter und energetisch einfacher Weise als Übergangszone mit einer Breite zwischen 1 mm und 50 mm, insbesondere zwischen 15 mm und 40 mm, besonders bevorzugt zwischen 20 mm und 30 mm an dem nach dem Presshärteprozess hergestellten Bauteil scharf berandet zu erzeugen.
- Hierzu ist das Temperiersegment im Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug der Temperierstation oder aber des Warmumform- und Presshärtewerkzeuges angeordnet. Das Temperiersegement hat eine derartige Dimensionierung, dass es einen Flächenanteil von 50 bis 95% des Übergangsbereichs der erwärmten Platine überdeckt.
- In weiterer vorteilhafter Ausgestaltungsvariante ist das Temperiersegment derart dimensioniert, dass es zusätzlich den auf unter AC3, insbesondere unter AC1 Temperatur erwärmten Bereich von dem Übergangsbereich aus, weiterhin bis zu 70 mm, insbesondere bis zu 60 mm und besonders bevorzugt bis zu 50 mm überlappt. Insgesamt wird dann von dem Temperiersegment ein Flächenbereich überdeckt, der 70 bis 140% des Übergangsbereichs entspricht.
- Insbesondere wird das Verfahren auf einem eingangs beschrieben Warmumformwerkzeug durchgeführt, wobei weiterhin besonders bevorzugt ein Ausgleichselement hinter dem Temperiersegment angeordnet wird, so dass die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des Temperiersegmentes, insbesondere in Pressenhubrichtung des Warmumformwerkzeuges kompensiert bzw. ausgeglichen werden.
- Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
- Figur 1a und b
- ein erfindungsgemäßes Warmumformwerkzeug in Querschnittsansicht und Seitenansicht,
- Figur 2a und b
- eine alternative Ausgestaltungsvariante zu
Figur 1a und b mit innenliegenden Heizsegment und - Figur 3
- das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlbauteils mit voneinander verschiedenen Festigkeitsbereichen.
- In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
-
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Warmumformwerkzeug 1 im Falle vonFigur 1 b in einer Seitenansicht und im Falle vonFigur 1a in einer Querschnittsansicht gemäß der Schnittlinie a-a. Das Warmumformwerkzeug 1 weist ein Oberwerkzeug 2 und ein Unterwerkzeug 3 auf, wobei das Oberwerkzeug aus drei Segmenten 4, 5, 6 ausgebildet ist, welche zwei normale Segmente 4, 5 und ein Heizsegment 6 umfassen und das Unterwerkzeug 3 ebenfalls aus drei Segmenten 7, 8, 9 ausgebildet ist, wobei auch dieses zwei Segmente 7, 8 und ein Heizsegment 9 umfassen. - Die Heizsegmente 6, 9 weisen jeweils zwei Heizquellen 10 auf, beispielsweise Medienleitungen zum Durchführen eines Erwärmungsmediums oder aber auch Heizspiralen oder ähnliches. Die restlichen Segmente 4, 5, 7, 8 weisen jeweils Kühlkanäle 11 auf. Die Segmente 4, 5 des Oberwerkzeuges 2 sind dabei unter Eingliederung eines Spannbetts 12 an einem Stößeltisch 13 befestigt. Die Segmente 7, 8 des Unterwerkzeuges 3 sind an einem Spannbett 14 festgelegt, welches wiederum an einem Pressentisch 15 gelagert ist. Die Befestigung erfolgt beispielsweise jeweils mittels Nutensteinen.
- Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass das Heizsegment 9 des Unterwerkzeuges 3 über Ausgleichselemente 16 schwimmend gelagert ist, wobei die Ausgleichselemente 16 zumindest teilweise als Feder ausgebildet sind. Zusätzlich sind gut erkennbar ist in den
Figuren 1a und 1b die mittig angeordnete lineare Führung 17, die in Pressenhubrichtung 18 einen axialen Bewegungsfreiheitsgrad aufweist. Quer zur Pressenhubrichtung 18 ist die lineare Führung 17 jeweils mittig an dem Heizsegment 9 angeordnet, so dass sich das Heizsegment 9 in alle Richtungen quer zur linearen Führung 17 aufgrund thermischer Einwirkung ausdehnen kann bzw. zusammenziehen kann. - Das Warmumformwerkzeug 1 ist im geschlossenen Zustand dargestellt, so dass sich zwischen Oberwerkzeug 2 und Unterwerkzeug 3 ein Formhohlraum 19 ergibt und in dem Formhohlraum 19 ein Blechumformbauteil 20 bei geschlossenem Warmumformwerkzeug 1 im Anlagenkontakt mit der jeweiligen Oberfläche der Segmente 4, 5 liegt. Die eventuell voneinander verschiedene Ausdehnung in Pressenhubrichtung 18 des Heizsegmentes 9 gegenüber dem diesen benachbarten Segment 8 wird durch die Ausgleichselemente 16 kompensiert.
- Zusätzlich ist ein Spalt 21 zwischen Heizsegment 9 und Segment 8 sowie zwischen Heizsegment 6 und Segment 5 vorgesehen, der eine Wärmeleitung von Heizsegment 6, 9 zu Segment 5, 8 unterbindet.
- Das Heizsegment 6 ist in diesem Falle am Oberwerkzeug 2 nicht federnd gelagert. An der dem Formhohlraum 19 abgewandten Seite der Heizsegmente 6, 9 sind Isolierlagen 22 angeordnet, so dass ein Wärmetransport an die jeweiligen Spannbetten 12, 14 aufgrund von Wärmeleitung weitestgehend unterbunden wird. Ferner sind auch an den außenliegenden Seitenflächen der Heizsegmente 6, 9 Isolierlagen 22 angeordnet, so dass eine Wärmeabfuhr an die Umgebung U ebenfalls unterbunden wird.
-
Figur 2a und b zeigen eine analoge Ausführungsvariante zuFigur 1 mit den nachfolgend beschriebenen Unterschieden. Die Heizsegmente 6, 9 sind jeweils bezogen auf die Darstellung inFigur 2b innenliegend angeordnet. Auch hier ist wiederum das Heizsegment 6, 9 des Unterwerkzeuges 3 mittels Ausgleichselementen 16 schwimmend bzw. elastisch gelagert, so dass eine voneinander verschiedene Wärmeausdehnung in Pressenhubrichtung 18 unterbunden wird. Zusätzlich ist zwischen dem jeweiligen Heizsegment 6, 9 und dem diesen benachbarte Segment 4, 5, 7, 8 eine entsprechende Isolierlage 22 angeordnet. Ferner ist gemäßFigur 2a ersichtlich, dass keine Führung vorgesehen ist, sondern die Ausgleichselemente zusätzlich eine Führungsfunktion übernehmen sowie ebenfalls Isolierlagen 22 gegenüber der Umgebung U angeordnet sind. - In
Figur 3 dargestellt ist der Verfahrensablauf des erfindungsgemäß beschriebenen Verfahrens. Zunächst wird eine Platine 100 aus einer härtbaren Stahllegierung bereitgestellt. Diese weist hier bereits einen Platinenzuschnitt auf, zur Herstellung eines Stahlbauteils 101 in Form einer B-Säule für ein Kraftfahrzeug. Die Platine 100 wird in eine Erwärmungsstation 102 verbracht, hier beispielsweise in Form eines Durchlaufofens. Die Erwärmungsstation 102 weist zwei unterschiedliche Temperaturzonen 103, 104 auf, auf die Bildebene bezogen eine obere Temperaturzone 103 über AC3 Temperatur und die auf die Bildebene bezogen untere Temperaturzone 104 mit einer Temperatur unterhalb von AC1. In der Folge wird ein erster Bereich 105 der Platine 100 auf AC3 Temperatur oder höher erwärmt und ein zweiter Bereich 106 auf unterhalb AC1 Temperatur erwärmt. Zwischen erstem Bereich 105 und zweitem Bereich 106 ist dann ein breiter Übergangsbereich 107 ausgebildet, der zum einen aufgrund von Wärmeleitung innerhalb der Platine 100 selbst erzeugt wird, zum anderen aufgrund der Tatsache, dass eine Trennwand 108 der Erwärmungsstation 102 eine gewisse Breite aufweist, um eine thermische Isolierung zwischen Temperaturzone über AC3 103 und Temperaturzone unter AC1 104 bereitzustellen. - Nach Entnahme aus der Erwärmungsstation 102 steht eine temperierte Platine 109 bereit, in der ein erster Bereich 105 über Austenitisierungstemperatur und ein zweiter Bereich 106 unterhalb der AC1 Temperatur ausgebildet sind sowie ein dazwischen sich erstreckender Übergangsbereich 107 mit einer Breite b107 von 50 mm bis 200 mm.
- Die so temperierte Platine 109 wird in ein Warmumform- und Presshärtewerkzeug 110 eingelegt, welches hier exemplarisch durch die Draufsicht auf ein Unterwerkzeug dargestellt ist. Darin ist zumindest ein Segment angeordnet, welches als Temperiersegment 111 und insbesondere Heizsegment ausgebildet ist. Das Temperiersegment 111 überdeckt dabei flächenmäßig einen Großteil des Übergangsbereiches 107 und überlappt ebenfalls von dem Übergangsbereich 107 ausgehend einen Teil des zweiten Bereiches 106, welcher sich auf unter AC1 Temperatur befindet. Mit dem Temperiersegment 111 wird es ermöglicht während des Presshärteprozesses die Abkühlgeschwindigkeit zu steuern und insbesondere eine geringere Abkühlrate zu erzielen, so dass in dem Übergangsbereich 107 eine Martensitbildung weitestgehend vermieden wird. In der Folge wird in dem zweiten Bereich 106 ein weicher Bereich 112 gegenüber einem harten Bereich 113 eingestellt, wobei sich der weiche Bereich 112 auch über einen Großteil des zunächst vorhandenen Übergangsbereiches 107 erstreckt und eine scharf berandete Übergangszone 114 mit einer Breite b114 von bevorzugt 10 mm bis 35 mm, insbesondere zwischen 20 mm und 30 mm eingestellt wird. Mit gestrichelter Linie dargestellt, ist bei dem fertig hergestellten Stahlbauteil 101 die theoretische Lage des Temperiersegmentes 111.
- Die Breite b114 der Übergangszone 114 entspricht dabei bevorzugt weniger als der Hälfte der Breite b107 des Übergangsbereichs 107, insbesondere weniger als ein Drittel der Breite b107 und bevorzugt weniger als ein Viertel der Breite b107. Weiterhin dargestellt ist in dem Warmumform- und Presshärtewerkzeug 110, dass das Temperiersegment 111 einen oberen Teil 107o des Übergangsbereiches 107 nicht überdeckt, jedoch einen unteren Teil 107u des Übergangsbereiches 107 überdeckt, wobei der untere Teil 107u des Übergangsbereiches 107 bevorzugt 50 bis 95% der Fläche des Übergangsbereichs 107 entspricht. Ferner erstreckt sich das Temperiersegment 111 dann von dem Übergangsbereich 107 aus, in Richtung zu dem zweiten Bereich 106 mit einer Breite von bevorzugt 70 mm, insbesondere 60 mm und besonders bevorzugt 50 mm. Dieser überdeckte zweite Bereich 106ü wird mit dem Bezugszeichen 106ü beschrieben. Hierdurch wird sichergestellt, dass auch der Grenzbereich 115 zwischen zweitem Bereich 106 und Übergangsbereich 107 ein homogenes Werkstoffgefüge während des Presshärteprozesses erhält.
- In dem Warmumform- und Presshärtewerkzeug 110 kann somit durch eine einfache und effektive Maßnahme mit einer konventionellen Erwärmungsstation 102 sowie einem modifizierten Warmumform- und Presshärtewerkzeug 110 ein scharf berandeter, höchst präziser Übergangszone 114 zwischen voneinander verschiedenen Festigkeitsbereichen 112, 113 an einem Stahlbauteil 101 eingestellt werden.
- Weiterhin bevorzugt werden A-Säulen, Dachbau, Hintertürfenster oder ähnliche Kraftfahrzeugbauteile hergestellt, welche insbesondere großflächige weiche Bereiche aufweisen.
-
- 1 -
- Warmumformwerkzeug
- 2 -
- Oberwerkzeug
- 3 -
- Unterwerkzeug
- 4 -
- Segment zu 2
- 5 -
- Segment zu 2
- 6 -
- Heizsegment zu 2
- 7 -
- Segment zu 3
- 8 -
- Segment zu 3
- 9 -
- Heizsegment zu 3
- 10 -
- Heizquelle
- 11 -
- Kühlkanal
- 12 -
- Spannbett zu 2
- 13 -
- Stößeltisch
- 14 -
- Spannbett zu 3
- 15 -
- Pressentisch
- 16 -
- Ausgleichselement
- 17 -
- Führung
- 18 -
- Pressenhubrichtung
- 19 -
- Formhohlraum
- 20 -
- Platine
- 21 -
- Spalt
- 22 -
- Isolierlage
- 23 -
- Rückseite zu 6, 9
- 100 -
- Platine
- 101 -
- Stahlbauteil
- 102 -
- Erwärmungsstation
- 103 -
- Temperaturzone über AC3
- 104 -
- Temperaturzone unter AC1
- 105 -
- erster Bereich zu 100
- 106 -
- zweiter Bereich zu 100
- 106ü -
- überdeckter zweiter Bereich
- 107 -
- Übergangsbereich zu 100
- 107o -
- oberer Teil zu 107
- 107u -
- unterer Teil zu 107
- 108 -
- Trennwand
- 109 -
- temperierte Platine
- 110 -
- Warmumform- und Presshärtewerkzeug
- 111 -
- Temperiersegment
- 112 -
- weicher Bereich
- 113 -
- harter Bereich
- 114 -
- Übergangszone zu 101
- 115 -
- Grenzbereich
- b107 -
- Breite zu 107
- b114 -
- Breite zu 114
- U -
- Umgebung
Claims (23)
- Warmumformwerkzeug (1) aufweisend ein Oberwerkzeug (2) und ein Unterwerkzeug (3), welche aufeinander zu bewegbar sind und bei geschlossenem Warmumformwerkzeug (1) zwischen Oberwerkzeug (2) und Unterwerkzeug (3) ein Formhohlraum (19) ausgebildet ist, wobei das Oberwerkzeug (2) und/oder das Unterwerkzeug (3) in mindestens zwei Segmente (4, 5, 6, 7, 8, 9) unterteilt ist/sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Segment als Heizsegment (6, 9) ausgebildet ist und das Heizsegment (6, 9) auf einer dem Formhohlraum (19) gegenüberliegenden Seite ein Ausgleichselement (16) aufweist, so dass eine thermische Ausdehnung des Heizsegmentes (6, 9) in Pressenhubrichtung (18) kompensiert wird.
- Warmumformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsegment (6, 9) aktiv beheizt ist, insbesondere durch eine in das Heizsegment (6, 9) integrierte Heizquelle (10).
- Warmumformwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsegment (6, 9) bei Raumtemperatur untermaßig ausgebildet ist.
- Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (16) ein mechanisches passives Element mit einem linearen Bewegungsfreiheitsgrad ist, insbesondere eine Feder, wobei das Heizsegment (6, 9) bevorzugt schwimmend gelagert ist.
- Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (16) ein Kissen ist, insbesondere ein hydraulisches Kissen.
- Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwerkzeug (2) an einem Stößeltisch (13) gelagert ist und/oder dass das Unterwerkzeug (3) an einem Pressentisch (15) gelagert ist.
- Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückseite (23) des Heizsegmentes (6, 9) eine Isolierlage (22) angeordnet ist und/oder dass an den Seitenrändern des Heizsegmentes (6, 9) Isolierlagen (22) angeordnet sind.
- Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsegment (6, 9) mit mindestens einer linearen Führung (17) gelagert ist.
- Warmumformwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Führung (17) einen axialen Freiheitsgrad in Pressenhubrichtung (18) aufweist und bezogen auf eine Ebene quer zur Pressenhubrichtung (18) an dem Heizsegment (9) mittig angeordnet ist, so dass sich das Heizsegment (9) ausgehend von der linearen Führung (17) in alle Richtungen der Ebene thermisch ausdehnen kann.
- Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsegment (6, 9) aus einem Werkstoff ausgebildet ist, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit gegenüber den benachbarten Segmenten (4, 5, 7, 8) des Oberwerkzeugs (2) und/oder Unterwerkzeugs (3) aufweist, insbesondere weist der Werkstoff des Heizsegmentes (6, 9) eine höhere Warmfestigkeit auf.
- Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Segmenten (4, 5, 7, 8) des Oberwerkzeuges (2) und/oder des Unterwerkzeuges (3) Kühlkanäle (11) zur Durchleitung eines Kühlmediums angeordnet sind.
- Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Heizsegment (6, 9) Kühlkanäle (11) ausgebildet sind.
- Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Heizsegment (6, 9) und dem diesen benachbarten Segment (4, 5, 7, 8) ein Spalt (21), insbesondere ein Luftspalt ausgebildet ist.
- Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platine aus einer Stahllegierung umgeformt wird oder dass eine Platine aus einer Leichtmetalllegierung umgeformt wird.
- Warmumformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es als Warmumform- und Presshärtewerkzeug ausgebildet ist.
- Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlbauteils (101), insbesondere Kraftfahrzeugbauteils, mit partiell voneinander verschiedenen Festigkeitseigenschaften, gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte:- Erwärmen einer Platine (100) aus einer härtbaren Stahllegierung in einer Erwärmungsstation (102), wobei mindestens ein erster Bereich (105) auf über Austenitisierungstemperatur erwärmt wird und mindestens ein zweiter Bereich (106) auf unterhalb Austenitisierungstemperatur, vorzugsweise kleiner Ac1 erwärmt wird und zwischen beiden Bereichen ein Übergangsbereich (107) ausgebildet wird,- Überführen der so erwärmten Platine (100) in eine Temperierstation oder ein Warmumform- und Presshärtewerkzeug, wobei die Temperierstation oder das Warmumform- und Presshärtewerkzeug (110) segmentiert ausgebildet ist und mindestens ein Temperiersegment (111) aufweist, wobei das Temperiersegment (111) im Bereich des sich ergebenden Übergangsbereichs (107) der partiell voneinander verschieden temperierten Platine (109) angeordnet ist,- Temperieren des Übergangsbereichs (107) vor oder während des Presshärtens,- Warmumformen und Presshärten des Stahlbauteils (101) mit mindestens einem harten Bereich (113) und einem weichen Bereich (112) sowie einer dazwischen liegenden Übergangszone (114), wobei die Übergangszone (114) flächenmäßig kleiner ist als der Übergangsbereich (107).
- Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsstation (103) ein Etagenofen oder ein Durchlaufofen mit voneinander verschiedenen Temperaturzonen (103, 104) ist, wobei die Temperaturzonen (103, 104) insbesondere durch eine Trennwand (108) thermisch voneinander isoliert sind.
- Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Erwärmungsstation (103) ein Übergangsbereich (107) zwischen dem ersten Bereich (105) und dem zweiten Bereich (106) mit einer Breite zwischen 50 mm und 200 mm erzeugt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiersegment (111) einen Flächenanteil des Übergangsbereiches (107) von 50 bis 95% überdeckt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiersegment (111) als Heizsegment ausgebildet ist und der Übergangsbereich (107) während des Warmumform- und Presshärteprozesses durch das Heizsegment derart geheizt wird, dass keine vollständige Härtung eintritt, insbesondere so dass bei dem pressgehärteten Stahlbauteil (101) in dem von dem Temperiersegment (111) überdeckten Übergangsbereich (107) ein mit dem weichen Bereich (112) gleiches Werkstoffgefüge eingestellt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übergangszone (114) zwischen dem harten Bereich (113) und dem weichen Bereich (112) mit einer Breite (b114) zwischen 1 mm und 50 mm, insbesondere mit einer Breite zwischen 10 mm und 40 mm und besonders bevorzugt zwischen 20 mm und 30 mm erzeugt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsegment den auf unter Ac1 erwärmten Bereich (106) von dem Übergangsbereich (107) aus bis zu 70 mm, insbesondere bis zu 60 mm und bevorzugt bis zu 50 mm überlappt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warmumformwerkzeug (1) gemäß Anspruch 1 verwendet wird.
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