WO2017186220A1 - Verfahren zum fertigen eines bauteils, bauteil und presse zum fertigen eines bauteils - Google Patents

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WO2017186220A1
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Michael Werbs
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Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a component from a workpiece by means of a press with at least one tool for forming the workpiece, wherein the workpiece has a metal and / or a metal alloy and / or a coating and is designed as a hollow body. Furthermore, the invention relates to a component and a press for manufacturing a component.
  • the sheet metal hot forming process press hardening is used.
  • the press hardening of sheet metal parts made from drill-alloyed steels has been used for years.
  • both the shape and the heat treatment of the sheet metal component is combined.
  • the method of press-hardening is not applied, since the liquid media used in hydroforming, especially water, for a temperature range of about 900 ° C are not suitable.
  • Hot forming known. For example, pipes with zinc coatings can not be hot-formed above the melting temperature of the first zinc phases, otherwise micro-cracks will form due to liquid metal embrittlement.
  • uncoated components undergo scaling during press hardening and / or subsequent transfer, which causes severe tool wear and, subsequently, the component must be shot peened for scale removal.
  • the disadvantage here is the high cost of aftertreatment and the possibly occurring delay of the component.
  • DE 43 22 061 C1 describes a device for the simultaneous production of several different partial hollow bodies by means of a forming press using the hydroforming process, wherein the plurality of tool assemblies can be closed with the same stroke of the press ram, but the forming despite a common internal high pressure source under individual Control of the different tool arrangements done.
  • DE 44 16 147 C2 discloses a method for producing a curved metallic longitudinal hollow body, in which initially two identical sheet metal blanks are manufactured and these are connected to the longitudinal edges. Subsequently, the connected sheet metal blanks in a hydroforming press by introducing a
  • WO 2014/187623 A1 discloses a method for curing a component, wherein a bent tube is first formed from a flat plate by U / 0 reshaping or reshaping according to the rolling-in technique. Subsequently, the bent tube is introduced into the receiving region of a hardened tool enclosing the bent tube and inductively heated by means of an induction coil integrated in the hardening tool and then hardened by cooling.
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • the object is achieved by a method for manufacturing a component from a workpiece by means of a press with at least one tool for forming the workpiece, wherein the workpiece has a metal and / or a metal alloy and / or a coating and is formed as a hollow body , with the following steps
  • a conventional printing medium such as water at a temperature of less than 100 ° C or a special oil at a temperature of less than 250 ° C, can be used.
  • An essential idea of the invention is based on the fact that the production of higher-strength hollow components by hydroforming and / or Stüt zdruck-forming and subsequent partial or complete curing directly from hollow body with or without coating, in particular of zinc coatings , and / or alloy is carried out as workpieces.
  • the metallic workpiece in particular at a sufficiently warm temperature by hydroforming and / or
  • Stüt zoform forming transformed without liquid zinc phases occur. After that, it will be Workpiece brought to the hardening temperature and cured without targeted further forming.
  • a “component” is, in particular, an individual part of a technical complex, such as a machine and / or an apparatus, made of a workpiece, in particular plastically due to a change in shape due to targeted forming of a workpiece or finished shapes and / or geometries.
  • workpiece is understood to mean, in particular, a single delimited part of largely solid material which is being processed, and in particular is formed from the workpiece by reshaping and / or further
  • a "press” is in particular a forming machine with straightforward relative movement of the tool.
  • a press is in particular a series of production processes such as prototyping, forming, deep-drawing, joining, coating, separating, cutting and / or changing material properties
  • the press can in particular have a forming tool, in particular a process for hydroforming and / or stamping and / or curing can be carried out in the press.
  • a "tool” is, in particular, an object with which a workpiece is machined, the tool being guided by a human and / or a machine.
  • the tool is used in particular in a forming manufacturing process such as forming, and / or for hardening.
  • the tool is used in particular in a machine tool and / or a press.
  • the tool may in particular consist of a lower tool and an upper tool and / or two tool halves
  • a tool can have an inner contour, which is applied as an outer contour to a workpiece and / or hollow body.
  • a hollow body and / or a workpiece is converted into a component by forming
  • the forming process may in particular be a cold forming process in which the workpiece is fed to the forming process in the cold state, for example room temperature, and in particular the forming may also be a hot forging and / or a hot forming. wherein in the latter, the workpiece before forming to a temperature, for example, over the
  • metal refers in particular to chemical elements whose atoms combine with one another to form a freely mobile electron crystal structure (metallic bond).
  • Metal are understood to mean, in particular, heavy metals, light metals, precious metals, base metals and / or semimetals and their alloys
  • a metal may be in solid and / or liquid form, examples of metals being iron, nickel, copper, chromium, aluminum and titanium.
  • a "metal alloy” is in particular a metallic material which consists of at least two elements, which together have in particular the metal-typical characteristic of the crystalline structure with metal bonding
  • a metal alloy can be an iron alloy or a non-ferrous alloy, for example, steel is a metallic alloy with the main component iron, and other examples of alloys are iron-nickel (FeNi), chromium-nickel (CrNi ), Chromium-nickel-molybdenum (CrNiMo) and manganese-drilling steel such as 22MnB5.
  • a "coating” is in particular a firmly adhering layer of shapeless material on the surface of a workpiece which has been applied to the surface of the workpiece by means of a manufacturing process in itself have contiguous layers.
  • the coating serves in particular to influence the physical, electrical and / or chemical properties of the workpiece.
  • a coating for example a zinc-containing coating, serve to protect the workpiece and / or the finished component against corrosion.
  • the coatings are used, for example, to protect against scale formation.
  • a “hollow body” is in particular a body which has a cavity in the interior, wherein the cavity is in particular an empty and / or filled space in the interior of the hollow body
  • a hollow body can in particular have one or more openings It is, for example, a hollow cylinder with an inner bore in the circular cylinder along its axis, in particular, a hollow body is a pipe, a hollow body has in particular a diameter in the range of 5 mm to 500 m and a wall thickness of 0.4 mm to 20 mm ,
  • Hydroforming is in particular a forming process in which a hollow body is widened, compressed in the axial and / or radial direction and then expanded by a calibration pressure against a tool wall
  • the hydroforming is carried out in particular in a special hydraulic press by means of a two-part tool and For example, a tube inserted into the lower tool. On both sides of the pipe end are in particular axial sealing ram (horizontal cylinder). After closing the tool, the axial punches in particular are pressed against the tube ends and seal them off. The tube is filled in particular with pressure medium.
  • the sealing dies compress the pipe, while the pressure medium at the same time expands the pipe under the axial flow of material, thereby bringing the pipe into contact with the tool contour.
  • the material flow can be regulated in particular additionally by a counter-holder.
  • the calibration pressure in particular, the workpiece is shaped in such a way that its contour corresponds exactly to the inner contour of the tool.
  • the tool is opened and the finished component can be ejected.
  • hydroforming in particular, the forming of a metallic tube in the closed mold is carried out by means of an internal pressure up to 3000 bar, wherein water or a water-oil emulsion is used as the pressure medium according to the prior art.
  • the temperature can be adjusted specifically during hydroforming.
  • the hydroforming can be carried out at room temperature or at a temperature up to 600 ° C.
  • the workpiece and / or the tool can be preheated.
  • the highest temperature is used in particular in the region of the largest deformation of the workpiece.
  • a "support pressure forming" is in particular a variant of the internal high-pressure forming in which the workpiece is placed under internal pressure, in particular before the tool is closed By closing the tool, in particular the component contour is pressed onto the hollow body, wherein the support pressure in the hollow body acts like a cushion and prevents the hollow body from falling in.
  • assisted pressure forming in particular the forming process is after closing the tool
  • stamp-forming in particular, there is no appreciable expansion, so that the process can be operated at a lower pressure than in the case of the hydroforming process.
  • a "fluid” is understood to mean, in particular, a gas and / or a liquid, In particular, a fluid can transmit compressive forces.
  • hardening is meant, in particular, a change in the material properties of the material of the hollow body and / or tube and / or workpiece, in particular if the workpiece consists of steel or titanium alloys, hardening will in particular increase the mechanical resistance by means of targeted
  • the hardening can be carried out in particular by a heat treatment with subsequent rapid cooling Cooling rate at least 27 Kelvin per second and preferably greater than 100 Kelvin per second.
  • Hardening is to be understood in particular as conversion hardening of ferrous metals, in which a workpiece is heated so that the iron, which is present as ferrite at room temperature, turns into austenite. The austenite enriches under these conditions, in particular carbon and thus can no longer return to the ferrite structure in a sudden cooling. Instead, it transforms in particular into the martensite structure, which is braced by the carbon. In particular, the higher the cooling rate and thus the temperature difference, the more martensite is formed and the higher the hardness of the material becomes.
  • a “partial hardening” is in particular a hardening, in which only partial areas of a workpiece are hardened or in which by only partial austenitization of the material and subsequent cooling targeted a mixed structure of medium hardness is set or in which after a partial or complete austenitization by Only a partial transformation of the austenite into martensite is carried out in a deliberately slow cooling process and thus a mixed structure of medium hardness is set or which takes place only for a part of the material of the workpiece
  • a “complete hardening” (also called through hardening) is in particular a hardening of steel the martensitic hardening takes place over the entire material cross section of the workpiece. For a complete hardening needs In particular, a sufficient cooling rate can be achieved in the interior of the workpiece.
  • Harddening temperature is understood to mean, in particular, the temperature at which an increase in its mechanical resistance is achieved in the case of a material and / or a workpiece
  • Austenitizing temperature understood, under which iron transforms on cooling from the austenite to the martensite structure.
  • the austenitizing temperature is above 723 ° C.
  • a "first hardening temperature” is, in particular, the temperature at which a microstructure change of a material and / or workpiece begins, the first hardening temperature being above 600 ° C.
  • the first hardening temperature corresponds in particular to the Acl temperature at which the formation of the
  • the Acl temperature is 720 ° C (the temperature at which the formation of the austenite starts on heating) for partially austenitizing
  • the Ac3 temperature for complete austenitizing is 845 ° C (temperature at which the transformation of the ferrite into austenite ends when heated).
  • a "melting temperature of zinc phases” is in particular the temperature at which solid zinc changes into liquid zinc phases
  • Melting temperature may, in particular during forming to form micro-cracks due to Liquid metal embrittlement come.
  • the melting point of pure zinc is in particular 419 ° C.
  • substantially free from forming is meant that during hardening and / or cooling, no specifically applied forming is performed, but, for example, by a thermal expansion or contraction or by pressing into a cold mold, a slight plastic deformation of the workpiece can occur.
  • the fluid comprises water, oil, a mixture of water and oil and / or a gas, in particular a protective gas.
  • a "gas” is particularly present when its particles move away from each other at a large distance and fill the available space evenly.
  • a shielding gas is in particular a gas or a gas mixture, which has the task of displacing the air of the earth's atmosphere and in particular the oxygen of the air.
  • a shielding gas is in particular nitrogen and / or noble gases such as helium, neon, argon and some more.
  • Evaporation temperature in particular above 100 ° C, carried out.
  • the workpiece is "smoother" and can be reshaped at a lower pressure.
  • An "evaporation temper” is in particular the temperature at which the phase transition of a fluid, a liquid or a liquid mixture into the gaseous aggregate state takes place
  • Evaporation temperature is in particular a fluid before gas.
  • the heating of the workpiece is carried out by an inductive heating by means of an induction coil.
  • the workpiece can be heated within the tool directly after forming, wherein advantageously one induction coil or more
  • Induction coils is arranged directly inside the tool on the inner contour or are.
  • heating to the austinitizing temperature and / or hardening temperature and / or another desired temperature can be achieved in the shortest possible time.
  • An "induction coil” is in particular a coil which in particular flows through low- and / or medium-frequency alternating current and / or high-frequency alternating current, and thereby an alternating magnetic field generates, which induces eddy currents in the workpiece and / or pipe, whereby the pipe is heated in particular. This is particularly advantageous because the heat is generated directly in the workpiece and / or hollow body and / or pipe itself and not by heat conduction of a
  • Heating device to the workpiece and / or hollow body and / or pipe must be transmitted.
  • a gap and / or distance between the induction coil and / or the workpiece and / or hollow body and / or tube is to be observed.
  • the cooling of the workpiece by means of a cooling device takes place inside or outside the press.
  • the time between heating and quenching a position of the workpiece can be kept below 5 s, in particular below 3 s, and is thus half as long as in the transfer.
  • this can cause a very high cooling rate and / or high
  • Temperature difference can be achieved within a very short time, so that the martensite content of the workpiece increases and a higher hardness is achieved.
  • the cooling device can be guided over or around the tool, so that the entire workpiece is hardened.
  • the immediate quenching of the workpiece after heating produces very little scale and / or burnup.
  • the formed workpiece for example by means of a gripper dipped very quickly in a cooling bath and thus a fast complete hardening of the workpiece can be realized.
  • a "cooling device” is in particular a bath filled with oil, water and / or a mixture of oil and water and / or another liquid and / or operated shower.
  • the coating of the workpiece has zinc.
  • Liquid metal embrittlement with micro-cracks can be avoided since no substantial reshaping occurs when liquid zinc phases exist.
  • curing of a zinc-coated workpiece may also be accomplished by complete heating in an oven located inside or outside the press, and / or cooling with or without the presence of gas in the tool.
  • the hardening takes place alternatively or additionally by a complete heating of the workpiece in an oven and / or cooling of the workpiece in the at least one Tool, so that the component is substantially free of cracks.
  • the tool serves as a pure cooling tool without any significant forming during hardening.
  • burn-up refers in particular to the loss of metal, which results from burning, gasification, spraying, slagging and / or scaling.
  • complex shapes of the workpiece can be made and / or the workpiece can be bent and / or preformed prior to forming.
  • the object is achieved by a component, wherein the component is a zinc-coated hollow body, in particular a zinc-coated tube, or an uncoated hollow body, in particular an uncoated tube, and the component after a previously described method is made so that the component is free of burn-up and / or cracks.
  • the component is a zinc-coated hollow body, in particular a zinc-coated tube, or an uncoated hollow body, in particular an uncoated tube, and the component after a previously described method is made so that the component is free of burn-up and / or cracks.
  • a direct coupling of the process steps hydroforming and / or St print forming and partial or complete curing allows a simple chained production process and avoids additional effort for stacking, separating and destacking.
  • the object is achieved by a press for manufacturing a component, wherein the press is set up such that the forming and / or curing of the component according to a method described above is feasible, wherein the press a device for hydroforming and / or Stüt zdruck-forming and / or a device for curing by heating and cooling, in particular an induction coil and / or a liquid shower and / or a liquid bath.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a press with a closed tool for hydroforming an uncoated tube
  • Figure 2 is a schematic sectional view of
  • a press 101 has a drive 102 and a plunger 104.
  • On the plunger 104 is a tool holder
  • the tool sub-half 108 is disposed on a press table 109.
  • an uncoated tube 107 of 22MnB5 In the tool sub-half 108 is an uncoated tube 107 of 22MnB5, which is at its tube ends in contact with a first axial sealing die 110 and a second axial sealing die 112.
  • the first axial sealing punch 110 has a fluid supply 111.
  • induction coils 113 are guided within the upper tool half 106 and the lower tool half 108, respectively.
  • a water shower 114 is arranged on the underside of the tool holder 105 on the outside, and a transport rail 115 is arranged below the water shower on the press table 109.
  • the uncoated tube 107 is compressed, while the pressure fluid nitrogen, the axial material flow and the expansion and the concern of the uncoated tube to the inner contour of the tool top half 106 and the tool sub-half 108 takes place ,
  • the uncoated tube is formed accurately, so that it assumes as its outer contour, the inner contour of the tool top half 106 and tool half-half 108. Subsequently, the deformed, uncoated tube 107 in the closed tool upper half 106 and
  • Tool sub-half 108 heated by means of the induction coil 113 to a hardening temperature of 900 ° C within 3 seconds.
  • the pressing force is relieved and the upper tool half 106 and lower tool half 108 are opened.
  • the second axial sealing die 112 is moved outside the press and by means of a not shown Gripper, the formed uncoated tube 107 is placed on the transport rail 115.
  • the transfer time is 3 seconds.
  • the catalyst housing 116 made of the uncoated tube 107 by forming and hardening is present.
  • the manufactured catalyst housing 116 is a high-strength, high-quality component with a yield strength of 750 MPa and with very low scaling and low burnup, so that a further process step of shot peening is not necessary. Likewise, distortion of the catalyst housing 116 does not occur in this manufacturing process.
  • the described operations are performed in the press 101 using a galvanized tube 107 in a hot hydroforming with argon as the pressure medium and inert gas at a temperature of 500 ° C, which is above the evaporation temperature of water and below the Melting temperature of zinc phases is.
  • the tube is deformed at this temperature.
  • the tube is then heated to 800 ° C and quenched to give a hardened zinc coated tube.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines Bauteils (116) aus einem Werkstück (107) mittels einer Presse (101) mit mindestens einem Werkzeug (106, 108) zum Umformen des Werkstückes (107), wobei das Werkstück (107) ein Metall und/oder eine Metalllegierung und/oder eine Beschichtung aufweist und als Hohlkörper ausgebildet ist, mit folgenden Schritten: Innenhochdruck-Umformen und/oder Stützdruck-Umformen des Werkstückes (107) mittels eines Fluides und des mindestens einem Werkzeuges (106, 108), wobei das Innenhochdruck-Umformen und/oder Stützdruck-Umformen bei einer Temperatur von kleiner einer ersten Härtetemperatur, insbesondere kleiner einer Schmelztemperatur von Zinkphasen, durchgeführt wird und zeitlich nachfolgendes partielles oder vollständiges Härten des Werkstückes (107) durch ein Erwärmen des Werkstückes (107) oberhalb der ersten Härtetemperatur, insbesondere von größer 700°C, bevorzugt größer 840°C, und unmittelbar anschließendes Abkühlen des Werkstückes (107), wobei das Härten und Abkühlen im Wesentlichen frei von einem Umformen ist, sodass ein gefertigtes Bauteil (116) vorliegt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil (116) und eine Presse (10) zum Fertigen eines Bauteils (116).

Description

Verfahren zum Fertigen eines Bauteils, Bauteil und Presse zum Fertigen eines Bauteils
[Ol] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines Bauteils aus einem Werkstück mittels einer Presse mit mindestens einem Werkzeug zum Umformen des Werkstückes, wobei das Werkstück ein Metall und/oder eine Metalllegierung und/oder eine Beschichtung aufweist und als Hohlkörper ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil und eine Presse zum Fertigen eines Bauteils .
[02] Um höherfeste Bauteile zu fertigen wird das Blechwarmumformverfahren Presshärten eingesetzt.
Beispielsweise wird das Presshärten von Blechteilen aus bohrlegierten Stählen (wie 22MmB5) seit Jahren angewandt. Hierbei wird sowohl die Formgebung als auch die Wärmebehandlung des Blechbauteils kombiniert. Bei Rohren, die nach einem Innenhochdruckverfahren umgeformt werden, wird das Verfahren des Presshärten bisher nicht angewandt, da die beim Innenhochdruck-Umformen verwendeten flüssigen Medien, insbesondere Wasser, für einen Temperaturbereich von über 900°C nicht geeignet sind.
[03] Zudem sind WerkstoffUnverträglichkeiten beim
Warmumformen bekannt. Beispielsweise können Rohre mit Zink- Beschichtungen nicht oberhalb der Schmelztemperatur der ersten Zinkphasen warm umgeformt werden, da sich sonst Mikro-Risse aufgrund von Flüssigmetallversprödung bilden. [04] Ebenso ist bekannt, dass unbeschichtete Bauteile beim Presshärten und/oder nachfolgenden Transfer verzundern, wodurch ein starker Werkzeugverschleiß verursacht wird und zur Zunderentfernung anschließend das Bauteil kugelgestrahlt werden muss. Nachteilig sind hierbei der hohe Aufwand zur Nachbehandlung und der gegebenenfalls auftretende Verzug des Bauteils.
[05] Dementsprechend sind aus dem Stand der Technik lediglich Fertigungsverfahren bekannt, welche keine direkte Fertigung von höherfesten Rohren erlauben.
[06] Die DE 43 22 061 Cl beschreibt eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen von mehreren unterschiedlichen Teilhohlkörpern mittels einer Umformpresse unter Verwendung des Innenhochdruckumformverfahrens , wobei die mehreren Werkzeuganordnungen mit dem gleichen Hub des Pressenstößels geschlossen werden können, jedoch die Umformung trotz einer gemeinsamen Innenhochdruckquelle unter individueller Ansteuerung der unterschiedlichen Werkzeuganordnungen erfolgt .
[07] Die DE 44 16 147 C2 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines gekrümmten metallischen Längshohlkörpers, bei dem zunächst zwei identische Blechplatinen gefertigt und diese an den Längsrändern verbunden werden. Anschließend werden die verbundenen Blechplatinen in einer Innenhochdruckumformpresse durch Einleiten eines
Druckmittels zwischen den beiden Platinenteilen aufgeweitet und zu dem gekrümmten metallischen Längshohlkörper geformt. [08] Die DE 10 2009 016 874 B4 beschreibt eine Vorrichtung zum Innenhochdruck-Umformen eines Rohres, wobei diese eine verstellbare Werkzeuganordnung aufweist, sodass das Werkzeug während einer Werkzeugerprobung modifiziert und eine Rückfederung kompensiert werden kann.
[09] Die WO 2014/187623 AI offenbart ein Verfahren zum Härten eines Bauteils, wobei aus einer Flachplatine zunächst durch U-/0-Umformen oder Umformen nach der Einrolltechnik ein gebogenes Rohr geformt wird. Anschließend wird das gebogene Rohr in den Aufnahmebereich eines das gebogene Rohr einschließenden Härtewerkzeuges eingebracht und mittels einer im Härtewerkzeug integrierten Induktionsspule induktiv erwärmt und anschließend durch Abkühlen gehärtet .
[10] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern .
[11] Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Fertigen eines Bauteils aus einem Werkstück mittels einer Presse mit mindestens einem Werkzeug zum Umformen des Werkstückes, wobei das Werkstück ein Metall und/oder eine Metalllegierung und/oder eine Beschichtung aufweist und als Hohlkörper ausgebildet ist, mit folgenden Schritten
- Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen des Werkstückes mittels eines Fluides und des mindestens einem Werkzeuges, wobei das Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen bei einer Temperatur von kleiner einer ersten Härtetemperatur, insbesondere kleiner einer Schmelztemperatur von Zinkphasen, durchgeführt wird und
- zeitlich nachfolgendes partielles oder vollständiges Härten des Werkstückes durch ein Erwärmen des Werkstückes oberhalb der ersten Härtetemperatur, insbesondere von größer 700°C, bevorzugt größer 840°C, und unmittelbar anschließendes Abkühlen des Werkstückes, wobei das Härten und Abkühlen im Wesentlichen frei von einem Umformen ist, sodass ein gefertigtes Bauteil vorliegt .
[12] Somit wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem hohle höherfeste Bauteile, insbesondere Bauteile mit einer Zugfestigkeit von größer 1300MPa nach dem Härten, direkt aus einem Hohlkörper gefertigt werden, sodass die vorhergehenden Fertigungs- und/oder Umformschritte minimiert werden.
[13] Mithin kann auch ein konventionelles Druckmedium, wie Wasser bei einer Temperatur von kleiner 100°C oder ein spezielles Öl bei einer Temperatur von kleiner 250°C, verwendet werden.
[14] Vorteilhafterweise hat sich gezeigt, dass auch zinkbeschichtete Hohlkörper durch das
Innenhochdruckumformverfahren ohne Mikro-Rissbildung umgeformt und anschließend aufgrund der direkten Koppelung des Erwärmen und unmittelbaren Abkühlen gehärtet werden können, da während des Härtens kein wesentliches Umformen des Hohlkörpers mehr erfolgt. [15] Zudem hat sich überraschend gezeigt, dass durch die direkte aufeinanderfolgende Kopplung des zum Beispiel induktivem Erwärmens und unmittelbaren Abkühlens zum partiellen oder vollständigen Härten auch die Verzunderung von unbeschichteten Hohlkörpern minimiert wird. Alternativ kann bei diesem Verfahren zum Beispiel Zink als Zunder- Schutzschicht verwendet werden.
[16] Somit kann die Fertigung von hohlen Bauteilen mit komplexer Geometrie und besonderen Festigkeitseigenschaften aus unterschiedlichen Werkstoffen erfolgen. Dabei sind weniger Fügeoperationen notwendig und das Fertigen kann direkt aus einem Hohlkörper erfolgen, wobei mehrere Fertigungsschritte integriert werden können.
[17] Durch eine erhöhte Temperatur beim Innenhochdruck- Umformen verringert sich die Fließgrenze des Werkstoffs und das Umformen kann beim geringeren Drücken erfolgen und/oder es lassen sich kompliziertere Geometrien herstellen.
[18] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass das Fertigen von höherfesten hohlen Bauteilen durch ein Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen und ein anschließendes partielles oder vollständiges Härten direkt aus Hohlkörper mit oder ohne Beschichtung, insbesondere von Zink-Beschichtungen, und/oder Legierung als Werkstücke erfolgt. Hierbei wird das metallische Werkstück insbesondere bei einer ausreichend warmen Temperatur durch Innenhochdruck-Umformen und/oder
Stüt zdruck-Umformen umgeformt, ohne dass flüssige Zinkphasen auftreten. Zeitlich anschließend wird das Werkstück auf die Härtetemperatur gebracht und ohne gezieltes weiteres Umformen gehärtet.
[19] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[20] Ein „Bauteil" ist insbesondere ein aus einem Werkstück gefertigtes Einzelteil eines technischen Komplexes wie zum Beispiel einer Maschine und/oder eines Apparates. Das Bauteil entsteht insbesondere plastisch aufgrund einer Formänderung durch gezieltes Umformen eines Werkstückes. Somit weist ein Bauteil insbesondere fast fertige oder fertige Formen und/oder Geometrien auf.
[21] Unter „Werkstück" wird insbesondere ein einzelnes abgegrenztes Teil weitgehend festen Materials verstanden, welches bearbeitet wird. Insbesondere wird aus dem Werkstück durch Umformen und/oder weitere
Bearbeitungsschritte ein Bauteil gefertigt.
[22] Eine „Presse" ist insbesondere eine Umformmaschine mit gradliniger Relativbewegung des Werkzeuges. In Pressen werden insbesondere eine Reihe von Fertigungsverfahren wie Urformen, Umformen, Tiefziehen, Fügen, Beschichten, Trennen, Schneiden und/oder Ändern von Stoffeigenschaften durchgeführt. Eine Presse ist insbesondere eine wegegebundene, energiegebundene oder kraftgebundene Presse. Zum Umformen kann die Presse insbesondere ein Umformwerkzeug aufweisen. In der Presse kann insbesondere ein Verfahren zum Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen und/oder Härten durchgeführt werden. [23] Ein „Werkzeug" ist insbesondere ein Objekt mit dem die Bearbeitung eines Werkstückes erfolgt, wobei das Werkzeug durch einen Menschen und/oder einer Maschine geführt wird. Bei einem Werkzeug kann es sich insbesondere um ein Formwerkzeug und/oder ein Bearbeitungswerkzeug handeln. Das Werkzeug wird insbesondere in einem formenden Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Umformen, und/oder zum Härten verwendet wird. Das Werkzeug wird insbesondere in einer Werkzeugmaschine und/oder einer Presse eingesetzt. Das Werkzeug kann insbesondere aus einem Unterwerkzeug und einem Oberwerkzeug und/oder zwei Werkzeughälften bestehen. Insbesondere kann ein Werkzeug eine Innenkontur aufweisen, welche als Außenkontur einem Werkstück und/oder Hohlkörper aufgebracht wird.
[24] „Umformen" ist insbesondere ein Fertigungsverfahren, bei dem Metalle/Legierungen gezielt plastisch in eine andere Form gebracht werden. Insbesondere werden ein Hohlkörper und/oder ein Werkstück durch Umformen in ein Bauteil überführt. Beim Umformen kann es sich insbesondere um Tiefziehen und/oder Pressen handeln. Beim Umformen kann es sich insbesondere um ein Kaltumformen handeln, bei dem das Werkstück im kalten Zustand, beispielsweise Raumtemperatur dem Umformprozess zugeführt wird. Des Weiteren kann es sich beim Umformen auch insbesondere um ein Halbwarmumformen und/oder ein Warmumformen handeln, wobei bei letzterem das Werkstück vor dem Umformen auf eine Temperatur beispielsweise über der
Rekristallisationstemperatur des Werkstückes erwärmt wird. [25] Als „Metall" werden insbesondere chemische Elemente bezeichnet, deren Atome sich untereinander zu einer Kristallstruktur mit frei beweglichen Elektronen verbinden (metallische Bindung) . Unter Metalle werden hier insbesondere Schwermetalle, Leichtmetalle, Edelmetalle, Unedelmetalle und/oder Halbmetalle sowie deren Legierungen verstanden. Ein Metall kann insbesondere in fester und/oder flüssiger Form vorliegen. Beispiele für Metalle sind Eisen, Nickel, Kupfer, Chrom, Aluminium und Titan.
[26] Eine „Metalllegierung" ist insbesondere ein metallischer Werkstoff, welcher aus mindestens zwei Elementen besteht, wobei diese gemeinsam insbesondere das metalltypische Merkmal des kristallinen Aufbaus mit Metallbindung aufweisen. Für die Eigenschaften einer Metalllegierung sind insbesondere die Art und Anzahl der Legierungspartner, ihr Massenanteil an der Legierung sowie die Temperatur entscheidend. Bei einer Metalllegierung kann es sich um eine Eisenlegierung oder eine Nichteisenlegierung handeln. Stahl ist beispielsweise eine metallische Legierung mit dem Hauptbestandteil Eisen. Weitere Beispiele für Legierungen sind Eisen-Nickel (FeNi), Chrom-Nickel (CrNi), Chrom-Nickel-Molybdän (CrNiMo) und Mangan-Bohr-Stahl wie 22MnB5.
[27] Eine „Beschichtung" ist insbesondere eine festhaftende Schicht aus formlosem Stoff auf der Oberfläche eines Werkstückes, welche mittels eines Fertigungsverfahrens auf der Oberfläche des Werkstückes aufgebracht worden ist. Die Beschichtung kann insbesondere eine gleiche und/oder eine unterschiedliche Schichtdicke und/oder mehrere in sich zusammenhängende Schichten aufweisen. Die Beschichtung dient insbesondere dazu, die physikalischen, elektrischen und/oder chemischen Eigenschaften des Werkstückes zu beeinflussen. Beispielsweise kann eine Beschichtung, beispielsweise eine zinkaufweisende Beschichtung, dem Korrosionsschutz des Werkstückes und/oder des gefertigten Bauteils dienen. Beim Warmumformen werden die Beschichtungen beispielsweise zum Schutz vor Zunderbildung eingesetzt .
[28] Ein „Hohlkörper" ist insbesondere ein Körper, welcher im Inneren einen Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum insbesondere ein leerer und/oder gefüllter Raum im Inneren des Hohlkörpers ist. Ein Hohlkörper kann insbesondere eine oder mehrere Öffnung aufweisen. Bei einem Hohlkörper kann es sich beispielsweise um einen Hohlzylinder mit einer inneren Bohrung im Kreiszylinder entlang seiner Achse handeln. Insbesondere handelt es sich bei einem Hohlkörper um ein Rohr. Ein Hohlkörper weist insbesondere einen Durchmesser im Bereich von 5mm bis 500m und eine Wandstärke von 0,4mm bis 20mm auf.
[29] „Innenhochdruck-Umforraen" ist insbesondere ein Umformverfahren, bei dem ein Hohlkörper aufgeweitet, in axialer und/oder radialer Richtung gestaucht und anschließend durch einen Kalibrierdruck gegen eine Werkzeugwand expandiert wird. Beim Innenhochdruck-Umformen handelt es sich insbesondere um ein werkzeuggebundenes Innenhochdruck-Umformen . Das Innenhochdruck-Umformen wird insbesondere in einer speziellen hydraulischen Presse mittels eines zweiteiligen Werkzeuges durchgeführt und beispielsweise ein Rohr in das Unterwerkzeug eingelegt. Zu beiden Seiten des Rohrendes befinden sich insbesondere axiale Dichtstempel (Horizontalzylinder) . Nach Schließen des Werkzeuges werden insbesondere die axialen Stempel gegen die Rohrenden gedrückt und dichten diese ab. Das Rohr wird insbesondere mit Druckmedium befüllt. Während des Umformvorgangs stauchen insbesondere die Dichtstempel das Rohr, während das Druckmedium gleichzeitig das Rohr unter axialen Materialfluss aufweitet und dadurch das Rohr zum Anliegen an die Werkzeugkontur bringt. Der Materialfluss kann insbesondere zusätzlich durch einen Gegenhalter geregelt werden. Mittels des Kalibrierdrucks wird insbesondere das Werkstück derart ausgeformt, dass seine Kontur wiederholungsgenau der Innenkontur des Werkzeuges entspricht. Abschließend wird insbesondere das Werkzeug geöffnet und das gefertigte Bauteil kann ausgeworfen werden. Beim Innenhochdruck-Umformen wird insbesondere das Umformen eines metallischen Rohrs im geschlossenen Formwerkzeug mittels eines Innendrucks bis zu 3000bar durchgeführt, wobei als Druckmedium nach dem Stand der Technik Wasser oder eine Wasser-Öl-Emulsion verwendet wird. Neben der Erwärmung des Werkstückes insbesondere aufgrund des hohen Druckes des Druckmediums kann die Temperatur beim Innenhochdruck-Umformen gezielt eingestellt werden. Beispielsweise kann das Innenhochdruck-Umformen bei Raumtemperatur oder bei einer Temperatur bis zu 600 °C durchgeführt werden. Hierzu kann insbesondere das Werkstück und/oder das Werkzeuge vorgewärmt werden. Hierbei wird die höchste Temperatur insbesondere im Bereich der größten Umformung des Werkstückes angewendet. [30] Ein „Stützdruckumformen" ist insbesondere eine Verfahrensvariante des Innenhochdruck-Umformens , bei welcher das Werkstück insbesondere bereits vor dem Schließen des Werkzeuges unter Innendruck gesetzt wird. Beim Stüt zdruck-Umformen wird insbesondere der Hohlkörper vor dem Schließen des Werkzeuges mit den Axialzylindern abgedichtet und mit einem Stützdruck beaufschlagt. Durch das Schließen des Werkzeuges wird insbesondere die Bauteilkontur auf den Hohlkörper gedrückt, wobei der Stützdruck im Hohlkörper wie ein Kissen wirkt und verhindert, dass der Hohlkörper einfällt. Beim Stützdruck- Umformen ist insbesondere der Umformvorgang nach dem Schließen des Werkzeuges weitgehend abgeschlossen. Beim Stüt zdruck-Umformen findet insbesondere keine nennenswerte Aufweitung statt, sodass der Prozess mit einem niedrigeren Druck als beim Innenhochdruckverfahren gefahren werden kann .
[31] Unter einem „Fluid" wird insbesondere ein Gas und/oder eine Flüssigkeit verstanden. Insbesondere kann ein Fluid Druckkräfte übertragen.
[32] Unter „Härten" wird insbesondere eine Veränderung der Stoffeigenschaften des Materials des Hohlkörpers und/oder Rohres und/oder Werkstückes verstanden. Insbesondere, wenn das Werkstück aus Stahl- oder Titanlegierungen besteht, wird unter Härten insbesondere eine Erhöhung der mechanischen Widerstandsfähigkeit durch gezielte Änderung und/oder Umwandlung des Gefüges verstanden. Das Härten kann insbesondere durch eine Wärmebehandlung mit anschließendem schnellem Abkühlen erfolgen. Insbesondere liegt die Abkühlgeschwindigkeit bei mindestens 27 Kelvin pro Sekunde und bevorzugt bei größer 100 Kelvin pro Sekunde. Unter Härten ist insbesondere ein Umwandlungshärten von eisenhaltigen Metallen zu verstehen, wobei ein Werkstück erwärmt wird, sodass sich das bei Raumtemperatur als Ferrit vorliegende Eisen in Austenit umwandelt. Der Austenit reichert unter diesen Bedingungen insbesondere Kohlenstoff an und kann dadurch bei einem schlagartigen Abkühlen nicht mehr in die Ferritstruktur zurückkehren. Stattdessen wandelt es sich insbesondere in die Martensitstruktur um, welche durch den Kohlenstoff verspannt ist. Je höher insbesondere die Abkühlungsgeschwindigkeit und somit die Temperaturdifferenz ist, desto mehr Martensit bildet sich und desto höher wird die Härte des Werkstoffes.
[33] Ein „partielles Härten" ist insbesondere ein Härten, bei dem nur Teilbereiche eines Werkstücks gehärtet werden oder bei dem durch nur teilweise Austenitisierung des Werkstoffs und anschließendes Abkühlen gezielt ein Mischgefüge mittlerer Härte eingestellt wird oder bei dem nach einer teilweisen oder vollständigen Austenitisierung durch gezielt langsames Abkühlen nur eine teilweise Umwandlung des Austenites in Martensit erfolgt und so ein Mischgefüge mittlerer Härte eingestellt wird, oder welches nur für einen Teil des Materials des Werkstückes erfolgt. Ein „vollständiges Härten" (auch Durchhärten genannt) ist insbesondere ein Härten von Stahl bei dem das martensitische Härten über den gesamten Materialquerschnitt des Werkstückes erfolgt. Für ein vollständiges Härten muss insbesondere auch im Inneren des Werkstückes eine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit erzielt werden.
[34] Unter „Härtetemperatur" wird insbesondere die Temperatur verstanden, bei welcher bei einem Material und/oder einem Werkstück eine Erhöhung seiner mechanischen Widerstandsfähigkeit erzielt wird. Unter Härtetemperatur wird insbesondere bei Stahl auch die
Austenitisierungstemperatur verstanden, unter welcher Eisen sich beim Abkühlen von der Austenit- in die Martensitstruktur umwandelt. Bei Stahl liegt insbesondere die Austenitisierungstemperatur oberhalb von 723°C. Eine „erste Härtetemperatur" ist insbesondere die Temperatur, bei welcher eine Gefügeänderung eines Materials und/oder Werkstückes beginnt. Die erste Härtetemperatur liegt insbesondere bei über 600°C. Bei Stahl entspricht die erste Härtetemperatur insbesondere der Acl-Temperatur , bei der die Bildung des Austenits bei einem Erwärmen beginnt. Beispielsweise beträgt insbesondere bei einem 22MnB5-Stahl die Acl-Temperatur 720°C (Temperatur, bei der die Bildung des Austenits bei einem Erwärmen beginnt) zum teilweisen Austenitisieren, während die Ac3-Temperatur zum vollständigen Austenitisieren bei 845°C (Temperatur, bei der die Umwandlung des Ferrits in Austenit bei einem Erwärmen endet) liegt.
[35] Eine „Schmelztemperatur von Zinkphasen" ist insbesondere die Temperatur, bei welcher festes Zink in flüssige Zinkphasen übergeht. Oberhalb dieser
Schmelztemperatur kann es insbesondere beim Umformen zum Bilden von Mikro-Rissen aufgrund von Flüssigmetallversprödung kommen. Der Schmelzpunkt von reinem Zink liegt insbesondere bei 419°C.
[36] Unter „im Wesentlichen frei von einem Umformen" wird verstanden, dass während des Härtens und/oder Abkühlen kein gezielt angewendetes Umformen durchgeführt wird, jedoch beispielsweise durch eine thermische Dehnung oder Kontraktion oder durch das Pressen in eine kalte Werkzeugform ein geringes plastisches Verformen des Werkstückes auftreten kann.
[37] In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens weist das Fluid Wasser, Öl, ein Gemisch aus Wasser und Öl und/oder ein Gas, insbesondere ein Schutzgas, auf.
[38] Somit kann mittels Wasser, Öl oder eines Gemisches von Öl und Wasser und/oder eines Gases ein Innenhochdruck- Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen durchgeführt werden.
[39] Es ist insbesondere vorteilhaft, ein Gas für das Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen zu verwenden, da dieses bei einem warmen Innenhochdruck- Umformen bei einer Temperatur über 100 °C und/oder beim anschließenden Erwärmen beim Härten auf eine Temperatur über 100°C im Inneren des Hohlkörpers keine Probleme bereitet. Dagegen verbleibt Wasser als Druckmedium beim Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen im Inneren des Rohres und führt durch Verdampfen beim Erwärmen oberhalb der ersten Härtetemperatur zu Störungen des Härteprozesses . [40] Es ist besonders vorteilhaft, dass durch Verwenden eines Schutzgases für das Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen dieses bei dem nachfolgenden Härten eine Randoxidation und/oder Entkohlung während der Aufwärmphase bis oberhalb der Austenitisierungstemperatur von 723°C vermeidet.
[41] Ein „Gas" liegt insbesondere dann vor, wenn sich dessen Teilchen in großem Abstand voneinander freibewegen und den verfügbaren Raum gleichmäßig ausfüllen.
[42] Ein „Schutzgas" ist insbesondere ein Gas oder ein Gasgemisch, welches die Aufgabe hat, die Luft der Erdatmosphäre und insbesondere den Sauerstoff der Luft zu verdrängen. Ein Schutzgas ist insbesondere Stickstoff und/oder Edelgase wie Helium, Neon, Argon und einige mehr.
[43] Um mit geringerem Aufwand und geringerem Druck Umformen zu können, wird das Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen oberhalb einer
Verdampfungstemperatur, insbesondere oberhalb von 100°C, durchgeführt .
[44] Somit ist aufgrund einer Temperatur oberhalb einer Verdampfungstemperatur das Werkstück „geschmeidiger" und kann mit niedrigerem Druck umgeformt werden.
[45] Eine „Verdampfungstemperstur" ist insbesondere die Temperatur, bei welcher der Phasenübergang eines Fluides, einer Flüssigkeit oder eines Flüssigkeitsgemisches in den gasförmigen Aggregat zustand erfolgt. Oberhalb einer Verdampfungstemperatur liegt insbesondere ein Fluid gasförmig vor.
[46] Um ein schnelles Erwärmen des Werkstückes zu erzielen, erfolgt das Erwärmen des Werkstückes durch ein induktives Erwärmen mittels einer Induktionsspule.
[47] Dadurch kann das Werkstück direkt nach dem Umformen noch innerhalb des Werkzeuges erwärmt werden, wobei vorteilhaft eine Induktionsspule oder mehrere
Induktionsspulen direkt innerhalb des Werkzeuges an dessen Innenkontur angeordnet ist oder sind.
[48] Auch ist es möglich eine Induktionsspule außerhalb des Werkzeuges innerhalb oder außerhalb der Presse anzuordnen und das Werkstück zum Erwärmen nach dem Umformen in den Erwärmungsbereich der Induktionsspule zu bringen, wobei beispielsweise im Erwärmungsbereich die Induktionsspule um das Werkstück herumgeführt ist.
[49] Somit kann in kürzester Zeit eine Erwärmung auf die Austinitisierungstemperatur und/oder Härtetemperatur und/oder eine andere gewünschte Temperatur erreicht werden.
[50] Zudem ist durch die Anordnung einer Induktionsspule oder mehrerer Induktionsspulen im Werkzeug kein Transfer des Werkstückes notwendig.
[51] Eine „Induktionsspule" ist insbesondere eine Spule welche insbesondere von nieder- und/oder mittelfrequentem Wechselstrom und/oder hochfrequentem Wechselstrom durchflössen wird und dadurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches im Werkstück und/oder Rohr Wirbelströme induziert, wodurch das Rohr insbesondere erwärmt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Wärme unmittelbar im Werkstück und/oder Hohlkörper und/oder Rohr selbst entsteht und nicht durch Wärmeleitung von einer
Erwärmungseinrichtung zum Werkstück und/oder Hohlkörper und/oder Rohr übertragen werden muss. Für das induktive Erwärmen des Werkstückes und/oder Hohlkörpers und/oder Rohrs ist insbesondere ein Spalt und/oder Abstand zwischen der Induktionsspule und/oder dem Werkstück und/oder Hohlkörper und/oder Rohr einzuhalten.
[52] In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens erfolgt das Abkühlen des Werkstückes mittels einer Abkühlvorrichtung innerhalb oder außerhalb der Presse.
[53] Dadurch kann ein sehr schnelles Abkühlen ohne Transferzeit oder mit einer sehr geringen Transferzeit nach dem Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen realisiert werden. Beispielsweise kann die Zeit zwischen Erwärmen und Abschrecken einer Stelle des Werkstückes unter 5s gehalten werden, insbesondere unter 3s, und ist somit halb so lang wie beim Transfer. Zudem kann dadurch eine sehr hohe Abkühlgeschwindigkeit und/oder hohe
Temperaturdifferenz innerhalb kürzester Zeit erzielt werden, sodass der Martensitgehalt des Werkstückes steigt und eine höhere Härte erzielbar ist. Hierzu kann die Abkühlvorrichtung über oder um das Werkzeug herum geführt werden, sodass das gesamte Werkstück gehärtet wird. Durch das unmittelbare Abschrecken des Werkstückes nach dem Erwärmen entsteht nur sehr wenig Zunder und/oder Abbrand. [54] Ebenso kann das umgeformte Werkstück beispielsweise mittels eines Greifers sehr schnell in ein Abkühlbad getaucht und somit ein schnelles vollständiges Härten des Werkstückes realisiert werden.
[55] Bei einer „Abkühlvorrichtung" handelt es sich insbesondere um ein mit Öl, Wasser und/oder einem Gemisch aus Öl und Wasser und/oder einer anderen Flüssigkeit gefülltes Bad und/oder betriebene Dusche.
[56] Um höherfeste zinkbeschichtete hohle Bauteile zu fertigen, weist die Beschichtung des Werkstückes Zink auf.
[57] Durch das Innenhochdruck-Umformen und/oder Stützdruck- Umformen unterhalb der Temperatur von flüssigen Zinkphasen und das schnelle Erwärmen und Abkühlen des zinkbeschichteten Werkstückes kann somit eine
Flüssigmetallversprödung mit Mikro-Rissen vermieden werden, da kein wesentliches Umformen erfolgt, wenn flüssige Zinkphasen existieren.
[58] Alternativ kann ein Härten eines zinkbeschichteten Werkstückes auch durch vollständiges Erwärmen in einem Ofen, welcher innerhalb oder außerhalb der Presse angeordnet ist, und/oder Abkühlen mit oder ohne Anwesenheit von Gas in dem Werkzeug erfolgen.
[59] In einer weiteren Gestaltungsform des Verfahrens erfolgt das Härten alternativ oder ergänzend durch ein vollständiges Erwärmen des Werkstückes in einem Ofen und/oder Abkühlen des Werkstückes in dem mindestens einen Werkzeug, sodass das Bauteil im Wesentlichen frei von Rissen ist .
[60] Das Werkzeug dient hierbei als reines Abkühlwerkzeug, ohne dass ein wesentliches Umformen beim Härten erfolgt.
[61] „Im Wesentlichen frei von Rissen" bedeutet, dass keine oder nur wenige Mikrorisse auftreten. Insbesondere treten keine Risse größer 50pm auf.
[62] Um den Vorteil zu realisieren, dass das Bauteil frei von Abbrand ist, wird im Fall eines unbeschichteten Werkstückes das Härten alternativ oder ergänzend in einen gekapselten Raum oder in einem Ofen unter einer Schutzgasatmosphäre und/oder das Abkühlen in einer Abkühlvorrichtung unter der Schutzgasatmosphäre durchgeführt .
[63] Als „Abbrand" wird insbesondere der Verlust an Metall bezeichnet, welcher sich durch Verbrennen, Vergasen, Verspritzen, Verschlacken und/oder Verzundern ergibt.
[64] In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens erfolgt vor dem Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen ein Biegen des Werkstückes und/oder ein Vorformen des Werkstückes.
[65] Somit können komplexe Formen des Werkstückes gefertigt und/oder das Werkstück vor dem Umformen gebogen und/oder vorgeformt werden.
[66] Ebenso kann vor dem Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen ein Vorerwärmen des Werkstückes zur Reduzierung der Streckgrenze und/oder zur Erhöhung des Umformvermögens erfolgen. Ebenso kann vor dem Biegen und/oder vor dem Vorformen des Werkstücks ein Vorwärmen des Werkstücks zur Reduzierung der Streckgrenze und/oder zur Erhöhung des Umformvermögens erfolgen.
[67] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Bauteil, wobei das Bauteil ein mit Zink beschichteter Hohlkörper, insbesondere ein mit Zink beschichtetes Rohr, oder ein unbeschichteter Hohlkörper, insbesondere ein unbeschichtetes Rohr, ist, und das Bauteil nach einem zuvor beschriebenen Verfahren gefertigt ist, sodass das Bauteil frei von Abbrand und/oder Rissen ist.
[68] Dadurch kann ein qualitativ hochwertiges, höherfestes Bauteil mit komplexen Formen gefertigt werden.
[69] Da für die Fertigung des Bauteils direkt ein Hohlkörper und/oder Rohr und keine Flachplatine und/oder kein Blech umgeformt wird, sind weniger Fügeoperationen bei der Fertigung notwendig.
[70] Eine direkte Kopplung der Prozessschritte Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen und des partiellen oder vollständigen Härtens ermöglicht ein einfaches verkettetes Produktionsverfahren und vermeidet zusätzlichen Aufwand für Abstapeln, Vereinzeln und Entstapeln .
[71] In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Presse zum Fertigen eines Bauteils, wobei die Presse derart eingerichtet ist, dass das Umformen und/oder das Härten des Bauteils nach einem zuvor beschriebenen Verfahren durchführbar ist, wobei die Presse eine Einrichtung zum Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen und/oder eine Vorrichtung zum Härten durch Erwärmen und Abkühlen, insbesondere eine Induktionsspule und/oder eine Flüssigkeitsdusche und/oder ein Flüssigkeitsbad, aufweist.
[72] Dadurch kann eine Presse bereitgestellt werden, in der qualitativ hochwertige und höherfeste Bauteile in kurzen Fertigungszeiten hergestellt werden.
[73] Es ist insbesondere vorteilhaft, die
Verfahrenskombination des Innenhochdruckumformens und/oder Stützdruckumformens und des partiellen oder vollständigen Härtens direkt innerhalb der Presse durchzuführen, sodass kein Werkstücktransfer notwendig ist und die Fertigungszeiten verkürzt werden können.
[74] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 schematische Schnittdarstellung einer Presse mit geschlossenem Werkzeug zum Innenhochdruck-Umformen eines unbeschichteten Rohres und
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung der
Presse mit geöffnetem Werkzeug und
Abkühlen eines gefertigten
Katalysatorgehäuses mittels einer
Wasserdusche . [75] Eine Presse 101 weist einen Antrieb 102 und einen Stößel 104 auf. An dem Stößel 104 ist ein Werkzeughalter
105 angeordnet, welcher die Werkzeugoberhälfte 106 aufweist. Die Werkzeugunterhälfte 108 ist an einem Pressentisch 109 angeordnet. In der Werkzeugunterhälfte 108 liegt ein unbeschichtetes Rohr 107 aus 22MnB5, welches an seinen Rohrenden in Kontakt zu einem ersten axialen Dichtstempel 110 und zu einem zweiten axialen Dichtstempel 112 steht. Der erste axiale Dichtstempel 110 weist eine Fluidzufuhr 111 auf. Entlang der Innenkontur der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 sind jeweils Induktionsspulen 113 innerhalb der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 geführt .
[76] An der Unterseite des Werkzeughalters 105 ist außen eine Wasserdusche 114 angeordnet und unterhalb der Wasserdusche befindet sich angeordnet am Pressentisch 109 eine Transportschiene 115.
[77] Folgende Arbeitsgänge werden mit der Presse 101 durch kaltes Innenhochdruck-Umformen bei Raumtemperatur von 20 °C und vollständiges Härten realisiert:
[78] In der Presse 101 sind die Werkzeugoberhälfte 106 und die Werkzeugunterhälfte 108 geöffnet. Ein unbeschichtetes Rohr 107 wird in die Werkzeugunterhälfte 108 mittels eines nicht gezeigten Greifers eingelegt. Die Werkzeugoberhälfte
106 und die Werkzeugunterhälfte 108 werden geschlossen und eine Presskraft 35.000kN aufgebracht. [79] Parallel zum Aufbau der Presskraft werden der erste axiale Dichtstempel 110 und der zweite axiale Dichtstempel 112 gegen die Enden des unbeschichteten Rohres 107 verfahren und dichten das Rohr 107 ab. Über die Fluidzufuhr 111 des ersten axialen Dichtstempeis 110 wird als Druckmedium und Schutzgas Stickstoff in das Innere des unbeschichteten Rohres 107 zugeführt. Dabei wird ein Druck von 800bar aufgebaut.
[80] Durch den ersten axialen Dichtstempel 110 und den zweiten axialen Dichtstempel 112 wird das unbeschichtete Rohr 107 gestaucht, während durch das Druckmedium Stickstoff der axiale Materialfluss und die Aufweitung sowie das Anliegen des unbeschichteten Rohres an die Innenkontur der Werkzeugoberhälfte 106 und der Werkzeugunterhälfte 108 erfolgt.
[81] Durch Einstellen des Kalibrierdruckes von 1000bar wird das unbeschichtete Rohr passgenau ausgeformt, sodass es als seine Außenkontur die Innenkontur der Werkzeugoberhälfte 106 und Werkzeugunterhälfte 108 annimmt. Anschließend wird das umgeformte, unbeschichtete Rohr 107 in der geschlossenen Werkzeugoberhälfte 106 und
Werkzeugunterhälfte 108 mittels der Induktionsspulen 113 auf eine Härtetemperatur von 900 °C innerhalb von 3 Sekunden erwärmt .
[82] Anschließend wird die Presskraft entlastet und die Werkzeugoberhälfte 106 und Werkzeugunterhälfte 108 werden geöffnet. Der zweite axiale Dichtstempel 112 wird außerhalb der Presse verfahren und mittels eines nicht gezeigten Greifers wird das umgeformte unbeschichtete Rohr 107 auf die Transportschiene 115 gebracht. Hierbei beträgt die Transferzeit 3 Sekunden.
[83] Sobald das umgeformte, unbeschichtete Rohr 107 sich auf der Transferschiene 115 befindet, wird automatisch die Wasserdusche 114 ausgelöst, das umgeformte, unbeschichtete Rohr 107 vollständig abgekühlt und somit gehärtet.
[84] Dadurch liegt das aus dem unbeschichteten Rohr 107 durch Umformen und Härten gefertigte Katalysatorgehäuse 116 vor. Bei dem gefertigten Katalysatorgehäuse 116 handelt es sich um ein hochfestes qualitativ hochwertiges Bauteil mit einer Streckgrenze von 750MPa sowie mit sehr geringerer Verzunderung und geringem Abbrand, sodass ein weiterer Prozessschritt des Kugelstrahlens nicht notwendig ist. Ebenso tritt ein Verzug des Katalysatorgehäuses 116 bei diesem Fertigungsverfahren nicht auf.
[85] In einer Alternative werden die beschriebenen Arbeitsgänge in der Presse 101 unter Verwenden eines verzinkten Rohres 107 in einem warmen Innenhochdruck- Umformen mit Argon als Druckmedium und Schutzgas bei einer Temperatur von 500 °C durchgeführt, welche oberhalb der Verdampfungstemperatur von Wasser und unterhalb der Schmelztemperatur von Zinkphasen liegt. Dabei wird das Rohr bei dieser Temperatur umgeformt. Anschließend wird das Rohr auf 800°C erwärmt und abgeschreckt, sodass ein gehärtetes und mit Zink beschichtetes Rohr vorliegt. Bezugs zeichenliste
101 Presse
102 Antrieb
104 Stößel
105 Werkzeughalter
106 Werkzeugoberhälfte
107 unbeschichtetes Rohr
108 Werkzeugunterhälfte
109 Pressentisch
110 Erster axialer Dichtstempel
111 Fluidzufuhr
112 Zweiter axialer Dichtstempel
113 Induktionsspulen
114 Wasserdusche
115 Transportschiene
116 gefertigtes Katalysatorgehäuse

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Fertigen eines Bauteils (116) aus einem Werkstück (107) mittels einer Presse (101) mit mindestens einem Werkzeug (106, 108) zum Umformen des Werkstückes, wobei das Werkstück ein Metall und/oder eine Metalllegierung und/oder eine Beschichtung aufweist und als Hohlkörper ausgebildet ist, mit folgenden Schritten
- Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen des Werkstückes mittels eines Fluides und des mindestens einem Werkzeuges, wobei das Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen bei einer Temperatur von kleiner einer ersten Härtetemperatur, insbesondere kleiner einer Schmelztemperatur von Zinkphasen, durchgeführt wird und
- zeitlich nachfolgendes partielles oder vollständiges Härten des Werkstückes durch ein Erwärmen des Werkstückes oberhalb der ersten Härtetemperatur, insbesondere von größer 700°C, bevorzugt größer 840°C, und unmittelbar anschließendes Abkühlen des Werkstückes, wobei das Härten und Abkühlen im Wesentlichen frei von einem Umformen ist, sodass ein gefertigtes Bauteil vorliegt .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Wasser, Öl, ein Gemisch aus Wasser und Öl und/oder ein Gas, insbesondere ein Schutzgas, aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen oberhalb einer Verdampfungstemperatur, insbesondere oberhalb von 100 °C, durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Werkstückes durch ein induktives Erwärmen mittels einer Induktionsspule (113) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen des Werkstückes mittels einer Abkühlvorrichtung (114) innerhalb oder außerhalb der Presse erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Werkstückes Zink aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten alternativ oder ergänzend durch ein vollständiges Erwärmen des Werkstückes in einem Ofen und/oder Abkühlen des Werkstückes in dem mindestens einem Werkzeug erfolgt, sodass das Bauteil im Wesentlichen frei von Rissen ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines unbeschichteten Werkstückes das Härten alternativ oder ergänzend in einem gekapselten Raum oder in einem Ofen unter einer Schutzgasatmosphäre und/oder das Abkühlen in der Abkühlvorrichtung unter der Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird, sodass das Bauteil frei von Abbrand ist .
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen ein Biegen des Werkstückes und/oder ein Vorformen des Werkstückes erfolgt.
10. Bauteil (116), wobei das Bauteil ein mit Zink beschichteter Hohlkörper, insbesondere ein mit Zink beschichtetes Rohr, oder ein unbeschichteter Hohlkörper, insbesondere ein unbeschichtetes Rohr (107), ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gefertigt ist, sodass das Bauteil frei von Abbrand und/oder Rissen ist.
Presse (101) zum Fertigen eines Bauteils, wobei die Presse derart eingerichtet ist, dass das Umformen und/oder das Härten des Bauteils nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführbar ist, wobei die Presse eine Einrichtung zum Innenhochdruck-Umformen und/oder Stüt zdruck-Umformen und/oder eine Vorrichtung zum Härten durch Erwärmen und Abkühlen, insbesondere eine Induktionsspule und/oder eine Flüssigkeitsdusche und/oder ein Flüssigkeitsbad, aufweist.
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