DE10003791B4

DE10003791B4 - Verfahren zur Herstellung von Felgen

Info

Publication number: DE10003791B4
Application number: DE2000103791
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr.-Ing. Siegert; Aribert Prof. Dr.-Ing.habil. Schwager; Andreas Dipl.-Ing. Wolf
Original assignee: Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
Current assignee: Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2020-01-29
Also published as: DE10003791A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Felgen, bei dem eine Vorform der Felge mit Materialanhäufungen an vorbestimmten Positionen aus dem thixotropen Zustand erzeugt und anschließend durch Drückwalzen umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
– mit dem Erwärmen in den thixotropen Zustand mit einem Flüssiganteil von 20 bis 30% gleichzeitig ein Lösungsglühen erfolgt,
– die Vorform durch Thixoschmieden in einem Schmiedegesenk erzeugt wird,
– nachfolgend die thixogeschmiedete Vorform aus dem Schmiedegesenk ausgeworfen und auf Raumtemperatur abgeschreckt wird,
– anschließend in diesem Zustand durch Drückwalzen mittels Kaltumformung die Endform erzeugt wird
und
– dass die Felge abschließend nach Warm- oder Kaltauslagerung im Zustand „lösungsgeglüht, kaltumgeformt und warmausgelagert" (T8 bzw. wa) oder „lösungsgeglüht, kaltumgeformt und kaltausgelagert" (T3 bzw. ka) verbleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Felgen, bei dem eine Vorform der Felge durch Drückwalzen umgeformt wird.

Es ist bekannt, Fahrzeugräder aus Aluminium durch klassisches Gießen vorzuformen und anschließend spanend zu bearbeiten. Derartige Fahrzeugräder sind spröde und kerb- und schlagempfindlich und weisen geringe Dehnungs- und Festigkeitswerte auf, die sich etwas verbessern, wenn die gegossene Vorform vor dem Zerspanen drückgewalzt wird. Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Fahrzeugrades gemäß DE 198 08 106 A1 zeichnet sich dabei durch folgende Verfahrensschritte aus:

– Gießen einer hinterschneidungsfreien Vorform
– Einspannen der Vorform in einer Drückwalzmaschine,
– Spalten der eingespannten Vorform im Umfangsbereich,
– Drücken und Drückwalzen der Vorform zu einer Zwischenform, deren Felgenbettbereich bereits weitgehend die Wanddicke der Felge des fertigen Fahrzeugrades aufweist, und
– Abkühlen, Kalibrieren und Endbearbeiten der Zwischenform zum fertigen Fahrzeugrad.

Obwohl dieses Verfahren auf einfache Gießwerkzeuge, kurze Transportwege, gute Wärmenutzung, hohe Festigkeit und wenig Arbeitsvorgänge gerichtet ist, entsprechen die erreichten Ergebnisse nicht den Anforderungen. Zum einen verbleiben nach wie vor Zerspanungsvorgänge. Zum anderen trägt die erreichte Festigkeit nur unwesentlich zur Massereduzierung der Räder bei. Darüber hinaus läßt dieses Verfahren nur einen geringen gestalterischen Spielraum zu.

Ein weiteres bekanntes Verfahren betrifft das thixotrope Gießen von Metallegierungsprodukten, insbesondere von Aluminiumfelgen. Gemäß WO 97/12709 umfaßt es folgende Verfahrensschritte:

– Einfüllen einer flüssigen Metallegierung in einen Behälter,
– Kühlen und Rühren der Metallegierung, bis diese einen thixotropen Zustand erreicht,
– Einfüllen der thixotropen Metallegierung in eine Injektionskammer und
– Injizieren der Metallegierung in den Hohlraum einer Form.

Auch dieses kompakte Verfahren führt nicht zu Fertigkeiten, die eine effektive Gewichtsreduzierung ermöglichen. Stabile aber schwere Stahlfelgen werden mit großem Aufwand durch warmes oder kaltes Vorpressen, Drückwalzen und Zerspanen hergestellt. Nicht weniger aufwendig ist es, Stahlblechstreifen induktiv zu erwärmen, anschließend zum endgültigen Felgenquerprofil und zur endgültigen Felgenrundform zu rollieren und schließlich stumpf zu schweißen, zu entgraten und zu kalibrieren. Diesem in der DE 34 00 444 A1 offenbarten Verfahren fehlt es darüber hinaus an Flexibilität als einer Voraussetzung zur Herstellung gleichermaßen stabiler, leichter und ansprechender Felgen.

EP 0 710 515 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Felgen, bei welchem die Vorform durch Thixogießen (Thixocasting) hergestellt wird. Dabei wird die Vorform dadurch erzeugt, dass der sich im teilflüssigen Zustand befindliche Werkstoff unter Druck in eine mehrteilige Form gegossen wird. Beim Thixocasting ist dabei ein relativ hoher Anteil der Flüssigphase erforderlich, um die Form über das Angußsystem (langer Fließweg) vollständig auszufüllen. Insgesamt hat das in der Entgegenhaltung EP 0 710 515 A1 beschriebene Verfahren den Nachteil, dass durch den relativ hohen Anteil der Flüssigphase ein großer Schwund zu verzeichnen ist. Dadurch, dass die Krafteinleitung lediglich über die relativ geringe Fläche des Gießkolbens über das Angußsystem erfolgt, ist keine Nachverdichtung des Werkstoffes möglich und somit auch verfahrensbedingt keine Möglichkeit gegeben, den Schwund einzuschränken. Durch den erforderlichen Anguß, der in einem zusätzlichen Arbeitsgang entfernt werden muss, ergibt sich neben der dabei anfallenden Mehrarbeit unerwünschter Materialabfall. Demzufolge erhält man eine Felgenvorform, die einen hohen Nachbearbeitungsaufwand erfordert, wobei unerwünschter Materialschwund und Materialabfall zu verzeichnen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Felgen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, das flexibel ist und die Herstellung stabiler und leichter Felgen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Indem die Vorform durch Thixoschmieden im wesentlichen gratfrei erzeugt und durch Drückwalzen im wesentlichen nacharbeitungsfrei endgeformt wird, läßt sich die Festigkeit gezielt dort einbringen, wo es die Funktion erfordert. So werden beim Thixoschmieden an vorbestimmten Positionen Materialanhäufungen erzeugt, die beim Drückwalzen vorzugsweise zu Felgenbereichen kleiner Wandstärke (beispielsweise dünnen Stegen) und/oder großer Festigkeit ausgewalzt werden. Auch die Materialausnutzung ist beim Thixoschmieden bedeutend besser als beim Thixogießen. Im Optimalfall wird gratlos und ohne jeden Anguß das eingesetzte Formgut zu 100% zum Schmiedeteil umgeformt. Beim Thixogießen ergeben sich zumindest durch Angüsse, jedoch häufig auch durch Grate bedeutend schlechtere Verhältnisse von Werkstückgewicht zu Einsatzgewicht. Die gegenüber Guß und auch gegenüber Thixogießen höheren Festigkeits- und Dehnungswerte der thixogeschmiedeten Vorform erfahren dabei durch das Drückwalzen, bei dem sich das Gefüge bei Verringerung der Porösität zusätzlich verdichtet, eine weitere Steigerung. Spanende Nachbearbeitungen entfallen fast völlig in den drückgewalzten Bereichen. Auch ist beim Thixoschmieden verglichen mit dem Thixogießen der Anteil der schmelzflüssigen Phase mit 20 bis 30% am Umformgut bedeutend geringer als beim Thixogießen, wo er in etwa 60 bis 80% beträgt. Aufgrund des geringeren schmelzflüssigen Anteils und damit verbunden der schnelleren Abkühlgrade ergeben sich beim Thixoschmieden gegenüber dem Thixogießen höhere Festigkeiten und größere Bruchdehnungswerte.

Im Einzelnen wird die thixogeschmiedete Vorform, die beim Thixoschmieden gleichzeitig lösungsgeglüht wurde (was zur Verfahrensverkürzung beiträgt), auf Raumtemperatur abgeschreckt und in diesem Zustand drückgewalzt, um nach Warm- oder Kaltauslagerung im Zustand „lösungsgeglüht, kaltumgeformt und warmausgelagert" (T8 bzw. wa) oder „lösungsgeglüht, kaltumgeformt und kaltausgelagert" (T3 bzw. ka) zu verbleiben. Die Vorform wird dabei vorzugsweise aus Aluminiumlegierung, insbesondere aus AlMgSi0,5 bis A1MgSi1 erzeugt. Sie wird nach dem Thixoschmieden (und vorzugsweiser Abkühlung unter die Solidustemperatur) aus der Schmiedevorrichtung ausgeworfen, auf Raumtemperatur abgeschreckt und einer Drückwalzvorrichtung zugeführt. Das Warmauslagern erfolgt bei Temperaturen im Bereich von 170°C bis 200°C, vorzugsweise bis 185°C, mit einer Zeitdauer im Bereich von 4 bis 12 Stunden, vorzugsweise 6 Stunden. Das Kaltauslagern erfordert bei Raumtemperatur 14 Tage bis 21 Tage.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, dessen zugehörige Zeichnungen den Verfahrensablauf schematisch wiedergeben. Es zeigen:
1 das induktive Erwärmen eines Rohlings,
2 das Einlegen des Rohlings in ein Gesenk,
3 das Schließen des Gesenks,
4 das thixotrope Schmieden des Rohlings zur Vorform,
5 das Zurückziehen des Stempels,
6 das Auswerfen der Vorform,
7 das Druckwalzen der Vorform zur Felge,
8 das Warmauslagern der Felge und
9 das Kaltauslagern der Felge.
Ein etwa scheibenförmiger Rohling bzw. ein Stangenabschnitt 2 aus thermomechanisch aufbereitetem Stahl oder vorzugsweise einer Aluminiumlegierung der Legierungsgruppe AlMgSi0,5 bis AlMgSil wird induktiv erwärmt (1) und im teigigen Zustand (ca. 20 bis 30% Flüssiganteil) in ein Gesenk 4 eingelegt (2 und 3), in dem er mittels innenliegendem Stempel 6 gratfrei zu einer Vorform 8 geschmiedet wird (4), die einerseits bereits erste Konturen einer Felge mit Felgenbett, Felgenhorn und Felgenschulter erkennen läßt und andererseits an Positionen, die durch Drücken stärker nachgeformt werden oder die starker Beanspruchung unterliegen werden, Materialanhäufungen aufweist. Nach dem Thixoschmieden (bei dem unter Bildung eines übersättigten Mischkristalls gleichzeitig Lösungsglühen stattfindet) wird die Vorform 8 im Gesenk 4 auf eine vorgegebene Temperatur unterhalb der Solidustemperatur abgekühlt und dann ausgeworfen (5 und 6). Unmittelbar nach dem Auswerfen wird die thixogeschmiedete Vorform 8 gezielt so abgekühlt, daß ein optimaler Gefügezustand erreicht wird. Zielsetzung ist der Zustand „lösungsgeglüht abgeschreckt". Nach gezielter Abkühlung auf Raumtemperatur wird die thixogeschmiedete Vorform 8 zeitlich unmittelbar anschließend einer Drückwalzmaschine zugeführt und dort zur Endform der Felge 10 ausgewalzt (7), wobei dort, wo starke Umformungen vorgenommen werden, besonders hohe Verfestigungen erreicht werden, so daß eine stabile aber leichte Felge 10 zur Verfügung steht, die möglichst keiner weiteren Bearbeitung bedarf. Die durch das Kaltumformen erzielte Festigkeitssteigerung läßt sich bei AlMgSi-Legierungen noch vergrößern, wenn man die im Zustand „lösungsgeglüht abgeschreckt" umgeformte Felge 10 durch ein an den Drückwalzprozeß unmittelbar anschließendes Warmauslagern in einem Öfen 12 (8) in den Zustand „lösungsgeglüht, kaltumgeformt und warmausgelagert" (T8 bzw. wa) oder durch Kaltauslagern (9) in den Zustand „lösungsgeglüht, kaltumgeformt und kaltausgelagert" (T3 bzw. ka) bringt. Bei AlMgSi0,5 bis AlMgSi1 vollzieht sich das Warmauslagern bei einer Temperatur im Bereich von etwa 170°C bis etwa 200°C, vorzugsweise bis 185°C, in einem Zeitbereich von ca. 4 bis ca. 12 Stunden, vorzugsweise 6 Stunden, und das Kaltauslagern bei Raumtemperatur in einem Zeitbereich von ca. 14 Tagen bis ca. 21 Tagen, vorzugsweise 20 Tagen. Die Festigkeitssteigerung resultiert bei beiden Auslagerungen aus der Ausscheidung feinverteilter Ausscheidungsteilchen (Mg2Si) aus dem übersättigten Mischkristall. Die Bezeichnungen „T3" und „T8" stützen sich auf die deutsche Industrienorm DIN EN 515. „T3" steht für den Zustand „lösungsgeglüht, kaltumgeformt und kaltausgelagert", „T8" für den Zustand „lösungsgeglüht, kaltumgeformt und warmausgelagert". Die Bezeichungen „ka" und „wa" sind gleichbedeutende zusätzliche Werkstoffbezeichnungen, z. B. „AlMgSi1 ka" für „kaltausgelagert" oder „kaltausgehärtet" oder „AlMgSi1 wa" für „warmausgelagert" oder „warmausgehärtet. Die exakten Glühtemperaturen und Glühzeiten sind stark von der Bauteilgröße und der Bauteilgeometrie abhängig. Insgesamt wurde mit der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Felgen geschaffen, das effektiv und flexibel ist und die Herstellung stabiler und leichter Felgen ermöglicht.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Felgen, bei dem eine Vorform der Felge mit Materialanhäufungen an vorbestimmten Positionen aus dem thixotropen Zustand erzeugt und anschließend durch Drückwalzen umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – mit dem Erwärmen in den thixotropen Zustand mit einem Flüssiganteil von 20 bis 30% gleichzeitig ein Lösungsglühen erfolgt, – die Vorform durch Thixoschmieden in einem Schmiedegesenk erzeugt wird, – nachfolgend die thixogeschmiedete Vorform aus dem Schmiedegesenk ausgeworfen und auf Raumtemperatur abgeschreckt wird, – anschließend in diesem Zustand durch Drückwalzen mittels Kaltumformung die Endform erzeugt wird und – dass die Felge abschließend nach Warm- oder Kaltauslagerung im Zustand „lösungsgeglüht, kaltumgeformt und warmausgelagert" (T8 bzw. wa) oder „lösungsgeglüht, kaltumgeformt und kaltausgelagert" (T3 bzw. ka) verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform aus Aluminiumlegierung AlMgSi erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform aus Aluminiumlegierung AlMgSi0,5 bis AlMgSi1 erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmauslagern bei Temperaturen im Bereich von 170°C bis 200°C mit einer Zeitdauer im Bereich von 4h bis 12h erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmauslagern bei Temperaturen im Bereich von 170°C bis 185°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltauslagern bei Raumtemperatur mit einer Zeitdauer im Bereich von 14 Tagen bis 21 Tagen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die thixogeschmiedete Vorform vor dem Auswerfen unter die Solidustemperatur abgekühlt wird.