EP3455006A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils

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EP3455006A1
EP3455006A1 EP17720460.9A EP17720460A EP3455006A1 EP 3455006 A1 EP3455006 A1 EP 3455006A1 EP 17720460 A EP17720460 A EP 17720460A EP 3455006 A1 EP3455006 A1 EP 3455006A1
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • B21D22/02—Stamping using rigid devices or tools
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C22F1/053—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 of alloys with zinc as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a component made of a hardenable aluminum alloy according to the preamble of independent claim 1.
  • Aluminum sheet in the cold tool results in a very soft state of the formed sheet, similar to that of the W-temper condition.
  • the W-Temper process makes increased demands on the process control of the plant technology, because the components have to be reshaped in a tight temporal process window after the heat treatment.
  • the achievable degrees of deformation compared to hot forming are relatively low.
  • Aluminum sheet heat aging the partially formed aluminum sheet, and then finish forming the partially formed aluminum sheet at room temperature into a final shape of the aluminum molded piece.
  • the aluminum plate is quenched after heating, provided with a lubricant and cold formed in a forming tool.
  • the invention proposes a method for producing a component made of a hardenable aluminum alloy. curable
  • Aluminum alloys within the meaning of the invention are so-called 7000er Alloys or 6000 alloys as well as all other alloys that can achieve high strength values by curing.
  • a blank is heated to a predetermined temperature.
  • a blank for example, aluminum boards are to be understood, which were previously deflected by an aluminum coil.
  • blanks can also be boards with a predetermined shape, which are adapted to the final shape of the finished component to be achieved.
  • the blank is heated to a predetermined temperature in the range of 450 to 550 ° C, especially 500 ° C.
  • the heated blank is formed in a cold tool, wherein the blank is cooled simultaneously during the forming of the semifinished product.
  • the heated blank is first cooled and then formed in the forming tool.
  • cooling or quenching to ambient temperature takes place.
  • the ambient temperature is in a range of 5 to 50 ° C.
  • the semi-finished product is in a so-called W state. In this state, the blank has a soft material texture.
  • the core of the invention is the recognition that in this state, an immediate transformation in the cold state can follow, without the component solution must be annealed.
  • a semi-finished product is a two-dimensional or three-dimensionally shaped molded part.
  • a component is also a two-dimensionally or three-dimensionally curved molded part, whose geometric shape and contour in the
  • a minor processing or no machining is necessary to achieve the final shape of the component.
  • post-processing holes introduced, applied coatings or minor trimmings are made on the component.
  • the heated blank can be preformed in a Vorumform suits to the semifinished product and the cooled and preformed semi-finished in a second, near-net shape forming step to be final molded into a component.
  • a pre-forming in the heated state very large degrees of deformation can be realized without causing solidification in the material.
  • near-net shape forming only minor shape adjustments are realized in which the risk of solidification in the material of the component is relatively low.
  • W-state is defined in EN-515: 2000 as a state immediately after solution heat treatment and quenching and represents an unstable state, since the elongation at break / formability decreases by storage at room temperature.
  • the cooled blank may be in a W state prior to forming in the second forming tool.
  • the component can be hardened by a heat treatment.
  • a heat treatment can take place, for example, in the form of thermal aging.
  • the component is at a temperature in the range of 80 to 250 ° C, preferably but 200 ° C, heated and kept at this temperature for two hours.
  • the component is converted into a so-called T6 or a so-called T7 state. States T6 and T7 are also defined in EN-515: 2000.
  • the blank or the preformed semifinished product can be trimmed near net shape. This offers the advantage that the trimming takes place in a relatively soft state. Compared to a trimming of the finished, d. H. hardened component, there is an advantage in that the wear on the trimming tools can be significantly reduced.
  • FIG. 1 shows the method step of heating
  • FIG. 2 shows the method step of the first forming
  • FIG. 3 shows the preformed semi-finished product
  • FIG. 4 shows the method step of the second forming
  • FIG. 5 shows the method step of component hardening.
  • a preformed board 10 is heated by means of a heater 40 to a predetermined temperature in the range of about 500 ° C +/- 10%.
  • the heated blank 10 is introduced into a first forming tool 20, which comprises an upper mold half 21 and a lower mold half 22.
  • the two tool halves 21, 22 are close to each other and open to move away from each other.
  • the heated blank 10 is formed into a semi-finished 1 1.
  • large degrees of deformation are achieved, so that the Hauptumformarbeit, which is necessary for the transformation of the blank 10 to the finished component 12, already performed in the first forming step in the tool 20.
  • the formed semi-finished product 1 1 can be quenched at the same time as the forming in the forming tool 20.
  • the formed semi-finished product 1 1 As soon as the formed semi-finished product 1 1 has cooled, it is introduced into a second forming tool 30. This includes analogous to the first
  • Tool 20 also an upper mold half 31 and a lower mold half 32, which are movable toward and away from each other. By closing the tool halves 31 and 32, the preformed semi-finished product 1 1 is brought to the final contour of the finished component 12. As can be seen from FIG. 4, only minor degrees of deformation are achieved in this case. The formed on final contour component 12 and the only
  • Endkonturnah shaped component 12 is removed from the second forming tool 30 and cured by means of a heat treatment.
  • This heat treatment is shown in Figure 5, in which by means of a second heater 50, the component 12 to a predetermined temperature z. B. in the range of 180 ° C to 250 ° C is heated. After the component has a predetermined time, z. B. 2h, was exposed to this temperature, the finished component has predetermined strength properties.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (12) aus einer härtbaren Aluminiumlegierung, mit den Schritten: - Erwärmen eines Rohteils (11) auf eine vorbestimmte Temperatur, - Umformen des erwärmten Rohteils (10) in einem Umformwerkzeug (20) zu einem Halbzeug (11), - Abkühlen des Halbzeugs (11), wobei das Abkühlen nach dem Umformen oder während des Umformens erfolgt, gekennzeichnet durch den Schritt - Umformen des abgekühlten Halbzeugs (11) in einem zweiten Umformwerkzeug (30) zu einem Bauteil (12).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer härtbaren Aluminiumlegierung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 .
Zur Umformung von Aluminium haben sich vier grundsätzlich verschiedene Verfahren etabliert. Beim Kaltumformen im sogenannten T4-Zustand erfolgt das Umformen einer Aluminiumplatine in einem weichen Zustand. Danach wird durch Warmauslagern das Bauteil gehärtet. Beim W-Tempern und Umformen im W-Zustand wird eine Aluminiumplatine zunächst
lösungsgeglüht, anschließend abgeschreckt und sofort im sehr weichen Zustand umgeformt. Auch hieran kann sich ein Warmauslagern anschließen zum Härten des Materials. Beim sogenannten Halbwarmumformen wird ein ausgehärteter Werkstoff auf ca. 200 bis 250 °C erwärmt und in diesem warmen und erweichten Zustand umgeformt. Darüber hinaus ist auch das Warmumformen bekannt, bei dem eine aushärtbare Legierung auf
Temperaturen über 400 °C erwärmt wird und in einem kalten oder warmen Umformwerkzeug umgeformt wird. Beim Umformen des heißen
Aluminiumblechs im kalten Werkzeug ergibt sich ein sehr weicher Zustand des umgeformten Blechs, ähnlich dem des W-Temper Zustands.
Das W-Temper Verfahren stellt erhöhte Anforderung an die Prozessführung der Anlagentechnik, denn die Bauteile müssen in einem engen zeitlichen Prozessfenster nach der Wärmebehandlung umgeformt werden. Die erreichbaren Umformgrade verglichen mit dem Warmumformen sind relativ gering. Aus der DE 10 2008 032 91 1 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Formteils bekannt, mit den Schritten: Einlegen eines
Aluminiumblechs in ein Umformwerkzeug, Teilumformen des
Aluminiumblechs bei Raumtemperatur zu einem teilumgeformten
Aluminiumblech, Warmauslagern des teilumgeformten Aluminiumblechs und anschließendes Endumformen des teilumgeformten Aluminiumblechs bei Raumtemperatur in eine Endform des Aluminium-Formteils.
Aus der DE 10 2012 007 213 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Formteils bekannt. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird eine umzuformende Aluminiumplatine erhitzt und unter gleichzeitiger
Abschreckung in einem gekühlten Umformwerkzeug umgeformt. Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird die Aluminiumplatine nach dem Erhitzen abgeschreckt, mit einem Schmierstoff versehen und in kaltem Zustand in einem Umformwerkzeug umgeformt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Es ist eine besondere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem größtmögliche Umformgrade erzielbar sind. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches sich durch hohe Taktzeiten bzw. durch starke verfahrenstechnische
Vereinfachung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des
unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die davon abhängigen
Patentansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer härtbaren Aluminiumlegierung vor. Härtbare
Aluminiumlegierungen im Sinne der Erfindung sind sogenannte 7000er Legierungen oder 6000er Legierungen sowie alle weiteren Legierungen, die durch Aushärtung hohe Festigkeitswerte erreichen können. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird ein Rohteil auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Als Rohteil sind beispielsweise Aluminiumplatinen zu verstehen, die vorher von einem Aluminium Coil abgelenkt wurden. Selbstverständlich können Rohteile auch Platinen mit einer vorbestimmten Form sein, die auf die zu erzielende Endform des fertigen Bauteils angepasst sind. Das Rohteil wird auf eine vorbestimmte Temperatur im Bereich von 450 bis 550 °C, insbesondere 500 °C, erwärmt. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird das erwärmte Rohteil in einem kalten Werkzeug umgeformt, wobei das Rohteil bei der Umformung zum Halbzeug gleichzeitig abgekühlt wird.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird das erwärmte Rohteil zunächst abgekühlt und dann in dem Umformwerkzeug umgeformt. In beiden beschriebenen Ausführungsformen erfolgt ein Abkühlen bzw. ein Abschrecken auf Umgebungstemperatur. Die Umgebungstemperatur liegt dabei in einem Bereich von 5 bis 50 °C. Nach dem Umformen liegt das Halbzeug in einem sogenannten W-Zustand vor. In diesem Zustand liegt weist das Rohteil ein weiches Materialgefüge auf.
Kern der Erfindung ist die Erkenntnis, dass in diesem Zustand eine sich unmittelbare Umformung im kalten Zustand anschließen kann, ohne dass das Bauteil lösungsgeglüht werden muss. Durch die Umformung des abgekühlten Halbzeugs in einem zweiten Umformwerkzeug wird nahezu die Endform des Bauteils erzeugt. Im Sinne der Erfindung ist ein Halbzeug ein zweidimensional oder dreidimensional geformtes Formteil. Im Sinne der Erfindung ist ein Bauteil ein ebenfalls zweidimensional oder dreidimensional gekrümmtes Formteil, dessen geometrische Form und Kontur im
Wesentlichen dem fertigen Bauteil entspricht. Mit anderen Worten, ist nach dem zweiten Umformen nur noch eine geringfügige Bearbeitung oder auch gar keine Bearbeitung notwendig, um die Endform des Bauteils zu erreichen. Selbstverständlich können jedoch durch Nachbearbeitung noch Löcher eingebracht, Beschichtungen aufgebracht oder geringfügige Beschnitte am Bauteil vorgenommen werden.
Weiterhin kann das erwärmte Rohteil in einem Vorumformschritt zu dem Halbzeug vorgeformt werden und das abgekühlte und vorgeformte Halbzeug in einem zweiten, endkonturnahen Umformschritt zu einem Bauteil endgeformt werden. Bei einer Vorumformung in erwärmten Zustand können sehr große Umformgrade realisiert werden, ohne dass es zu Verfestigungen im Material kommt. Bei der zweiten, endkonturnahen Umformung werden nur noch geringfügige Formanpassungen realisiert, bei denen die Gefahr von Verfestigungen im Material des Bauteils verhältnismäßig gering ist. Durch die Kombination des Warmumformens in einer ersten Umformstufe, wobei der warme Werkstoff in einem kalten Werkzeug umgeformt wird, und im direkten Anschluss des Umformens im W-Zustand als zweite Umformstufe, verlässt das Material des Aluminiumblechs die erste Umformstufe im W-Zustand, der technisch für die zweite Umformstufe genutzt werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass eine zusätzliche Wärmebehandlung, die sonst für das
Umformverfahren im W-Zustand notwendig ist, entfällt. Somit kann das Umformvermögen des Werkstoffs optimal ausgenützt werden und das Herstellverfahren um einen Erwärmungsschritt gekürzt werden. Der sogenannte W-Zustand ist in der EN-515:2000 definiert als Zustand unmittelbar nach dem Lösungsglühen und Abschrecken und stellt einen instabilen Zustand dar, da die Bruchdehnung/Umformbarkeit durch die Lagerung bei Raumtemperatur abnimmt.
Weiterhin kann sich das abgekühlte Rohteil vor der Umformung in dem zweiten Umformwerkzeug in einem W-Zustand befinden.
Weiterhin kann in einem anschließenden Verfahrensschritt das Bauteil durch eine Wärmebehandlung gehärtet werden. Eine derartige Wärmebehandlung kann beispielsweise in Form einer Warmauslagerung erfolgen. Dabei wird das Bauteil auf eine Temperatur im Bereich von 80 bis 250 °C, bevorzugt jedoch 200 °C, erwärmt und zwei Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Dadurch wird das Bauteil in einen sogenannten T6 oder einen sogenannten T7 Zustand überführt. Die Zustände T6 und T7 sind ebenfalls in der EN- 515:2000 definiert.
Bevorzugt erfolgt vor der Härtung des geformten Halbzeugs ein Beschnitt des vorgeformten Bauteils oder des Rohteils. Das Rohteil bzw. das vorgeformte Halbzeug kann dabei endkonturnah beschnitten werden. Dies bietet den Vorteil, dass der Beschnitt in einem verhältnismäßig weichen Zustand erfolgt. Gegenüber einem Beschnitt des fertigen, d. h. gehärteten Bauteils, ergibt sich ein Vorteil dahingehend, dass der Verschleiß an den Beschnittwerkzeugen wesentlich reduziert werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Beschreibung, die Ansprüche und die Figuren zeigen eine Vielzahl von Merkmalen, die ein Fachmann auch in anderen Kombinationen in Erwägung ziehen würde, um sie an entsprechende Anforderungen anzupassen.
Dabei zeigen in schematischer, vereinfachter Darstellung:
Figur 1 den Verfahrensschritt des Aufheizens,
Figur 2 den Verfahrensschritt der ersten Umformung,
Figur 3 das vorgeformte Halbzeug,
Figur 4 den Verfahrensschritt der zweiten Umformung, und
Figur 5 den Verfahrensschritt der Bauteilhärtung. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, wird eine vorgeformte Platine 10 mit Hilfe einer Heizeinrichtung 40 auf eine vorbestimmte Temperatur im Bereich von ca. 500 °C +/- 10 % erwärmt. Das erwärmte Rohteil 10 wird in einem ersten Umformwerkzeug 20, welches eine obere Werkzeughälfte 21 und eine untere Werkzeughälfte 22 umfasst, eingebracht. Die beiden Werkzeughälften 21 , 22 sind zum schließen aufeinander zu und zum öffnen voneinander weg bewegbar. Durch Schließen der beiden Werkzeughälften 21 , 22 wird das erwärmte Rohteil 10 zu einem Halbzeug 1 1 umgeformt. Dabei werden große Umformgrade erzielt, so dass die Hauptumformarbeit, die für die Umformung vom Rohteil 10 zum fertigen Bauteil 12 notwendig ist, bereits in dem ersten Umformschritt im Werkzeug 20 verrichtet wird. Das umgeformte Halbzeug 1 1 kann dabei zeitgleich mit der Umformung in dem Umformwerkzeug 20 abgeschreckt werden.
Alternativ dazu kann es, wie in Figur 3 dargestellt, nachträglich,
beispielsweise durch Luft, aktiv oder passiv auf Raumtemperatur bzw.
Umgebungstemperatur abgekühlt werden.
Sobald das umgeformte Halbzeug 1 1 abgekühlt ist, wird es in ein zweites Umformwerkzeug 30 eingebracht. Dieses umfasst analog zum ersten
Werkzeug 20 ebenfalls eine obere Werkzeughälfte 31 und eine untere Werkzeughälfte 32, die aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind. Durch Schließen der Werkzeug hälften 31 und 32 wird das vorgeformte Halbzeug 1 1 auf die Endkontur des fertigen Bauteils 12 gebracht. Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, werden hierbei nur noch geringfügige Umformgrade erzielt. Das auf Endkontur geformte Bauteil 12 bzw. das lediglich
endkonturnah geformte Bauteil 12 wird aus dem zweiten Umformwerkzeug 30 entnommen und mit Hilfe einer Wärmebehandlung gehärtet. Diese Wärmebehandlung ist in Figur 5 gezeigt, bei der mit Hilfe einer zweiten Heizeinrichtung 50 das Bauteil 12 auf eine vorbestimmte Temperatur z. B. im Bereich von 180°C bis 250 °C erwärmt wird. Nachdem das Bauteil eine vorbestimmte Zeit, z. B. 2h, dieser Temperatur ausgesetzt wurde, hat das fertige Bauteil vorbestimmte Festigkeitseigenschaften.
Als Endprodukt des Verfahrens entsteht dadurch ein Aluminiumbauteil bzw. ein Aluminium-Formteil, das auf den Zustand T6 bzw. T7 gehärtet und zweifach umgeformt ist. Mit dem Verfahren werden höhere Umformgrade erzielt und Bauteile hergestellt, deren Geometrie mit einem einzelnen Verfahrensschritt nicht abbildbar wäre. Darüber hinaus erfolgt eine
Kostenoptimierung durch den Entfall einer Wärmebehandlungsstufe, die aufgrund der Prozesskombination eingespart werden kann.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (12) aus einer härtbaren Aluminiumlegierung, mit den Schritten:
Erwärmen eines Rohteils (1 1 ) auf eine vorbestimmte
Temperatur,
Umformen des erwärmten Rohteils (10) in einem Umformwerkzeug (20) zu einem Halbzeug (1 1 ),
Abkühlen des Halbzeugs (1 1 ), wobei das Abkühlen nach dem Umformen oder während des Umformens erfolgt,
gekennzeichnet durch den Schritt
Umformen des abgekühlten Halbzeugs (1 1 ) in einem zweiten Umformwerkzeug (30) zu einem Bauteil (12).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
das erwärmte Rohteil (10) in einem Vorumformschritt zu dem Halbzeug (1 1 ) vorgeformt und
das abgekühlte und vorgeformte Halbzeug (1 1 ) in einem Endumformschritt zu einem Bauteil (12) endgeformt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
sich das abgekühlte Rohteil (1 1 ) vor der Umformung in dem zweiten Umformwerkzeug (30) in einem W-Zustand befindet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (12) gehärtet wird durch eine Wärmebehandlung.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
vor der Härtung des Bauteils (12) ein Beschnitt des Bauteils (12), des Halbzeugs (12) oder des Rohteils (10) erfolgt.
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