WO2004033126A1 - Pressgehärtetes bauteil und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2004033126A1
WO2004033126A1 PCT/EP2003/009607 EP0309607W WO2004033126A1 WO 2004033126 A1 WO2004033126 A1 WO 2004033126A1 EP 0309607 W EP0309607 W EP 0309607W WO 2004033126 A1 WO2004033126 A1 WO 2004033126A1
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blank
hot
trimmed
forming
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Martin Brodt
Uwe Fischer
Ralf Mehrholz
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Daimlerchrysler Ag
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/673—Quenching devices for die quenching
    • 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
    • B21D35/00—Combined processes according to or processes combined with methods covered by groups B21D1/00 - B21D31/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D53/00—Making other particular articles
    • B21D53/88—Making other particular articles other parts for vehicles, e.g. cowlings, mudguards
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a metallic molded component, in particular a body component, from a semi-finished product made of thermoformable steel sheet.
  • Body components are preferably produced from these high-strength steel sheets in a hot forming process in which - as described for example in DE 100 49 660 AI - a blank is heated and then molded and hardened in a special molding tool.
  • the strength and toughness values of the component can be specifically adjusted by a suitable choice of the process parameters during hot forming.
  • a blank is first cut out of a coil, which is then heated above the structural transformation temperature of the steel material, above which the material structure is in the austenitic state, inserted in a heated tool in the heated state and in the desired component shape is formed and cooled with mechanical fixation of the desired forming state, the component being tempered or hardened.
  • a high level of equipment is required: In particular, cold cutting of hardened materials requires very high cutting forces, which leads to rapid tool wear and high maintenance costs.
  • the invention is therefore based on the object of improving the process sequence in the production of components from hot-formable metal sheets in such a way that the cycle time - regardless of the length of the component outer contour - can be reduced.
  • the object is achieved by the features of claim 1.
  • the basic idea of the invention is to consider that the component manufacturing process should be designed in such a way that the technically complex and cost-intensive final trimming of the hardened component can be dispensed with.
  • the edge areas are therefore cut off according to the invention already in the uncured state of the component and not only - as is customary in hot forming - after the heating and hardening process.
  • the manufacturing process according to the invention thus provides that a blank is first cut out of a coil from a hot-formable steel sheet.
  • This blank is then made using a conventional cold forming process, e.g. by deep drawing, and then trimming the edge regions, a component blank is formed which already has (approximately) the desired three-dimensional shape and (approximately) the desired outer contour of the finished component.
  • This blank component is then heated to a temperature above the forming temperature of the material and, when hot, is transferred to a hot-forming tool in which the component is press-hardened.
  • the component blank undergoes a comparatively small deformation and is simultaneously subjected to a specific heat treatment, in the course of which cross-component or local hardening takes place.
  • component edges are both outer To understand borders as well as inner edge areas (borders of openings of the component).
  • the excess edge areas are trimmed in the manufacturing process according to the invention before hot forming;
  • the component blank is in a soft (unhardened) state and can therefore be trimmed using conventional mechanical methods.
  • the elaborate and time-consuming laser or water jet cutting of the finished pressed part can thus be dispensed with, so that the throughput times can be considerably reduced in comparison to the conventional process flow.
  • a high-quality cutting edge is achieved.
  • the component is now only slightly deformed; the tool wear of the hot forming tool can thus be considerably reduced.
  • the production of the component can be secured in the course of the design phase using conventional forming simulation. This enables reduced development costs for components and tools.
  • the process step of press hardening the trimmed component blank as short as possible in order to ensure the highest possible throughput of components per hot-forming tool.
  • the fully molded component should be cooled as quickly as possible.
  • the fully formed component is quenched in a tool, which is cooled with the help of a brine (with temperature ⁇ 0 ° C) as a coolant (see claim 5), - such a brine has a particularly high thermal conductivity and thermal capacity. In this way, particularly fast cooling of the component can be achieved.
  • An additional reduction in the cycle time of the overall process can be achieved if the component is cooled down over several stations (corresponding to several tool sets). In a first station, the component is quenched until the martensite temperature falls below. The component strength is then sufficient for further transport to the next station (or the next tool). The component is then cooled to hand temperature in this second (or a series of further) station.
  • a semi-finished product made of an air-hardening steel is used for the production of the component (see claim 6).
  • air-hardening steels are used to quench the component in principle, no additional cooling (e.g. using the hot forming tool) is necessary.
  • the component blank is shaped to the final contour in the hot-forming tool and then only cooled in the hot-forming tool until sufficient heat resistance, rigidity and the dimensional accuracy of the component associated therewith is achieved.
  • the component can then be removed from the hot-forming tool and fully cooled in air; the hot-forming tool is thus ready to accept another blank component.
  • the cycle times in the production of hardened components can be further reduced. - If the air hardening takes place under a protective gas, there is - in addition to this time saving - the further advantage that no scale forms on the component and thus the elaborate subsequent descaling is no longer necessary (see claim 7).
  • the component With such a heating and heat treatment under protective gas, the component remains free from surface contamination and can therefore advantageously be subjected to a surface coating immediately after hot forming and quenching (i.e. after cooling to a temperature below the martensite temperature) (see claim 8).
  • a surface coating immediately after hot forming and quenching (i.e. after cooling to a temperature below the martensite temperature) (see claim 8).
  • corrosion-inhibiting protective layers e.g. by galvanizing
  • the residual heat resulting from the hot forming and remaining in the component can be used directly.
  • a further heat treatment of the component can then be carried out by tempering.
  • the trimmed component blank can be heated in a continuous furnace before hot forming (see claim 9).
  • the heating is carried out inductively (see claim 10).
  • Such inductive heating takes place very quickly, which is why in this case additional time can be saved in the overall process time. Due to the short heating-up time, only negligible scaling occurs during heating of the component surfaces, which means that the use of protective gas can be omitted.
  • Inductive heating has particular advantages in those applications in which not only the entire component, but only selected areas of the component are to be press hardened: Then, only the selected areas to be hardened are heated - by suitable design of the inductors - and then in hot forming.
  • induction heating enables the component properties to be adjusted across the sheet thickness ("soft core - hard top layer"). In this way, locally variable strength and stiffness properties can be achieved on the finished component.
  • a separate heating station can be provided between the cutting device and the hot-forming tool - analogous to the continuous furnace.
  • inductive heating takes up little space, which leads to cost savings.
  • the shape and arrangement of the inductors are matched to the shape of the trimmed component blank or the areas to be heated.
  • the heating can also take place in the cutting device (directly after the edge trimming) or in the hot-forming tool (directly before the hot-forming).
  • the cutting device or the forming tool is provided with internal inductors, or the component is heated with the aid of external, appropriately shaped inductors, which are inserted into the opened cutting device or the opened hot forming tool after the edge trimming or before the hot forming and placed there at the desired location on the component.
  • Figures la to le show a schematic representation of the method according to the invention for producing a spatially shaped, press-hardened component 1 from a semifinished product 2.
  • a blank 3 is used as the semifinished product 2, which is cut out of a unwound sheet metal coil.
  • a composite sheet can be used as a semi-finished product, which - as described for example in DE 100 49 660 AI - consists of a base sheet and at least one reinforcing sheet.
  • a Taylored Blank can be used as a semi-finished product, which consists of several welded-together sheets of different material thickness and / or different material properties.
  • the semifinished product can be a three-dimensionally shaped sheet metal part produced by any shaping method, which is to undergo further shaping and an increase in strength / rigidity with the aid of the method according to the invention.
  • the semifinished product 2 consists of a thermoformable steel.
  • An example of such a material is the Benteler air-hardening steel sold under the trade name BTR 155, which has the alloy composition listed below, the alloy partner contents to be added in addition to the base metal iron being understood in percent by mass:
  • Molybdenum max. 0.55%
  • a first process step I the blank 3 - as shown in FIG. 1 a - is cut out of a developed and straightened section of a coil 5 from a hot-formable sheet.
  • the hot-formable material is in a "soft" (ie uncured) state, so that the board 3 can be cut out without any problems using conventional mechanical cutting means - for example with the aid of lifting scissors 4.
  • the board 3 is cut in large-scale production Advantageously with the aid of a blank press 6, which ensures automated feeding of the coil 5 and automatic punching and removal of the blank 3.
  • the blank 3 cut out in this way is shown in FIG. 2a in a schematic perspective view
  • the cut-out blanks 3 are placed on a stack 7 and are fed in a stacked form to a cold-forming station 8 (see FIG. 1b).
  • the board 3 is made using the Cold forming tool 8 - in the present example a two-stage deep-drawing tool 9 - formed a component blank 10.
  • a predetermined, optimized material flow on the board 3 must be specifically ensured during the cold forming process.
  • the board 3 has edge regions 11 which protrude beyond an outer contour 12 (indicated by dashed lines in FIG. 2a) of the component 1 to be molded. In these edge areas 11 are controlled by 'down device 13 during the drawing process, forces are exerted which cause a targeted material flow on the circuit board 3, and thus a high quality drawing result.
  • the component blank 10 is shaped close to the final contour.
  • Near-net shape should be understood to mean that those parts of the geometry of the finished component 1 which are associated with a macroscopic material flow are completely molded into the component blank 10 after the cold forming process has been completed. After the cold forming process has been completed (process step II) Thus, only slight shape adjustments are required to produce the three-dimensional shape of component 1, which require a minimal (local) material flow; component blank 10 is shown in FIG. 2b.
  • the near-net shape shaping can take place in a single deep-drawing step, or it can take place in several stages - for example in the two-stage deep-drawing press 9 shown in FIG. 1b.
  • the component blank 10 is placed in a cutting device 15 and trimmed there (process step III, FIG. 1c). Since the material of the component blank 10 is still in a “soft”, ie unhardened state at this point in time, this trimming process can be performed with the aid of mechanical cutting means 14 (especially with cutting knives, folding and / or punching tools).
  • a separate cutting device 15 can be provided for the trimming process.
  • the cutting means 14 can be integrated in the last stage 9 'of the deep-drawing tool 9, so that in the last deep-drawing stage 9', in addition to the final shaping of the sheet metal part blank 10, the edge-side trimming also takes place.
  • the trimmed component blank 17 is now subjected to hot forming, in the course of which it is shaped and hardened to the final component shape 1.
  • the trimmed component blank 17 is inserted by a manipulator 20 into a continuous furnace 21, where it is heated to a temperature which is above the structural transformation temperature in the austenitic state; depending on the type of steel, this corresponds to heating to a temperature between 700 ° C. and 1100 ° C.
  • the atmosphere of the continuous furnace 21 is rendered inert by a targeted and sufficient addition of a protective gas in order to scale uncut surfaces 12 ′ of the trimmed blanks 17 or - when using uncoated sheets - to prevent the entire surface of the blank.
  • the heated trimmed component blank 17 is then inserted with the aid of a manipulator 22 into a hot-forming tool 23 in which the three-dimensional shape and the edge contour 12 'of the trimmed component blank 17 are brought to their final, desired dimension. Since the trimmed component blank 17 already has dimensions close to the final contour, only a slight shape adjustment is necessary during hot forming.
  • the hot-forming tool 23 the trimmed blank 17 is finished and rapidly cooled, as a result of which a fine-grained martensitic or bainitic material structure is set. This process step corresponds to a hardening of the component 1 and enables a targeted adjustment of the material strength.
  • a cross-component hardening of the entire component 1 can take place; alternatively, a suitable shape of the hot-forming tool (for example insulating inserts, air gaps, etc.) allows selected areas of component 1 to be left out of curing, so that component 1 is only cured locally.
  • a suitable shape of the hot-forming tool for example insulating inserts, air gaps, etc.
  • component 1 is removed from hot-forming tool 23. Due to the near-net-shape trimming of the component blank 10 prior to the hot-forming process and the shape adaptation of the outer edge 12 'in the hot-forming tool 23, the component 1 already has the desired outer contour 24 after the hot-forming process has been completed, so that after the hot-forming process no time-consuming trimming of the component randes is necessary.
  • component 1 is quenched in a hot-forming tool 23 cooled by brine.
  • a brine has a high thermal conductivity and thermal capacity lapped.
  • the brine can be cooled to temperatures well below the freezing point of water.
  • the hot forming of the component 1 is usually accompanied by scaling of the component surface, so that the component 1 must be descaled in a further process step (process step V, FIG. 1e) in a dry cleaning station 25 (for example by means of shot peening).
  • the cooling of the fully formed component 1 in the hot-forming tool 23 now represents the bottleneck of the overall process: with hardening in the tool 23, the total cooling required, with good design of the tool-integrated cooling, is approximately depending on the sheet thickness, workpiece size and final temperature 20 to 40 seconds, with the majority of cases ranging between 25 and 30 seconds.
  • a shortening of the cycle time can be achieved here by using air-hardening steels as materials for the components 1:
  • the component 1 only needs to be cooled down in the hot-forming tool 23 until sufficient heat resistance, rigidity and the associated dimensional accuracy of the Component 1 is reached; then the component can 1 can be removed from the tool 23, so that the further heat treatment process takes place in the air outside the tool 23, and the hot-forming tool 23 is ready for receiving a next component blank 17.
  • the dwell time of the component 1 in the hot-forming tool 23 can be reduced to a few ( ⁇ 10) seconds, which leads to a further reduction in the total cycle time.
  • the heating can take place inductively.

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Abstract

Zur Herstellung eines metallischen Formbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils, aus einem Halbzeug aus einem ungehärteten warmformbarem Stahlblech wird das Halbzeug zunächst durch ein Kaltumformverfahren, insbesondere durch Tiefziehen, zu einem ein Bauteil-Rohling umgeformt (Prozessschritt II). Anschliessend wird der Bauteil-Rohling wird randseitig auf eine dem herzustellenden Bauteil näherungsweise entsprechende Berandungskontur beschnitten (Prozessschritt III). Schliesslich wird der beschnittene Bauteil-Rohling erwärmt und in einem Warmumform-Werkzeug pressgehärtet (Prozessschritt IV). Das dabei erzeugte Bauteil weist bereits nach dem Warmumformen die gewünschte Berandungskontur auf, so dass eine abschliessende Beschneidung des Bauteilrandes entfällt. Auf diese Weise können die Zykluszeiten bei der Herstellung gehärteter Bauteile aus Stahlblech erheblich gesenkt werden.

Description

Preßgehärtetes Bauteil und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils, aus einem Halbzeug aus warmformbarem Stahlblech.
Viele Bauteile, insbesondere Karosseriebauteile im Fahrzeugbau, müssen hohe Anforderungen in bezug auf Steifigkeit und Festigkeit erfüllen. Gleichzeitig sollen die Bauteile im Interesse der Gewichtsreduzierung eine möglichst geringe Materialdicke aufweisen. Um diesen beiden Anforderungen gerecht zu werden, kommen verstärkt hochfeste und höchstfeste Stahlwerkstoffe zum Einsatz, welche - je nach Zusammensetzung und Wärmebehandlung - sehr hohe Festigkeiten aufweisen. Die Herstellung von Karosseriebauteilen aus diesen höchstfesten Stahlblechen erfolgt vorzugsweise in einem Warmumformprozess, bei dem - wie beispielsweise in der DE 100 49 660 AI beschrieben - eine Platine erwärmt und anschließend in einem speziellen Formwerkzeug geformt und gehärtet wird. Durch eine geeignete Wahl der Prozessparameter während des Warmumformens können dabei die Festigkeits- und Zähigkeitswerte des Bauteils gezielt eingestellt werden.
Zur Herstellung eines solchen Bauteils mit Hilfe der Warmumformung wird zunächst aus einem Coil eine Platine ausgeschnitten, die anschließend oberhalb der Gefügeumwandlungs- temperatur des Stahlwerkstoffs, oberhalb derer das Werkstoff- gefüge im austenitischen Zustand vorliegt, erwärmt, im erwärmten Zustand in ein Umformwerkzeug eingelegt und in die gewünschte Bauteilform umgeformt und unter mechanischer Fixierung des gewünschten Umformzustands abgekühlt, wobei eine Vergütung bzw. Härtung des Bauteils erfolgt. Um ein auf diese Weise hergestelltes Bauteil maßhaltig zu schneiden, ist allerdings ein hoher apparativer Aufwand erforderlich: Insbesondere sind zum kalten Schneiden gehärteter Werkstoffe sehr hohe Schneidkräfte erforderlich, was zu einem schnellen Werkzeugverschleiß und hohen Instandhaltungskosten führt . Weiterhin ist das kalte Beschneiden solcher hochfester Bauteile problematisch, da beispielsweise die im kalten Zustand beschnittenen Bauteilkanten mehr oder weniger große Grate aufweisen, was aufgrund der hohen Kerbempfindlichkeit der hochfesten Werkstoffe zu einer schnellen Rissbildung im Bauteil führen kann.
Zur Vermeidung dieser beim mechanischen Beschneiden der gehärteten Bauteile auftretenden Schwierigkeiten werden vielfach alternative Schneidverfahren eingesetzt, wie zum Beispiel Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden. Zwar kann mit Hilfe dieser Verfahren ein qualitativ hochwertiger Beschnitt der Bauteilkante erreicht werden, jedoch arbeiten diese Schneidverfahren vergleichsweise langsam, da die Zykluszeiten hier unmittelbar von der Länge der Schnittkante sowie von den einzuhaltenden Toleranzen abhängen. Der abschließende Beschneidungsprozess stellt somit einen Flaschenhals bei der Herstellung warmumgeformter Bauteile her, der die Zahl der pro Zeiteinheit herzustellenden Bauteile begrenzt. Zwar kann die Gesamtzykluszeit der Bauteilherstellung reduziert werden, wenn - je nach Länge der Schnittkante - mehrere parallel arbeitende Laser- oder Wasserstrahlschneidanlagen bereitgestellt werden, jedoch ist dies mit hohen Zusatzin- vestionen und Logistikaufwand verbunden und daher nachteilig.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Verfahrensablauf bei der Herstellung von Bauteilen aus warmumform- baren Blechen dahingehend zu verbessern, dass die Zykluszeit - unabhängig von der Länge der Bauteilaußenkontur - reduziert werden kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst .
Die Grundidee der Erfindung besteht in der Überlegung, dass der Bauteil-Herstellungsprozess in einer solchen Weise gestaltet werden sollte, dass auf die verfahrenstechnisch aufwendige und kostenintensive abschließende Beschneidung des gehärteten Bauteils verzichtet werden kann. Die Randbereiche werden daher erfindungsgemäß bereits im ungehärteten Zustand des Bauteils abgeschnitten und nicht erst - wie herkömmlicherweise beim Warmumformen üblich - nach dem Erwärmungs- und Härteprozess .
Der erfindungsgemäße Herstellungsprozess sieht somit vor, dass zunächst aus einem Coil aus einem warmumformbaren Stahlblech eine Platine ausgeschnitten wird. Aus dieser Platine wird anschließend mittels eines herkömmlichen Kaltumformverfahrens, z.B. durch Tiefziehen, und anschließendem Beschneiden der Randbereiche ein Bauteil-Rohling geformt, der bereits sowohl (näherungsweise) die gewünschte dreidimensionale Form als auch (näherungsweise) die gewünschte Außenkontur des fertigen Bauteils hat. Dieser Bauteil-Rohling wird anschließend auf eine oberhalb der Umformtemperatur des Werkstoffs liegende Temperatur erwärmt und im Warmzustand in ein Warmumform- Werkzeug transferiert, in dem das Bauteil pressgehärtet wird. In diesem Verfahrensschritt erfährt der Bauteil-Rohling eine vergleichsweise geringe Umformung und wird gleichzeitig einer gezielten Wärmebehandlung unterzogen, im Zuge derer eine bauteilübergreifende oder lokale Härtung erfolgt.
Da der Bauteil-Rohling zu Beginn der Warmumformung bereits annähernd die gewünschten Maße aufweist, ist während der Warmumformung nur noch eine verhältnismäßig geringe Anpassung bzw. Korrektur der Bauteilkontur notwendig. Dadurch werden die Bauteilränder nur unwesentlich geändert, so dass die Notwendigkeit einer abschließenden Beschneidung der Bauteilränder entfällt. Unter „Bauteilrändern" sind hier sowohl äußere Berandungen als auch innere Randbereiche (Berandungen von Durchbrüchen des Bauteils) zu verstehen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Warmumformverfahren erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren das Beschneiden der überschüssigen Randbereiche somit vor der Warmumformung; zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Bauteil-Rohling in einem weichen (ungehärteten) Zustand und kann daher mit Hilfe herkömmlicher mechanischer Verfahren beschnitten werden. Somit kann auf die aufwendige und zeitraubende Laser- bzw. Wasserstrahlbeschneidung des fertigen Pressteils verzichtet werden, so dass die Durchlaufzeiten im Vergleich zum konventionellen Prozessablauf erheblich gesenkt werden können. Gleichzeitig wird eine hochwertige Schnittkante erreicht.
Weiterhin erfolgt bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Warmumformwerkzeug nun noch eine geringe Umformung des Bauteils; somit kann der Werkzeugverschleiß des Warmumformwerkzeugs erheblich reduziert werden.
Da die Bauteilgeometrie (fast) vollständig durch Kaltumformung hergestellt wird, kann die Herstellung des Bauteils im Zuge der Konstruktionsphase durch konventionelle Umformsimulation abgesichert werden. Dies ermöglicht reduzierte Entwicklungskosten für Bauteil und Werkzeug.
Besondere Vorteile lassen sich erzielen, wenn als Kaltumfor- mungsverfahren zur endformnahen Ausformung der Bauteilgeometrie ein (mehrstufiges) Tiefziehverfahren verwendet wird (siehe Anspruch 2) . Da im Weichzustand eine mehrstufige Umform- barkeit des Bauteil-Rohlings möglich ist, können auch komplexe Bauteilgeometrien ausgeformt werden. Vorteilhafterweise wird in die letzte Stufe des Tiefziehwerkzeugs mit Schneidwerkzeugen versehen, so dass die Beschneidung des Bauteil- Rohlings direkt im Kaltumformwerkzeug erfolgt. Zur Beschneidung des Bauteil-Rohlings kommen vorzugsweise mechanische Schneidmittel zum Einsatz (siehe Anspruch 3) . Diese Schneidmittel können insbesondere in Form von Abkant- und/oder Stanzwerkzeugen in das Kaltumformwerkzeug integriert sein, so dass die Randbeschneid ng nicht in einem separaten Verfahrensschritt, sondern als Teil der Kaltumformung erfolgt (siehe Anspruch 4) .
Um die Zykluszeit des Gesamtprozesses weiter reduzieren zu können, ist es vorteilhaft, den Prozessschritt der Presshärtung des beschnittenen Bauteil-Rohlings zeitlich möglichst kurz zu gestalten, um einen möglichst hohen Durchsatz von Bauteilen pro Warmumform-Werkzeug zu gewährleisten. Hierzu sollte das fertig ausgeformte Bauteil möglichst schnell abgekühlt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das fertig ausgeformte Bauteil in einem Werkzeug abgeschreckt, welches mit Hilfe einer Sole (mit Temperatur < 0°C) als Kühlmittel gekühlt wird (siehe Anspruch 5) ,- eine solche Sole hat eine besonders hohe Wärmeleitf higkeit und Wärmekapazität . Auf diese Weise kann eine besonders schnelle Kühlung des Bauteils erreicht werden.
Eine zusätzliche Reduktion der Zykluszeit des Gesamtprozesses lässt sich erreichen, wenn das Bauteil über mehrere Stationen (entsprechend mehreren Werkzeugsätzen) hinweg abgekühlt wird. So wird in einer ersten Station das Bauteil so weit abgeschreckt, bis die Martensit-Grenztemperatur unterschritten ist. Die Bauteilfestigkeit ist dann bereits ausreichend für einen Weitertransport zur nächsten Station (bzw. dem nächsten Werkzeug) . In dieser zweiten (bzw. einer Folge von weiteren) Station wird das Bauteil dann bis auf Handtemperatur abgekühlt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird für die Herstellung des Bauteils ein Halbzeug aus einem lufthärtenden Stahl verwendet (siehe Anspruch 6) . Ein Vorteil von lufthärtenden Stählen besteht darin, dass zum Abschrecken des Bauteils prinzipiell keine zusätzliche Kühlung (z.B. durch das Warmumform-Werkzeug) notwendig ist. In diesem Fall wird der Bauteil-Rohling im Warmumform-Werkzeug auf Endkontur geformt und dann nur solange im Warmumform-Werkzeug abgekühlt, bis eine ausreichende Warmfestigkeit, Steifigkeit und damit verbundene Maßhaltigkeit des Bauteils erreicht ist. Anschließend kann das Bauteil aus dem Warmumform-Werkzeug entnommen und an der Luft fertig abgekühlt werden; das Warmumform-Werkzeug steht somit für die Aufnahme eines weiteren Bauteil-Rohlings bereit. Auf diese Weise können die Zykluszeiten bei der Herstellung gehärteter Bauteile weiter verkürzt werden. - Erfolgt die Lufthärtung unter einem Schutzgas, so ergibt sich - zusätzlich zu diesem Zeitgewinn - der weitere Vorteil, dass sich auf dem Bauteil kein Zunder bildet und somit die aufwendige nachträgliche Entzunderung entfällt (siehe Anspruch 7) .
Bei einer solchen Erwärmung und Wärmebehandlung unter Schutzgas bleibt das Bauteil frei von Oberflächenverschmutzungen und kann daher mit Vorteil direkt im Anschluss an die Warmumformung und Abschreckung (d.h. nach Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Martensittemperatur) einer Oberflächenbe- schichtung unterzogen werden (siehe Anspruch 8) . Im Zuge diese Oberflächenbeschichtung können insbesondere korrosionshemmende Schutzschichten (z.B. durch Verzinken) auf die Bauteil- Oberfläche aufgebracht werden. Dabei kann direkt die von der Warmumformung herrührende, im Bauteil verbliebene Restwärme genutzt werden. Anschließend kann eine weitere Wärmebehandlung des Bauteils durch Anlassen erfolgen.
Die Erwärmung des beschnittenen Bauteil-Rohlings vor der Warmumformung kann in einem Durchlaufofen erfolgen (siehe Anspruch 9) . Alternativ wird die Erwärmung induktiv durchgeführt (siehe Anspruch 10) . Eine solche induktive Erwärmung erfolgt sehr schnell, weswegen in diesem Fall ein zusätzlicher Zeitgewinn in der Gesamtprozesszeit erreicht werden kann. Aufgrund der kurzen Aufheizdauer tritt weiterhin während der Erwärmung nur eine vernachlässigbare Verzunderung der Bauteiloberflächen auf, weswegen die Verwendung von Schutzgas entfallen kann. Die induktive Erwärmung hat besondere Vorteile in denjenigen Anwendungsfällen, in denen nicht das gesamte Bauteil, sondern nur ausgewählte Bereiche des Bauteils pressgehärtet werden sollen: Dann werden selektiv - durch geeignete Gestaltung der Induktoren - nur die ausgewählten, zu härtenden Bereiche erwärmt und anschließend im Warmumform-Werkzeug gehärtet, während die restlichen, uner- wärmten Bereiche zwar im Warmumform-Werkzeug umgeformt werden, aber in der ursprünglichen Duktilität verbleiben. Alternativ bzw. zusätzlich ermöglicht das Induktionserwärmen eine Einstellung der Bauteileigenschaften über die Blechdicke hinweg („weicher Kern - harte Deckschicht") . Auf diese Weise können lokal variable Festigkeits- und Steifigkeitseigen- schaften auf dem fertigen Bauteil erreicht werden.
Zur induktiven Erwärmung kann eine getrennte, zwischen Schneidvorrichtung und Warmumform-Werkzeug angeordnete Heiz- station - analog zum Durchlaufofen - vorgesehen werden. Im Unterschied zu einer Erwärmung im Durchlaufofen - bei der eine gewisse Erwärmungsstrecke notwendig ist - ist die induktive Erwärmung mit einem geringen Platzbedarf verbunden, was zu Kosteneinsparungen führt. Die Form und Anordnung der Induktoren wird auf die Form des beschnittenen Bauteil-Rohlings bzw. der zu erwärmenden Bereiche abgestimmt. Alternativ zur Erwärmung in einer getrennten Heizstation kann die Erwärmung auch in der Schneidvorrichtüng (direkt nach der Randbeschneidüng) oder im Warmumform-Werkzeug (direkt vor der Warmumformung) erfolgen. Hierzu ist die Schneidvorrichtung bzw. das Umform- werkzeug mit internen Induktoren versehen, oder das Bauteil wird mit Hilfe von externen, entsprechend geformten Induktoren erhitzt, welche nach der Randbeschneidüng bzw. vor der Warmumformung in die geöffnete Schneidvorrichtung bzw. das geöffnete Warmumform-Werkzeug eingeführt und dort an die gewünschte Stelle des Bauteils plaziert werden. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 ein Verfahrensschema des erfindungsgemäßen Herstellungsprozesses eines pressgehärteten Bauteils:
Fig. la Zuschneiden der Platine (Schritt I)
Fig. 1b Kaltumformung (Schritt II)
Fig. lc Beschneiden der Ränder (Schritt III)
Fig. Id Warmumformung (Schritt IV)
Fig. le Trockenreinigung (Schritt V) ;
Fig. 2 perspektivische Ansichten ausgewählter Zwischenstufen bei der Herstellung des Bauteils:
Fig. 2a ein Halbzeug;
Fig. 2b ein daraus geformter Bauteil-Rohling;
Fig. 2c ein beschnittener Bauteil-Rohling;
Fig. 2d das fertige Bauteil .
Figuren la bis le zeigen eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines räumlich geformten, pressgehärteten Bauteils 1 aus einem Halbzeug 2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Halbzeug 2 eine Platine 3 verwendet, welche aus einem abgewickelten Blechcoil ausgeschnitten wird. Alternativ kann als Halbzeug ein Verbundblech zum Einsatz kommen, welches - wie z.B. in der DE 100 49 660 AI beschrieben - aus einem Basisblech und mindestens einem Verstärkungsblech besteht . Weiterhin kann als Halbzeug ein Taylored Blank verwendet werden, welches aus mehreren zusammengeschweißten Blechen unterschiedlicher Materialstärke und/oder unterschiedlicher Materialbeschaffenheit besteht. Alternativ kann das Halbzeug ein durch ein beliebiges Umformverfahren hergestelltes dreidimensional geformtes Blechteil sein, welches mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine weitere Umformung sowie eine Festigkeits- /Steifigkeitserhöhung erfahren soll. Das Halbzeug 2 besteht aus einem warmformbaren Stahl . Als Beispiel eines solchen Werkstoffs sei an dieser Stelle der unter der Handelsbezeichnung BTR 155 vertriebene lufthärtende Stahl der Firma Benteler genannt, der die nachfolgend aufgeführte Legierungszusammensetzung aufweist, wobei die zusätzlich zu dem Basismetall Eisen hinzuzufügenden Gehalte der Legierungspartner in Massenprozent zu verstehen sind:
Kohlenstoff: 0,18 - 0,28%,
Silizium: max. 0,7%,
Mangan: 2,00 - 4,00%,
Phosphor: max. 0,025%,
Schwefel: max. 0,010%,
Chrom: ma . 0,7%,
Molybdän: max. 0,55%,
Nickel: max. 0,6%,
Aluminium: 0,020 - 0,060%.
In einem ersten Prozessschritt I wird die Platine 3 - wie in Figur la dargestellt - aus einem abgewickelten und geradegerichteten Abschnitt eines Coils 5 aus einem warmumformbaren Blech ausgeschnitten. Der warmumformbare Werkstoff befindet sich zu diesem Zeitpunkt in einem „weichen" (d.h. ungehärteten) Zustand, so dass die Platine 3 problemlos mit Hilfe konventioneller mechanischer Schneidmittel - beispielsweise mit Hilfe einer Hubschere 4 - ausgeschnitten werden kann. Im Großserieneinsatz erfolgt das Zuschneiden der Platine 3 vorteilhafterweise mit Hilfe einer Platinenpresse 6, welche eine automatisierte Zuführung des Coils 5 und ein automatisches Ausstanzen und Abführung der ausgeschnittenen Platine 3 gewährleistet. Die auf diese Weise ausgeschnittene Platine 3 ist in Figur 2a in einer schematischen perspektivischen Ansicht dargestellt
Die ausgeschnittenen Platinen 3 werden auf einem Stapel 7 abgelegt und werden in gestapelter Form einer Kaltumform- Station 8 zugeführt (siehe Figur lb) . Hier wird in einem zweiten Prozessschritt II aus der Platine 3 mit Hilfe des Kaltumform-Werkzeugs 8 - im vorliegenden Beispiel einem zweistufigen Tiefziehwerkzeug 9 - ein Bauteil-Rohling 10 geformt. Um dabei prozesssicher eine qualitativ hochwertige Ausformung der Bauteilgeometrie gewährleisten zu können, muss während des Kaltumformungsprozesses gezielt ein vorherbestimmter, optimierter Werkstofffluss auf der Platine 3 sichergestellt werden. Um dies zu erreichen, weist die Platine 3 Randbereiche 11 auf, die über eine (in Figur 2a gestrichelt angedeutete) Außenkontur 12 des zu formenden Bauteils 1 hinausragen. In diesen Randbereichen 11 werden während des Ziehprozesses durch' Niederhalter 13 gesteuert Kräfte ausgeübt, welche einen gezielten Materialfluss auf der Platine 3 und somit ein hochqualitatives Ziehergebnis bewirken.
Im Rahmen dieses Kaltumformprozesses (Prozessschritt II) wird der Bauteil-Rohling 10 endkonturnah ausgeformt. Unter „end- konturnah" soll dabei verstanden werden, dass diejenigen Teile der Geometrie des fertigen Bauteils 1, welche mit einem makroskopischen Materialfluss einhergehen, nach Abschluss des Kaltumformprozesses vollständig in den Bauteil-Rohling 10 eingeformt sind. Nach Abschluss des Kaltumformprozesses (Prozessschritt II) sind somit zur Herstellung der dreidimensionalen Form des Bauteils 1 nur noch geringe Formanpassungen notwendig, welche einen minimalen (lokalen) Materialfluss erfordern; der Bauteil-Rohling 10 ist in Figur 2b dargestellt.
Je nach Komplexität der Bauteilgeometrie kann die endkontur- nahe Formgebung in einem einzigen Tiefziehschritt erfolgen, oder sie kann mehrstufig - beispielsweise in der in Figur lb gezeigten zweistufigen TiefZiehpresse 9 - erfolgen.
Anschließend an den Kaltumformprozess wird der Bauteil- Rohling 10 in eine Schneidvorrichtung 15 eingelegt und dort beschnitten (Prozessschritt III, Figur lc) . Da der Werkstoff des Bauteil-Rohlings 10 sich zu diesem Zeitpunkt noch in einem „weichen", d.h. ungehärteten Zustand befindet, kann dieser Beschneideprozess mit Hilfe mechanischer Schneidmittel 14 (insbesondere mit Schneidmessern, Abkant- und/oder Stanzwerkzeugen) erfolgen.
Für den Beschneidevorgang kann - wie in Figur 1c gezeigt - eine separate Schneidvorrichtung 15 vorgesehen sein. Alternativ können die Schneidmittel 14 in die letzte Stufe 9' des Tiefziehwerkzeugs 9 integriert sein, so dass in der letzten Tiefziehstufe 9' zusätzlich zu der Fertigformung des Blechteil-Rohlings 10 auch die randseitige Beschneidung erfolgt.
Durch den Kaltumform- und den • Beschneideprozess (Prozess- schritte II und III) wird somit aus der Platine 3 ein endkon- turnaher beschnittener Bauteil-Rohling 17 hergestellt, der sowohl in bezug auf seine dreidimensionale Form als auch in bezug auf seine Randkontur 12' nur wenig von der gewünschten Bauteilform abweicht. Die abgeschnittenen Randbereiche 11 werden in der Schneidvorrichtung 15 abgeführt; der Bauteil- Rohling 17 (Figur 2c) wird mit Hilfe eines Manipulators 19 aus der Schneidvorrichtung 15 entnommen und der nächsten Prozessstufe zugeführt .
In der nun folgenden Prozessstufe IV (Figur ld) wird der beschnittene Bauteil-Rohling 17 nun einer Warmumformung unterzogen, im Rahmen derer er auf die endgültige Bauteilform 1 ausgeformt und gehärtet wird. Hierzu wird der beschnittene Bauteil-Rohling 17 von einem Manipulator 20 in einen Durchlaufofen 21 eingelegt, wo er auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb der Gefugeumwandlungstemperatur in den austenitischen Zustand liegt; je nach Stahlsorte entspricht dies einer Erhitzung auf eine Temperatur zwischen 700° C und 1100° C. Vorteilhafterweise ist die Atmosphäre des Durchlauf- ofens 21 durch eine gezielte und ausreichende Zugabe eines Schutzgases inertisiert, um ein Verzundern nicht beschichteter Schnittstellen 12' der beschnittenen Rohlinge 17 oder - bei Verwendung unbeschichteter Bleche - an der gesamten Rohlingsoberfläche zu verhindern. Als Schutzgas kann beispielsweise Kohlendioxid und/oder Stickstoff verwendet werden. Der erhitzte beschnittene Bauteil-Rohling 17 wird dann mit Hilfe eines Manipulators 22 in ein Warmumform-Werkzeug 23 eingelegt, in dem die dreidimensionale Gestalt und die Randkontur 12' des beschnittenen Bauteil-Rohlings 17 auf ihr endgültiges, gewünschtes Maß gebracht werden. Da der beschnittene Bauteil-Rohling 17 bereits endkonturnahe Maße aufweist, ist während des Warmumformung nur noch eine geringe Formanpassung notwendig. Im Warmumform-Werkzeug 23 wird der beschnittene Rohling 17 fertiggeformt und schnell abgekühlt, wodurch ein feinkörniges martensitisches oder bainitisches Werkstoffgefüge eingestellt wird. Dieser Verfahrensschritt entspricht einer Härtung des Bauteils 1 und ermöglicht eine gezielte Einstellung der Werkstofffestigkeit . Einzelheiten und verschiedene Ausgestaltungen dieses Härtungsprozesses sind beispielsweise in der DE 100 49 660 AI beschrieben. Dabei kann eine bauteilübergreifende Härtung des gesamten Bauteils 1 erfolgen; alternativ können durch eine geeignete Gestalt des Warmumform-Werkzeugs (z.B. isolierende Einsätze, Luftspalte etc.) ausgewählte Bereiche des Bauteils 1 von der Härtung ausgespart werden, so dass die Härtung des Bauteils 1 nur lokal erfolgt .
Ist der gewünschte Härtungszustand des Bauteils 1 erreicht, so wird das Bauteil 1 aus dem Warmumform-Werkzeug 23 entnommen. Aufgrund der dem Warmumformungsprozess vorgelagerten endkonturnahen Beschneidung des Bauteil-Rohlings 10 sowie der Formanpassung der Außenberandung 12' im Warmumform-Werkzeug 23 weist das Bauteil 1 nach Abschluss des Warmumformprozesses bereits die gewünschte Außenkontur 24 auf, so dass nach der Warmumformung keine zeitaufwendige Beschneidung des Bauteil- randes notwendig ist.
Um eine schnelle Abschreckung des Bauteils 1 im Zuge der Warmumformung zu erreichen, wird das Bauteil 1 in einem durch Sole gekühlten Warmumform-Werkzeug 23 abgeschreckt. Eine solche Sole hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität umspült. Abhängig von den zugesetzten Salzen kann die Sole auf Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser gekühlt werden.
Die Warmumformung des Bauteils 1 geht im Regelfall einher mit einer Verzunderung der Bauteiloberfläche, so dass das Bauteil 1 in einem weiteren Verfahrensschritt (Prozessschritt V, Figur le) in einer Trockenreinigungsstation 25 (beispielsweise mittels Kugelstrahlen) entzundert werden muss.
Durch den in Figuren la bis le dargestellten Verfahrensablauf mit der endkonturnahen Beschneidung der Bauteil-Rohlinge 10 im weichen Zustand wird eine erhebliche Verkürzung der Zykluszeit gegenüber dem herkömmlichen Verfahrensablauf erreicht, bei dem das fertige, gehärtete Bauteil erst nach der Warmumformung mittels (Laser-) Schneidens auf das gewünschte Maß beschnitten wird. Wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt, so weist das Bauteil 1 nach Abschluss des Warmumformungsprozesses (Prozessschritt IV) bereits die gewünschte endgültige Außenkontur 24 auf, so dass die Hartbeschneidung - die im herkömmlichen Verfahrensablauf den Flaschenhals bildete - entfällt.
Im erfindungsgemäßen Verfahrensablauf stellt nunmehr die Abkühlung des fertig ausgeformten Bauteils 1 im Warmumform- Werkzeug 23 den Engpass des Gesamtverfahrens dar: Bei einer Härtung im Werkzeug 23 beträgt nämlich die insgesamt erforderliche Abkühl eit bei guter Auslegung der werkzeugintegrierten Kühlung je nach Blechdicke, Werkstückgröße und Endtemperatur etwa 20 bis 40 Sekunden, wobei das Gros der Fälle im Bereich zwischen 25 und 30 Sekunden liegt. Eine Verkürzung der Zykluszeit kann hier durch den Einsatz lufthärtender Stähle als Werkstoffe für die Bauteile 1 erreicht werden: In diesem Fall braucht das Bauteil 1 im Warmumform- Werkzeug 23 nur so weit abgekühlt zu werden, bis eine ausreichende Warmfestigkeit, Steifigkeit und damit verbundene Maßhaltigkeit des Bauteils 1 erreicht ist; dann kann das Bauteil 1 aus dem Werkzeug 23 entnommen werden, so dass der weitere Wärmebehandlungsvorgang an der Luft außerhalb des Werkzeugs 23 erfolgt, und das Warmumform-Werkzeug 23 für die Aufnahme eines nächsten Bauteil-Rohlings 17 bereitsteht. Auf diese Weise kann die Verweilzeit des Bauteils 1 im Warmumform- Werkzeug 23 auf wenige (< 10) Sekunden reduziert werden, was zu einer weiteren Verkürzung der Gesamt-Zykluszeit führt.
Zusätzliche Einsparungen bzw. Reduktionen der Zykluszeit können erzielt werden, wenn nicht nur die Erwärmung der Bauteil- Rohlinge 17, sondern auch die Warmumformung in einer Schutzgasatmosphäre erfolgt; in diesem Fall ist das Umformwerkzeug 23, wie in Figur ld gestrichelt angedeutet, in die Schutzgasatmosphäre 26 des Durchlaufofens 21 integriert. Dadurch wird ein verzunderfreier Presshärtungsprozess realisiert, so dass die ansonsten bislang notwendige nachfolgende Trockenreinigung der Bauteile 1 (Prozessschritt V) entfallen kann.
Alternativ zu der Erwärmung der Bauteil-Rohlinge 17 in dem Durchlaufofen 21 kann die Erwärmung induktiv erfolgen.
,oOo.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils, aus einem Halbzeug aus einem ungehärteten warmformbarem Stahlblech m i t d e n f o l g e n d e n V e r f a h r e n s s c h r i t t e n:
- aus dem Halbzeug (2) wird durch ein Kaltumformverfahren, insbesondere ein Ziehverfahren, ein Bauteil- Rohling (10) geformt (Prozessschritt II) ;
- der Bauteil-Rohling (10) wird randseitig auf eine dem herzustellenden Bauteil (1) näherungsweise entsprechende Berandungskontur (12') beschnitten (Prozessschritt
III) ;
- der beschnittene Bauteil-Rohling (17) wird erwärmt und in einem Warmumform-Werkzeug (23) pressgehärtet (Prozessschritt IV) .
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Ausformung des Bauteil-Rohlings (10) aus dem Halbzeug (2) ein Tiefziehverfahren verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Bauteil-Rohling (10) mit Hilfe eines mechanischen Schneideverfahrens (15) beschnitten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Beschneidung des Bauteil-Rohlings (10) als Teil der Kaltumformung erfolgt .
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Werkzeug (23) mit einer Sole gekühlt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Halbzeug (2) aus einer lufthärtenden Stahllegierung besteht .
7. Verfahren nach der vorangehenden Ansprüche , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erwärmung und Warmumformung des beschnittenen Bauteil-Rohlings (17) in einer Schutzgasatmosphäre (26) erfolgt .
8. Verfahren nach Anspruch 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- dass das Bauteil (1) nach der Warmumformung (Prozessschritt IV) auf eine Temperatur unterhalb der Marten- sittemperatur abgekühlt wird
- und unmittelbar anschließend mit einer Oberflächenbe- schichtung, insbesondere einer Korrosionsschutzschicht, versehen wird.
9. Verfahren nach der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erwärmung des beschnittenen Bauteil-Rohlings (17) in Prozessschritt IV in einem Durchlaufofen (21) erfolgt .
0. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erwärmung des beschnittenen Bauteil -Rohlings (17) in Prozessschritt IV induktiv erfolgt.
• oOo.
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