DE10049660A1 - Verfahren zum Herstellen lokal verstärkter Blechumformteile - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen lokal verstärkter Ziehteile, bei dem das Basisblech des Strukturteils im Flachzustand mit dem Verstärkungsblech lagedefiniert verbunden und dieses gepatchte Verbundblech anschließend gemeinsam umgeformt wird. Um das Herstellungsverfahren hinsichtlich Verfahrenserzeugnis und -ergebnis zu verbessern sowie bezüglich der verfahrensausübenden Mittel zu entlasten, wird das gepatchte Verbundblech erfindungsgemäß vor dem Umformen mindestens auf etwa 800 bis 850 DEG C erwärmt, rasch eingelegt, im Warmzustand zügig umgeformt und anschließend bei mechanischer Fixierung des Umformzustandes durch Kontaktierung mit dem von innen her zwangsgekühlten Umformwerkzeug definiert abgekühlt. Insbesondere der in soweit maßgebende Temperaturbereich von 800 bis 500 DEG C wird mit einer definierten Temperaturrampe durchfahren. Der Schritt des Verbindens von Verstärkungsblech und Basisblech kann ohne weiteres in den Umformprozeß integriert werden, indem die Teile miteinander hart verlötet werden, wodurch zugleich ein wirksamer Korrosionsschutz an der Kontaktzone erreicht werden kann.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen lokal verstärkter Blechumformteile, insbesondere als Struk­ turteile von Kraftfahrzeugkarosserien, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE 43 07 563 A1 als bekannt hervorgeht.

Im Zuge der Gewichtseinsparung an Kraftfahrzeugkarosserien ist es bekannt, an Krafteinleitungsstellen in aus Blech be­ stehenden Strukturteilen von Karosserien lokal beschränkte Verstärkungsbleche vorzusehen, um nicht das gesamte Struk­ turteil aus einem dicken Blech herstellen zu müssen. Zur Er­ höhung der Biegesteifigkeit von aus Blechschalen gebildeten Hohlträgern können Verstärkungsbleche innen- oder außensei­ tig an wenigstens einer der Blechschalen integriert sein, die sich über einen längeren Bereich des Hohlträger erstrec­ ken. Zu Versteifungszwecken sind auch schon Versteifungsroh­ re konstanten Querschnitts ins Innere der Hohlträger einge­ lagert worden, die zwar angenähert dem Verlauf des Hohl­ trägers folgen, dessen Querschnitt aber nicht vollständig ausfüllen, sondern nur an bestimmten Stellen über Stegbleche oder unmittelbar mit der Wandung des Hohlträgers verbunden sind. Derartige Konstruktionen zur Erhöhung der Steifigkeit eines Hohlträgers sind z. B. an der Mittelsäulen von Pkw-Ka­ rosserien für den Fall eines Seitencrash's vorgesehen wor­ den. An den Stoß- oder Verbindungsstellen, also an den Kno­ tenstellen von Hohlträgern ist es meist ebenfalls aus Ge­ wichtsgründen vorteilhaft, eine lokal beschränkte Verstärkung in die Wandung des quer liegenden Hohlträgers zu inte­ grieren.

Früher wurden das Basisblech und das Verstärkungsblech je­ weils für sich tiefgezogen und diese Teilwerkstücke an­ schließend zu einem kompletten Strukturteil zusammenge­ schweißt, was zwei separate Zieh- und Umformvorgänge, zwei separate Werkzeugsätze und einen gesonderten Fügevorgang von räumlich geformten Blechteilen voraussetzt. Dies alles ist zeitraubend und kostentreibend.

Bei dem aus der DE 43 07 563 A1 bekannten Verfahren zum Her­ stellen lokal verstärkter Blech-Strukturteile für Kraftfahr­ zeugkarosserien wird eine das Basisblech des Strukturteils bildende Platine im Flachzustand mit einem kleineren Ver­ stärkungsblech von vorzugsweise höherer Festigkeit lokal, d. h. an einer vorbestimmten Stelle verbunden und dieser weitgehend ebene Blechverbund anschließend gemeinsam in ei­ ner Presse tiefgezogen. Das Verstärkungsblech kann selber partiell vorgeformt, z. B. mit Versteiffungssicken versehen sein. Das Verstärkungsblech ist in seinem Umrißverlauf so ausgebildet und wird so auf der Basisblech-Platine positio­ niert, daß das Verstärkungsblech nach dem Tiefziehen optimal die Krafteinleitungsstelle ausfüllt. Je nach Anwendungsfall kann das Verstärkungsblech eine höhere Festigkeit als das Basisblech aufweisen, wobei hierzu eine größere Wandstärke des Verstärkungsblechs und/oder eine bessere Werkstoffquali­ tät vorgesehen werden kann. Es wird u. U. auch eine mehrla­ gige Ausbildung des Verstärkungsbleches empfohlen, wobei die mehreren Lagen bevorzugt eine unterschiedliche große Ausdeh­ nung aufweisen.

Als Verbindungstechniken von Basisblech-Platine und Verstär­ kungsblech werden in der DE 43 07 563 A1 u. a. das Durchsetz- oder Druckfügen (sog. Clinchen) genannt, was als besonders vorteilhaft angesehen wird, weil diese Fügetechnik sich in sich in den Umformvorgang oder in das Anbringen etwaiger Be­ festigungselemente - Einstanzmutter, Einstanzbolzen - inte­ grieren läßt. Das Verstärkungsblech braucht in diesem Fall u. U. lediglich lagedefiniert nach dem Basisblech in der Um­ formpresse positioniert zu werden. Daneben werden auch Schweißverbindungstechniken und Klebetechniken genannt, wo­ bei im Zusammenhang mit diesen Verbindungstechniken u. a. hervorgehoben wird, daß sie die Oberfläche des Struktur­ teiles unbeeinflußt lassen. Es wird in der genannten Druck­ schrift durchaus erkannt, daß die gegenseitigen Kontakt­ flächen von Basisblech und Verstärkungsblech vor Korrosion geschützt werden müssen, weil eine spätere Fahrzeuglackie­ rung oder eine Wachs-Konservierung diese Flächen nicht dau­ erhaft vor dem Zutritt von Feuchtigkeit zu schützen vermö­ gen. Deshalb wird empfohlen, für das Basisblech und das Ver­ stärkungsblech zumindest einseitig verzinkte Bleche zu ver­ wenden, oder stattdessen an der Kontaktstelle eine Schutzfo­ lie aus Kunststoff oder Metall zwischenzufügen. Auch die korrosionsverhindernde Wirkung einer etwaigen Kleberschicht wird hervorgehoben.

Zwar ist gegenüber der zuvor geschilderten Vorgehensweise mit separater Umformung von Basisteil und Verstärkungsteil das aus der DE 43 07 563 A1 bekannte Verfahren wegen der Zu­ sammenfassung des Tiefziehvorgangs in einem einheitlichen Arbeitsgang wesentlich kostengünstiger. Nachteilig ist je­ doch zum einen, daß dazu sehr hohe Umformkräfte erforderlich sind, insbesondere wenn das Verstärkungsblech eine höhere Festigkeit aufweist oder gar seinerseits mehrlagig ausgebil­ det ist. Dies äußert sich in einer entsprechend höheren Be­ anspruchung und somit in einer höheren elastischen Verfor­ mung der Einzelteile der Umformpresse, was wiederum zu einer geringeren Arbeitsgenauigkeit und einer geringeren Lebens­ dauer der Umformwerkzeuge und der Presse führt. Zwar kann die höhere Beanspruchung bzw. die höhere elastische Verfor­ mung der Pressen eile durch eine entsprechende Dimensionierung derselben kompensiert werden, was jedoch die Kosten der Presse erhöht. Der erhöhte Werkzeugverschleiß läßt sich jedoch nicht kompensieren und belastet somit ebenfalls die Stückkosten der hergestellten Strukturteile.

Bei der hier gewürdigten, vorbekannten Technik des gemein­ samen Umformens gepatchter Verbundbleche ist zu beachten, daß die damit erzielbaren Verstärkungsgrade nur beschränkt sind, weil die Umform- und Ziehkräfte für das Verstärkungs­ blech in dieses in einem wesentlichen Ausmaß nur mittelbar über das Basisblech und über die peripher am Verstärkungs­ blech angebrachte Verbindungspunkte zwischen Basis- und Ver­ stärkungsblech übertragen werden können. Wenn das Ver­ stärkungsblech, sei es aufgrund der höheren Werkstofffestig­ keit, sei es aufgrund der größeren Wandstärke oder aufgrund beider Maßnahmen wesentlich Widerstandsfähiger ist als das Basisblech, so läßt es sich nicht gemeinsam mit dem Basis­ blech beliebig umformen. Will man lokal besonders hohe Ver­ stärkungsgrade realisieren, so muß man das Basisblech und das Verstärkungsblech jeweils für sich umformen und beide Teile anschließend zu einem Verbundteil miteinander ver­ schweißen.

Ungeachtet des Umstandes, ob das Verstärkungsblech gemeinsam mit dem Basisblech zu einem Strukturteil umgeformt wird, oder ob - wie eingangs erwähnt - das Basisblech und das Ver­ stärkungsblech jeweils für sich geformt und beide Formteile erst anschließend zu dem Strukturteil zusammengefügt werden, ist wegen der aus Gewichtsgründen beabsichtigten Reduzierung der Wandstärke des Basisbleches und der damit ebenfalls re­ duzierten Korrosionsreserve ein wirksamer Korrosionsschutz an der Kontaktstelle von Basis- und Verstärkungsblech beson­ ders wichtig, um nicht eine reduzierte Lebensdauer des Strukturbauteiles zu riskieren. Ein wirksamer Korrosions­ schutz an der Kontaktstelle der Bleche durch das aus der DE 43 07 563 A1 bekannte Verfahren kann selbst durch Zwischenfügen von Korrosionsschutzfolien nicht sicher gewährleistet werden. Durch die punktuellen Verbindungsstellen (Clinch- oder Punktschweißstellen) zwischen Basis- und Verstärkungs­ blech wird nämlich eine zwischengefügte Korrosionsschutzfo­ lie lokal zerstört, so daß kapillar einkriechende Feuchtig­ keit gerade an den Verbindungsstellen zu Korrosion führen und das relativ dünne Basisblech dort mit der Zeit zerfres­ sen kann. Trotz Lackierung und Wachs-Konservierung muß selbst im geschützten Innenbereich von Karosserien aufgrund von Schwitzwasserbildung und aufgrund von Kapillarwirkung mit einem Feuchtigkeitszutritt zu der Kontaktfläche zwischen Basis- und Verstärkungsblech gerechnet werden.

Aufgrund der voranstehenden kritischen Würdigung des bekann­ ten Verfahrens nach der DE 43 07 563 A1 können die systemim­ manenten Schwachstellen dieses Verfahrens folgendermaßen zu­ sammengefaßt werden:

• - Begrenzte Umformungsgrade der gemeinsam umzuformenden Ble­ che;
• - hohes Rückfederungsverhalten der gemeinsam umgeformten Bleche;
• - dadurch vergleichsweise geringe Formgenauigkeit der Struk­ turteile;
• - wegen der mittelbaren Übertragung der Umformkräfte in das Verstärkungsblech können nur begrenzte Verstärkungsgrade an den Vertärkungsstellen realisiert werden;
• - hohe Preßkräfte bei der gemeinsamen Umformung und somit hohe Investitionskosten;
• - hoher Werkzeugverschleiß und somit Erhöhung der Stückko­ sten;
• - begrenzter Korrosionsschutz an der Fügefläche.

Die DE 195 29 881 C1 offenbart die Herstellung eines Tief­ ziehteiles aus einem Blech aus härtbarem Federstahl, wobei der Federstahl im Warmzustand des Bleches tiefgezogen und in fertig geformten Zustand durch eine anschließende Wärmebe­ handlung auf Federstahlhärte gebracht wird, wobei allerdings nicht gesagt wird, wo und wie dies geschieht. Durch eine sich an das Tiefziehen anschließende Wärmebehandlung besteht die Gefahr, daß die Teile sich verziehen und somit einer großen maßlichen und/oder formlichen Streuung unterliegen. Abgesehen davon ist bei lokal stark unterschiedlicher Bean­ spruchung der Bauteile die Wandstärke auf die Stelle größter Beanspruchung auszulegen, was zu einer Überdimensionierung der Wandstärke an stellen einer geringeren Beanspruchung führt. Zwar wäre es theoretisch denkbar, dieses Umformteil nachträglich lokal durch Einschweißen eines Verstärkungs­ bleches zu verstärken. Dies wäre aber nicht sinnvoll, da die Härte des Basisbleches und/oder die des Verstärungsbleches sich lokal an den Schweißstellen verlieren würde. Andere Verbindungstechniken wie Löten, Kleben oder Clinchen würden bei der hohen Festigkeit der beteiligten Bleche sinnvoller Weise ausscheiden, weil diese Verbindungstechniken nicht oh­ ne Beeinträchtigung des Basisbleches und/oder des gehärteten Werkstoffgefüges machbar wären (Löten, Clinchen) oder weil sie nicht die erforderliche Festigkeit bringen würden (Kle­ ben). Die Verbindungsstellen müßten zumindest annähernd die gleiche Festigkeit wie die des gehärteten Basisbleches auf­ weisen, um den gewünschten Verstärkungseffekt des einge­ lagerten Bleches zu erzielen. Das bekannte Verfahren nach der DE 195 29 881 C1 weist also folgende Schwachstellen auf, wobei z. T. auf die Ausführungen zu der eingangs genannten Literaturstelle zu verweisen ist:

• - Wegen einheitlicher Wandstärke nur begrenzter Leichtbau möglich;
• - keine lokalen Verstärkungen möglich;
• - wegen der Wärmebehandlung vergleichsweise geringe Formge­ nauigkeit der Strukturteile.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrunde ge­ legte Herstellungsverfahren hinsichtlich folgender Kriterien zu verbessern;

• - Bezüglich des Verfahrenserzeugnisses dahin, daß höhere lo­ kale Verstärkungsgrade im Vergleich zum Basisblech bzw. zum unverstärkten Bauteil in einem einheitlichen Ferti­ gungsschritt erreichbar sind.
• - Bezüglich des Verfahrensergebnisses dahin, daß einer grö­ ßere Arbeitsgenauigkeit der Umformteile als bisher er­ reichbar ist.
• - Bezüglich der verfahrensausübenden Mittel dahin, daß die Umformwerkzeuge und die Umformpresse geringer als zu er­ warten beansprucht werden und in soweit eine vertretbare Lebensdauer zu erwarten ist.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Verfahrens erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkma­ le von Anspruch 1 gelöst. Danach wird das gepatchte Ver­ bundblech erfindungsgemäß im Warmzustand in die gewünschte Form umgeformt und auf dem Umformwerkzeug unter mechanischer Aufrechterhaltung des Umformungszustandes definiert abge­ kühlt.

Erfindungsgemäß wird ein kostengünstiger Weg für ein neues Leichtbaukonzept eröffnet. Zur Erläuterung dessen sei zu­ nächst daran erinnert, daß ein geringes Gewicht einer Ka­ rosserie wesentlich die Leistungsfähigkeit (Fahrspaß) und den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeuges (Kostenniveau) mitbe­ stimmen und somit unmittelbar dem Kundennutzen dienen. Auf der anderen Seite soll eine Fahrzeugkarosserie aus Gründen einer hohen Insassensicherheit im Bereich der Fahrgastzelle möglichst steif sein, was sich tendenziell in Richtung schwererer Karosserie auswirkt. Diese beiden gegenläufigen Forderungen bezüglich des Gewichts stehen im übrigen in ei­ ner direkten Beziehung zu den Kosten der Karosserie. Die Kosten auf der einen Seite und das Gewicht auf der anderen Seite entwickeln sich tendenziell einander entgegenlaufend; je leichter eine Karosserie konzipiert ist, um so teurer nur läßt sie sich in der Regel herstellen, wogegen eine Karosse­ riekonstruktion, welche das Spektrum der verfügbaren Leicht­ baumaßnahmen weniger ausschöpft, kostengünstiger herstellbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Warmumformung von Struktur­ teilen aus Stahl werden jedoch in diesem Beziehungsgeflecht zwischen Funktion, Kosten und Gewicht einer Karosserie neue Randbedingungen gesetzt, die Leichtbau zu mäßigen Kosten bei gleichzeitiger Funktionssteigerung erlauben. Die Potentiale und Vorteile der erfindungsgemäßen Herstellungsweise liegen in folgendem:

• - Es wird ein kostengünstiger Leichtbau ermöglicht
• - Es können Werkstoffe mit hoher und höchster Festigkeit eingesetz werden. Die erreichbare Werkstofffestigkeit kann gegenüber herkömmlichen Maxilmalwerten auf etwa das Drei­ fache gesteigert werden.
• - Trotz Einsatz hochfester Werkstoffe können ohne weiteres hohe Umformgrade realisiert werden.
• - Es können innerhalb weiter Grenzen beliebige Verstärkungs­ grade des Basisbleches realisiert werden.
• - Die konventionelle Blechschalenkonstruktion und das damit zusammenhängende Konstruktions- und Reparatur-Know-how können beibehalten werden. Letzterem kommt eine hohe in­ frastrukturelle Bedeutung zu.
• - Soweit Verstärkungen noch erforderlich werden, können die­ se in die eine Schale und in deren Herstellung integriert werden.
• - Aufgrund der Warmumformung ist das Rückfederungsverhalten der Blechteile nach dem Umformprozeß vernachlässigbar ge­ ring, was die Fertigungsgenauigkeit erhöht. Es können ohne weiteres geringe Fertigungstoleranzen realisiert werden.
• - Der Abstimmungsaufwand zwischen Umformwerkzeug und den Strukturteilen ist nicht höher, eher geringer als beim Um­ formen von einfachen Blechteilen.
• - Die Kosten für Anlagen- und Werkzeuginvestitionen, für er­ forderliche Maschinenstunden sowie für Logistik und Lager­ haltung werden reduziert.

In dieser Auflistung von erfindungsgemäßen Vorteilen sind einige enthalten, die einen synergetischen Überschuß gegen­ über einer Summe von aus unterschiedlichen Quellen des Stan­ des der Technik zusammengenommenen Vorteilen darstellen, und zwar sind als synergetische Vorteile folgende besonders her­ vorzuheben:

• - Trotz Einsatz hochfester Werkstoffe können ohne weiteres hohe Umformgrade realisiert werden.
• - Es können innerhalb weiter Grenzen beliebige Verstärkungs­ grade des Basisbleches realisiert werden.
• - Aufgrund der Warmumformung ist das Rückfederungsverhalten der Blechteile nach dem Umformprozeß vernachlässigbar ge­ ring, was die Fertigungsgenauigkeit erhöht. Es können ohne weiteres geringe Fertigungstoleranzen realisiert werden.

Um die hergestellten Strukturteile im Kontaktbereich zwi­ schen Basis- und Verstärkungsblech wirksamer gegen Korrosion schützen zu können, wird in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung vor dem Anbringen des Verstärkungsbleches an dem Basisblech die Kontaktfläche wenigstens eines der Bleche flächendeckend mit einem Hartlot versehen, wobei vorteilhaf­ terweise beide Kontaktflächen zuvor gereinigt werden. Wäh­ rend des Erwärmens des gepatchten Blechverbundes auf Umform­ temperatur, was vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre eines Ofens erfolgt, wird das aufgetragene Hartlot erschmol­ zen. Während des Umformprozesses wird aufgrund der Verfor­ mung und des Zusammenpressens der Blechteile eine innige und porenfreie Lötverbindung erzeugt. Das die Kontaktzone flächendeckend ausfüllende Hartlot verhindert später zuverläs­ sig einen Feuchtigkeitszutritt und bietet einen hochwirk­ samem Korrosionsschutz. Das Hartlot wird vorzugsweise mit einem Überschuß aufgetragen, der während des Umformens am Rand des Verstärkungsbleches ausgepreßt wird. Durch das Lö­ ten wird der Schritt des Verbindens von Verstärkungsblech und Basisblech ohne weiteres in den Umformprozeß integriert. Es muß lediglich, z. B. durch einen einzigen, nach dem Lotauftrag aber vor dem Erwärmen gesetzten Verbindungspunkt zwischen Verstärkungsblech und Basisblech, sichergestellt werden, daß Verstärkungsblech und Basisblech während des Handhabens ihre gegenseitige Soll-Lage eindeutig beibehalten und nicht etwa zueinander verrutschen können.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Er­ findung anhand verschiedener in der Zeichnung beispielsweise dargestellter Verfahrensschemata und Details nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1a und 1b zusammengenommen ein Verfahrensschema ge­ mäß einem ersten Ausführungsbeispiel einer gemeinsamen Warmumformung von Basisblech und Verstärkungsblech, bei dem letzteres mit dem Basisblech hartverlötet wird,

Fig. 2 einen partiellen Schnitt durch das zwangsgekühlte Um­ formwerkzeug nach Fig. 1 in einer vergrößerten Dar­ stellung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbei­ spiel eines gepatchten Verbundbleches, bei dem das mit Verstärkungssicken versehene Verstärkungsblech vor dem Zusammenbringen mit dem Basisblech vorgeformt ist,

Fig. 4 ein nur partiell dargestelltes, weiteres Verfahrens­ schema zur Warmumformung von Basis- und Verstärkungs­ blech, bei dem diese nach dem gemeinsamem Warmumformen stufenweise in einer Folge von zwangsgekühlten Fixier­ werkzeugen gekühlt werden und

Fig. 5 ein Temperatur/Zeit-Diagramm, in dem der Temperatur­ verlauf während der Herstellung eines in der Ver­ fahrensanlage nach Fig. 4 hergestellten Umformteiles dargestellt ist.

Das in den Fig. 1a und 1b gemeinsam dargestellte Verfah­ rensschema dient zum Herstellen eines räumlich geformten Strukturteils 1, welches aus einem Basisblech 2 und aus ei­ nem kleineren, lokal angeordneten Verstärkungsblech 3 be­ steht. Dabei wird das Basisblech 2 des Strukturteils im Flachzustand mit dem Verstärkungsblech 3 an der für die spä­ tere Verstärkungsstelle vorbestimmten Stelle verbunden und die Teile des so gepatchten Verbundblechs 6 werden anschlie­ ßend mittels eines öffen- und schließbaren Umformwerkzeuges 22 in einer Umformpresse 21 gemeinsam umgeformt.

Um das Herstellungsverfahren hinsichtlich Verfahrenserzeug­ nis und -ergebnis zu verbessern sowie bezüglich der verfah­ rensausübenden Mittel zu entlasten, wird das gepatchte Ver­ bundblech 6 erfindungsgemäß vor dem gemeinsamen Umformen auf eine oberhalb der Umformtemperatur des Werkstoffs liegende Temperatur erwärmt, im Warmzustand bei mäßiger Werkzeugbean­ spruchung in die gewünschte Form umgeformt und anschließend unter mechanischer Fixierung des gewünschten Umformzustandes in dem geschlossen gehaltenen Umformwerkzeug 22 und/oder in einem anschließenden Fixier- und Beschneidewerkzeug 23 defi­ niert abgekühlt und dadurch gezielt wärmebehandelt.

Die in den Fig. 1a und 1b schematisch dargestellte Anlage sieht zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens je eine Abwickelvorrichtung für ein Coil 12 für das Basisblech und für ein Coil 13 für das Verstärkungsblech vor. Die abge­ wickelten Bleche werden nach einem Geraderichten derselben in einer Hubschere 14 bzw. 15 in einzelne Basisblech-Plati­ nen 2 und in einzelne Verstärkungsblech-Platinen 3 zerteilt, die taktweise weiterverarbeitet werden. Die beiden Coils 12 und 13 sind entsprechend der unterschiedlichen Breite der Zuschnitteile 2 bzw. 3 unterschiedlich breit. Die Dicke der einzelnen Bleche hängt von der Belastung des Strukturteils im unverstärkten Bereich des Basisbleches einerseits und dem gewünschten Verstärkungseffekt andererseits ab und ist für jeden Einzelfall zu optimieren. Meist wird das Verstärkungs­ blech dünner als das Basisblech sein. Es sind aber auch ohne weiteres Fälle mit hoher lokaler Verstärkung vorstellbar, bei denen das Verstärkungsblech dicker als das Basisblech ist. Hier mag sich u. U. eine mehrlagige Verstärkung aus zwei übereinander gelegten, unterschiedlich großen Verstärkungs­ blechen als sinnvoll erweisen, bei der die Verstärkung von ihrem Außenrand her entsprechend der Lagenzahl stufenweise ansteigt.

Im Zusammenhang mit der Steifigkeit des Verstärkungsbleches sei an dieser Stelle bereits darauf hingewiesen, daß diese nicht nur durch Werkstoffestigkeit Blechdicke und/oder La­ genzahl beeinflußt werden kann, sondern auch durch eine ge­ eignete strukturelle Versteifung. Gemäß der Darstellung nach Fig. 3 kann das Verstärkungsblech 3' nämlich seinerseits vor dem Zusammenbringen mit dem Basisblech 2 durch Anbringen von Verstärkungssicken 7 in der Weise vorgeformt und dadurch strukturell ausgesteift sein. Hierbei muß jedoch dafür ge­ sorgt werden, daß sich das vorgeformte Verstärkungsblech 3' gleichwohl an der vorbestimmten Stelle formgetreu an das Ba­ sisblech 2 anlegen und mit ihm fixieren läßt.

Was den Werkstoff anlangt, so können beide Bleche vorzugs­ weise aus dem gleichen oder einem ähnlichen Werkstoff bestehen. Nachfolgend werden zwei unterschiedliche, an sich be­ kannten und für Tiefziehbleche im Handel erhältlichen Werk­ stoffe vorgeschlagen, die für das Basisblech 2 und/oder das Verstärkungsblech 3, 3' in Frage kommen können. Und zwar sei in diesem Zusammenhang zum einen ein wasserhärtender Vergü­ tungsstahl der deutschen Firma Benteler AG genannt, der un­ ter der Handelsbezeichnung BTR 165 vertrieben wird. Dieser Stahl weist die nachfolgend aufgeführten Legierungszusammen­ setzung auf, wobei die zusätzlich zu dem Basismetall Eisen hinzuzufügenden Gehalte der Legierungspartner in Gewichts­ prozent zu verstehen sind:

Kohlenstoff	0,23-0,27%,
Silizium	0,15-0,50%,
Mangan	1,10-1,40%,
Chrom	0,10-0,35%,
Molybdän	0-0,35%,
Titan	0,03-0,05%,
Aluminium	0,02-0,06%,
Phosphor	max. 0,025%,
Schwefel	max. 0,01% und
andere insgesamt	0,0020-0,0035%.

Zum anderen wird auch ein gegen Korrosion anorganisch vorbe­ schichtetes Blech der französischen Firm Sollac SA empfoh­ len, den diese unter der Handelsbezeichnung 22MnB5 ver­ treibt. Die anorganische Vorbeschichtung des Bleches - eine Aluminium/Silizium-Beschichtung, die bei der Wärmebehandlung unter Bildung eines dreiphasigen Schichtstoffes Al/Si/Fe in den Basiswerkstoff teilweise hineindiffundiert - verhindert eine Verzunderung und eine Entkohlung des Bleches bei der Erwärmung und macht ein Beizen und ein Phosphatieren des Bleches unnötig. Die Beschichtung läßt ohne weiteres die üb­ lichen Schweißungen zu. Das unbeschichtete Blech besteht aus einem Stahl mit der nachfolgend aufgeführten Legierungszu­ sammensetzung, wobei die Gehalte ebenfalls in Gew.-% zusätz­ lich zu dem Basismetall Eisen zu verstehen sind:

Kohlenstoff	0,20-0,25%,
Silizium	0,15-0,35%,
Mangan	1,10-1,35%,
Chrom	0,10-0,35%,
Titan	0,02-0,05%,
Schwefel	max. 0,008% und
andere insgesamt	0,002-0,004%.

Das in den Fig. 1a und 1b dargestellte Verfahrensschema sieht eine Hartlötverbindung der beiden Zuschnitteile vor. Deshalb werden bei dem in Fig. 1a gezeigten Ausführungsbei­ spiel die Basisblech-Platinen 2 lokal an einer vorbestimmten Fläche durch einen Auftragsroboter 16 mit einem Hartlotauf­ trag 4 versehen, der beispielsweise in Form einer sprühfähi­ gen Paste aufgetragen wird. An dieser stelle sei gleich ver­ merkt, daß auch andere Formen des Hartlotauftrags, z. B. das Auflegen eines formentsprechend ausgestanzten Zuschnittes einer Lötfolie oder das Aufstreuen oder Auflegen von Spänen denkbar ist. Für den Fall einer Hartlötverbindung der Blech­ teile kann es u. U. ferner vorteilhaft sein, wenn die Kon­ taktflächen sowohl des Basis- als auch des Verstär­ kungsbleches vor dem Auftragen mit Hartlot 4 gereinigt und/oder für ein Hartlöten aktiviert werden, was in Fig. 1a jedoch nicht dargestellt ist. Ferner sei der Vollständigkeit halber erwähnt, daß das Hartlot zusätzlich oder alternativ auch auf der Kontaktfläche des Verstärkungsbleches 3 aufge­ tragen werden kann. Zweckmäßigerweise wird das Hartlot 4 mit einem gewissen Überschuß aufgetragen, so daß dieser nach dem Erschmelzen des Hartlotes beim gemeinsamen Warmumformen der Blechteile am Rand des Verstärkungsbleches 3 ausgepreßt wer­ den kann; vgl. Fig. 3 und den dort am Rand ausgepreßten Lotüberschuß 35. Dieses Auspressen von Hartlotüberschuß be­ seitigt nicht nur Gaseinschlüsse und schafft somit eine po­ renfreie Lötfuge, sondern durch den am Rand sich sammelnden und dort als Meniskus anstehenden Überschuß 35 wird der Rand des Verstärkungsbleches wirkungsvoll versiegelt und der stufenförmige Übergang zum Basisblech bezüglich Wanddicke und Kerbwirkung etwas abgemildert.

Nach dem Hartlotauftrag werden die Blechteile 2 und 3 ent­ sprechend der gewünschten gegenseitigen Soll-Lage der Bleche lagedefiniert aufeinandergelegt, was durch eine Hilfsvor­ richtung rationell und zuverlässig durchgeführt werden kann. Anschließend werden beide Bleche mittels des Schweißroboters 17 durch vorzugsweise nur einen einzigen Heftpunkt 5 vorläu­ fig aufeinander fixiert, um die Relativlage der Blechteile zu sichern.

Das solcherart gepatchte Verbundblech 6 wird automatisiert in einen Durchlaufofen 18 eingegeben, dessen Ofenatmosphäre durch gezielte und ausreichende Zugabe eines Schutzgases z. B. aus der Gasflasche 19 inertisiert ist, um ein Verzun­ dern nicht beschichteter Schnittstellen der Bleche oder - bei Verwendung unbeschichteter Bleche - an der gesamten Blechoberfläche zu verhindern. Bei dem Schutzgas kann es sich beispielsweise um Kohlendioxid und/oder um Stickstoff handeln. In dem Ofen wird das Verbundblech oberhalb einer solchen Gefügeumwandlungstemperatur des Werkstoffes - meist eine bestimmte Temperatur innerhalb des Temperaturbereiches zwischen 850 und 930°C - erwärmt, oberhalb der das Werk­ stoffgefüge in austenitischem Zustand vorliegt. Dadurch ist eine Wärmebehandlung des Werkstoffes durch gezielte Abküh­ lung und somit eine Einstellung der dadurch erzielbaren Werkstoffestigkeit möglich.

Das Beschicken des Durchlaufofens kann beispielsweise durch für Öfen bekannte, automatisierte Beschickungseinrichtungen erfolgen, wobei für eine greifgerechte, definierte Lage der Verbundbleche im Ofen und eine durch einen Rost unter­ stützte, verzugsfreie, nahezu vollflächige Flachlage der Bleche zu sorgen ist. Wegen des raschen Übergebens der er­ wärmten Verbundbleche 6' vom Ofen in ein Umformwerkzeug ist hingegen für das Entnehmen des Verbundblechs aus dem Ofen 18 ein Handhabungsroboter 20 vorgesehen. Dieser ergreift das lagedefiniert bereit liegende, erwärmte Verbundblech 6' im Ofen an vorbestimmten Stellen und legt es unmittelbar an­ schließend und rasch ebenso lagedefiniert in das geöffnete Umformwerkzeug 22 ein. Diese bis zum Beginn des Schließens des Umformwerkzeuges 22 gemessene Zeitspanne dauert nur we­ nige Sekunden. Das Einlegen ist also vorzugsweise in weniger als zwei Sekunden abgeschlossen, siehe die Zeitspanne E (Einlegen) in Fig. 5 zu Beginn des Prozesses, so daß die dadurch bedingte Abkühlung des Werkstücks nur gering ist und durch Wahl einer entsprechend höheren Ofentemperatur vorge­ halten werden kann.

Das Umformwerkzeug 21 besteht bei dem in Fig. 2 näher dar­ gestellten Ausführungsbeispiel im unteren feststehenden Teil aus einer Matrize 30 mit einem ortsfesten Niederhalterrand, der sich in der Regel in einer Ebene, meist sogar in einer horizontalen Ebene erstreckt. Der obere, hubbewegliche Teil des Umformwerkzeuges besteht aus einer Patrize 31 mit einem gesondert hubbeweglich antreibbaren Niederhalter 32, dessen ebene Anlagefläche parallel zum Niederhalterrand der Matrize angeordnet ist. Beim Einlegen des erwärmten Verbundbleches 6' in das geöffnete Umformwerkzeug liegt das Verbundblech zunächst lediglich außen am Niederhalterrand der Matrize auf und überspannt frei die Gravur derselben. Beim Schließen des Werkzeuges legt sich als erstes der Niederhalter 32 an den Rand des Verbundbleches an und klemmt diesen mit vorgebbarer Klemmkraft so ein, daß der Rand unter einer bestimmten Zug­ kraft aus der Einklemmung herausgleiten kann. Erst nach der so bewirkten Randeinklemmung durch den Niederhalter 32 setz auch die Patrize auf das Verbundblech ein, so daß der Um­ formvorgang beginnt.

Beim Warmumformen sollte der Niederhalter 32 isoliert ausge­ führt werden. Bevorzugt wird das Warmumformen jedoch ohne Niederhalter durchgeführt, da dadurch ein zu schnelles Ab­ kühlen des Blechs vermieden wird.

Durch das anhaltende Niedergehen der Patrize 31 werden die Blechteile des eingelegten, erwärmten Verbundblechs 6' ge­ meinsame umgeformt. Trotz der hohen gemeinsamen Blechstärke sind wegen des Warmzustandes des Verbundblechs die von der Umformpresse 21 aufzubringenden Kräfte zum einen und die auf der Oberfläche des Umformwerkzeuges wirksamen Reibungskräfte zum anderen vergleichsweise gering. Es kann also mit einer herkömmlichen Pressenkonstruktion für übliche Tiefziehvor­ gänge und von üblichem Kostenniveau gearbeitet werden.

Das zwar lagesicher aber praktisch nur lose auf dem Basis­ blech 2 aufliegende Verstärkungsblech 3 läßt sich in der Re­ gel auch ohne Zug faltenfrei in die gewünschte Form bringen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn - wie meist gege­ ben - die zu verstärkenden Zonen des Strukturteils einen räumlich nur wenig gekrümmten Verlauf haben. Die Zeitspanne S (siehe Fig. 5) für das Schließen des Umformwerkzeuges und für das Umformen selber, gerechnet vom Beginn des Schließens des Umformwerkzeuges 22 an bis zum vollständigen Umformen des Verbundbleches, erfolgt recht zügig und im unmittelbaren Anschluß an das Einlegen des Verbundbleches. Diese wesentli­ che Phase ist in wenigstens 3 bis 5 Sekunden abgeschlossen. Zwar ist aufgrund der teilweisen Berührung des Verbund­ bleches mit der Gravur des Umformwerkzeuges der Wärmeverlust im Verbundblech an den Berührungsstellen lokal in dieser Zeitspanne größer als während der Einlegephase, wo das Ver­ bundblech - abgesehen von der heißen Greifzange des Handha­ bungsroboters - nur mit Umgebungsluft in Berührung gelangt. Jedoch berührt die Gravur der unteren Matrize 30 das Ver­ bundblech zunächst noch gar nicht, sondern erst ganz am Schluß des Umformprozesses. Darüber hinaus berührt die obere Patrize 31 das Verbundblech zunächst nur partiell und in den Bereichen, in denen der Umformungsgrad in der Regel ohnehin vergleichsweise nur gering ist. In den nicht oder noch nicht von der Gravur berührten Bereichen ist das erwärmte Verbund­ blech von stagnierender Luft umschlossen und in sofern gegen Wärmeverluste sogar isoliert. Jedenfalls kühlt das Verbund­ blech während der Umformphase nur mäßig ab und läßt sich trotz der teilweisen Berührung mit der Gravur des Umform­ werkzeuges ohne weiteres bei geringen Kräften und in hohem Maße warmumformen. Neben der Entlastung der Presse und des Umformwerkzeuges liegt ein weiterer wesentlicher Vorteil der Warmumformung darin, daß wesentlich höhere Umformungsgrade des Verbundbleches (im Vergleich zur Kaltumformung) in einem einzigen Umformungszug durchgeführt werden können.

Nachdem durch das Schließen des Umformwerkzeuges die Teile des Verbundblechs im Warmzustand gemeinsam in die gewünschte Form gebracht worden sind, wird das geformte Verbundblech im unmittelbaren Anschluß darauf abgekühlt, wobei das Verbund­ blech während dieser Abkühlzeit in dem gewünschten Umfor­ mungszustand mechanisch fixiert wird. Durch das Abkühlen wird nicht nur das Hartlot erstarrt, wodurch die Lörverbin­ dung bereits jetzt schon belastbar ist, sondern durch ein definiertes Abkühlen wird der verwendete Werkstoff vor allem gezielt wärmebehandelt und dementsprechend eine bestimmte Werkstoff-Festigkeit in ihm eingestellt. Darüber hinaus wird durch das mechanische Fixieren des umgeformten Bleches wäh­ rend der Abkühlung in dem gewünschten Sollzustand die Löt­ fuge in der Erstarrungsphase des Hartlotes geschlossen ge­ halten und ferner der Umformungszustand des Verbundbleches trotz der Wärmebehandlung nicht nur formgetreu und zuverläs­ sig stabilisiert, sondern eine Rückfederungstendenz besei­ tigt. Im Ergebnis werden dadurch sehr genaue Werkstücke mit geringer maßlicher und/oder formlicher Streuung produziert.

Um ein gezieltes Abkühlen des umgeformten Verbundbleches in dem Umformwerkzeug zu ermöglichen, sind gemäß der Darstel­ lung nach Fig. 2 die Gravuren der Matrize 30 und der Patrize 31 mit oberflächennah verlaufenden Kühlkanälen 33 bzw. 34 versehen, die in einen Kühlkreislauf 24 einbezogen sind, dessen Kühlmittel zwangsweise durch eine nicht dargestellte Pumpe zirkuliert werden kann. Das erwärmte Kühlmittel kann durch einen im Kühlkreislauf integrierten Wärmetauscher 25 wieder zurückgekühlt werden, wobei die hierbei eingesetzte Kälteenergie beispielsweise durch ein Kälteaggregat oder durch kaltes Brauchwasser aus einem geeigneten Vorfluter (Wasserleitung, Fluß) aufgebracht werden kann. Die Kühlka­ näle 33 der Matrize einerseits und die Kühlkanäle 34 der Pa­ trize andererseits sind beim dargestellten Ausführungsbei­ spiel kreuzweise zueinander angeordnet, um möglichst keinen Streifeneffekt beim Kühlen auf dem Werkstück zu hinterlas­ sen.

Aus nachfolgend klar werdenden Gründen erfolgt bei dem im Verfahrensschema nach den Fig. 1a, 1b dargestellten Bei­ spiel die Kühlung in zwei aufeinander folgenden Etappen. Die erste Abkühlphase erfolgt durch Kontaktierung mit der zwangsgekühlten Gravur des Umformwerkzeuges 22 selber, wobei für die Zieltemperatur dieser ersten Abkühlphase zwei Über­ legungen maßgebend sind. Zum einen muß bei der Hartlot­ verbindung der Bleche im Verbund das zunächst erschmolzene Hartlot unter mechanischer Fixierung des geformten Verbund­ bleches wenigsten bis zur vollständigen Erstarrung des Hart­ lotes 4 abgekühlt werden, wobei diese Erstarrung beliebig schnell oder beliebig langsam herbeigeführt werden kann. Zum anderen soll durch eine Wärmebehandlung eine bestimmte Werk­ stofffesttigkeit erreicht werden, wofür bei den in Frage kommenden Stählen eine Zieltemperatur von 500°C sowie eine bestimmte Abkühlgeschwindigkeit maßgebend ist. Deswegen ist es wichtig, daß das gepatchte Verbundblech nach dem gemein­ samen Umformen unter Verbleib in dem geschlossen gehaltenen Umformwerkzeug 22 zumindest bis auf etwa 500°C abgekühlt wird. Ferner ist es wichtig, daß nicht nur der Schmelzpunkt, sondern vor allem der Erstarrungspunkt, d. h. die Solidustemperatur, des verwendeten Hartlotes deutlich über 500°C liegt.

Im Zusammenhang mit der einzuhaltenden Abkühlgeschwindigkeit gilt folgendes: Ein martensitisches Werkstoffgefüge im umge­ formten Verbundblech kann dann sinnvoll sein, wenn man höch­ ste Festigkeit im Strukturteil benötigt und keine oder nur eine sehr geringe Duktilität gefordert wird. In so einem Fall muß das warm umgeformte Verbundblech im Temperaturbe­ reich zwischen 800 und 500°C rasch, d. h. von 800 auf 500°C in weniger als vier Sekunden abgekühlt werden.

Mit Rücksicht auf ein gutes Versagensverhalten der Struktur­ teile im Crash-Fall strebt man jedoch meist eine vergleichs­ weise hohe Festigkeit verbunden mit hoher Duktilität des Werkstoffes an. In diesem Fall ist ein bainitisches Werk­ stoffgefüges im umgeformten Verbundblech anzustreben. Zu diesem Zweck muß das Werkstück im Temperaturbereich zwischen 800 und 500°C vergleichsweise langsam, nämlich von 800 auf 500°C in einer länger als vier Sekunden dauernden Zeitspanne abgekühlt werden.

An sich wäre es denkbar, das Werkstück unter Verbleib im Um­ formwerkzeug und unter Aufrechterhaltung des Fixierungszu­ standes weiterhin abzukühlen bis auf eine Temperatur, bei der die Werkstücke ohne weiteres, insbesondere ohne unkon­ trollierte Gefügeveränderungen handhabbar und/oder lagerbar sind. Die dazu insgesamt erforderliche Abkühlzeit beträgt bei guter Auslegung der werkzeug-integrierten Kühlung, je nach Blechdicke, Werkstückgröße und Endtemperatur etwa 20- 40 Sekunden, wobei das Gros der Fälle im Bereich 25-30 Se­ kunden liegen wird. In einer Pilotphase der Fertigung oder bei kleinen Losgrößen ist eine solche einstufige Abkühlung zweifellos zweckmäßig. Meist werden derartige Strukturteile jedoch in großen Stückzahlen benötigt und es muß eine ratio­ nelle Massenfertigung aufgestellt werden. Unter dieser Voraussetzung ist es zweckmäßig, die Werkstücke mehrstufig, mindesten aber zweistufig abzukühlen.

Demgemäß sieht das Verfahrensschema nach Fig. 1b eine zwei­ stufige Abkühlung vor, die den Vorteil hat, daß der notwen­ dige Beschneidungsvorgang des Werkstücks noch bei einer er­ höhten Temperatur von etwa 500°C vorgenommen werden kann, was insbesondere bei erhöhten Werkstoffestigkeiten eine er­ hebliche Entlastung der Schneidwerkzeuge bedeutet. Zum ande­ ren hat eine zweistufige Abkühlung den Vorteil, daß das Um­ formwerkzeug schneller zur Aufnahme eines neuen Verbund­ bleches wieder frei wird, die Taktzeit also verkürzt und die Fertigung rationaloisiert wird.

Bei der zweistufigen Abkühlung wird das gepatchte Verbund­ blech nach dem gemeinsamen Umformen unter Verbleib in dem geschlossen gehaltenen Umformwerkzeug 22 zunächst auf etwa 500°C bei einem bestimmten, zeitlichen gemittelten Tempera­ turgradienten abgekühlt und anschließend in ein innerhalb der Umformpresse benachbartes, öffen- und schließbares Fi­ xierwerkzeug 23 übergeben. Die beiden benachbarten Werk­ zeuge, nämlich das Umformwerkzeug 22 zum einen und das Fi­ xierwerkzeug 23 zum anderen, sind innerhalb der Umformpresse 21 nach Art von Stufenwerkzeugen angeordnet und durch eine an sich bekannte Transfereinrichtung verbunden, die beim Öffnen der Presse die Werkstücke aus den benachbarten Werk­ zeugen synchron heraushebt und sie ins nächste Werkzeug bzw. in eine außerhalb der Presse angeordnete Ablage weiter reicht.

Das in dem Fixierwerkzeug aufgenommene Verbundblech wird darin im geschlossen Zustand ebenfalls mittels einer formge­ treuen Gravur beidseitig flächig berührt und so der ge­ wünschten Umformzustand des Verbundbleches weiterhin mecha­ nisch fixiert. In das Fixierwerkzeug 23 ist ein nicht näher dargestelltes Beschneidungswerkzeug integriert, mit dem das umgeformte Verbundblech in dem vorliegenden Warmzustand be­ schnitten wird. Und zwar wird der nun nicht mehr benötigte Niederhalte- bzw. Ziehrand des Basisbleches abeschnitten. Die dazu erforderliche Beschneideeinrichtung ist an sich be­ kannt und nicht mit dargestellt. Die Gravur des Fixierwerk­ zeuges ist ebenfalls durch oberflächennah integrierte Kühl­ kanäle zwangsgekühlt, so daß dem mechanisch formfixierten Werkstück weiterhin durch Kontaktierung Wärme entzogen wer­ den kann. Zur Vermeidung eines Streifeneffektes bei der Ab­ kühlung ist es zweckmäßig, die oberseitigen und die unter­ seitigen Kühlkanäle auch beim Fixierwerkzeug zueinander ge­ kreuzt anzuordnen. Bei dem Fixier- und Beschneidewerkzeug braucht die bereits vorhandene Werkstückform nur noch mecha­ nisch gesichert zu werden, es finden also keine Umform- und Reibungsvorgänge unter Krafteinwirkung an der Oberfläche der Fixierwerkzeuge statt. Deshalb kann das Fixierwerkzeug als Leichtkonstruktion ausgebildet sein und aus einem weniger festen Werkstoff, z. B. aus Aluminium bestehen. Insbesondere braucht die Oberfläche des Fixierwerkzeuges nicht geschlos­ sen zu sein. Vielmehr kann durch Integration eines Rasters von zur Werkzeugoberfläche hin offenen Kanälen das Werkstück unmittelbar mit einem Kühlfluid, insbesondere mit Kühlluft beaufschlagt werden. Durch Beimischen von Wassernebel und/oder flüssiger Luft zur Kühlluft können auch mit Luft als Wärmeträgermedium ganz erhebliche Abkühlraten erzielt werden. Die weiter oben bereits erwähnte Abkühlzeit von etwa 25-30 Sekunden wird auch bei der zweistufigen Abkühlung erreicht, wobei eine übergabebedingte Unterbrechung der Küh­ lung nicht mitgerechnet ist.

Nach dem zweistufigen Abkühlung kann das warmumgeformte Strukturteil mit einem lokalen, hart eingelöteten Verstär­ kungsteil in beschnittenem Zustand entnommen und weiterver­ arbeitet werden. Die Werkstücke zeichnen sich durch eine ho­ he Festigkeit, geringes Gewicht, geringe Stückkosten sowie hohe Maß- und Formhaltigkeit aus. Durch die in den Prozeß des gemeinsamen Warmumformens integrierte Wärmebehandlung kann die Werkstofffestigkeit des Verbundbleches auf etwa 1300-1600 MPa gesteigert werden. Aufgrund der hohen Werk­ stofffestigkeit sind die so hergestellten, lokal verstärkten Strukturteile bestens für Leichtbaukonstruktionen, insbeson­ dere als Schalenteile für in die Fahrgastzelle einer Fahr­ zeugkarosserie integrierte Hohlträger geeignet. Ein weiteres Anwendungsfeld innerhalb des Fahrzeugbaus sind lokal ver­ stärkte Schalenteile für in das Fahrwerk eines Fahrzeuges integrierte Hohlträger.

Es ist aus Gründen einer möglichst kurzen Taktzeit anzustre­ ben, die umgeformten Werkstücke innerhalb der Umformpresse lediglich auf eine solche Temperatur abzukühlen, bei der die Werkstücke ohne weiteres, insbesondere ohne unkontrollierte Gefügeveränderungen handhabbbar und/oder lagerbar sind. Eine solche Temperatur kann meist bei 100 bis 150°C angenommen werden. Zwar können so heiße Teile nicht ohne weiteres manu­ ell gehandhabt werden. Deshalb ist eine weitere Abkühlung außerhalb der Umformpresse mittels Kühlluft entlang einer Kühlstrecke zu empfehlen, wobei die Werkstücke zur Vermei­ dung eines thermischen Verzuges mittels formangepaßter, durchlässiger Stützschalen abgestützt sein sollten. Hierbei kann der Kühlluft kalter Wassernebel und/oder - insbesondere bei Annäherung an die Raumtemperatur - flüssige Luft zuge­ setzt werden.

Im Zusammenhang mit dem Verfahrensschema nach den Fig. 1a und 1b seien der Vollständigkeit halber noch verschiedene Abwandlungen des Verfahrens erwähnt:
Das Verfahren ist nicht auf eine Hartlotverbindung der umge­ formten Blechteile 2 und 3 angewiesen, wenngleich diese Ver­ bindungsart sich besonders vorteilhaft mit der Warmumformung kombinieren läßt. Anstelle einer Hartlotverbindung kommt auch eine Verbindung durch eine Schweißverbindung in Betracht, wobei hier insbesondere alle gängigen Schweißverbin­ dungen in Frage kommen. In diesem Zusammenhang seien beson­ ders Punktschweißungen, MIG/MAG-Schweißungen oder Laser­ schweißungen erwähnt. In dem Verfahrensschema der Fig. 1a würde in diesem Fall der Hartlotauftrag entfallen und statt dessen der Schweißvorgang durch den Schweißroboter 17 umfas­ sender und u. U. nach anderen Schweißverfahren gestaltet wer­ den. Es würden vor allem am Rand des Verstärkungsbleches Verbindungspunkte oder Schweißnahtstücke gesetzt werden. Zwar ist es grundsätzlich auch möglich, das Verstärkungs­ blech zunächst mittels nur eines Schweißpunktes oder weniger Schweißpunkte mit dem Basisblech zu verbinden und das voll­ ständige tragfähige Verbinden erst nach dem Umformen vorzu­ nehmen. Es ist jedoch aus verschiedenen Gründen eher zu emp­ fehlen, das vollständige Zusammenschweißen von Verstärkungs- und Basisblech zumindest im Randbereich bereits vor der Warmumformung vorzunehmen. Zum einen lassen sich die Bleche im Flachzustand einfacher Handhaben und rationeller und prozeßsicherer schweißen. Zumanderen ist es besser, wenn die Schweißstellen die Wärmebehandlung mit durchlaufen im Ver­ gleich zu der Variante, bei der die bereits wärmebehandelten Bleche nachträglich geschweißt werden. Schließlich ist es auch für den Umformprozeß besser, wenn die beteiligten Ble­ che sicher - insbesondere am Rand - miteinander verbunden sind. Es ist auch denkbar, die Bleche zueinander mit Silikon oder ähnlich dichtenden Materialien abzudichten.

Eine weitere Verfahrensvariante besteht darin, die Abkühlge­ schwindigkeit des Verbundbleches nach der Warmumformung ent­ sprechen einer lokal unterschiedlich gewünschten Werkstof­ festigkeit unterschiedlich zu gestalten. Es sind Anwendungs­ fälle denkbar, bei denen aus Gründen eines geordneten Crash­ verhaltens eines Strukturteils lokal eine höhere Duktilität und niedrigere Festigkeit in ihm vorhanden sein sollen. Der­ artige Bereiche können ohne weiteres dadurch erreicht wer­ den, daß das warmumgeformte Verbundblech an diesen Stellen gar nicht oder sehr langsam abgekühlt wird, wobei allerdings durch anhaltendes Kühlen der Übergangszone von Bereichen niedrigere Festigkeit zu den Bereichen mit gewünschter hoher Werkstoffestigkeit dafür gesorgt werden muß, daß sich kein Anlaßeffekt von der Schwachstelle (warm) zu den hochfesten Zonen (kalt) ergibt.

Es sei nun noch in Verbindung mit den Fig. 4 und 5 auf die vierstufige Verfahrensvariante zum Herstellen eines warmumgeformten, lokal verstärkten Strukturteiles eingegan­ gen. Das in Fig. 4 ausschnittsweise dargestellte Verfah­ rensschema entspricht weitgehend der Darstellung nach Fig. 1b, so daß weitestgehend auf die Ausführungen im Zusammen­ hang mit dem weiter oben geschilderten Verfahren verwiesen werden kann. Lediglich die Umformpresse 21' unterscheidet sich durch die Anzahl der Stufen, nämlich vier, von der Um­ formpresse 21 nach Fig. 1b mit nur zwei Stufen. Auch die beiden ersten Stufen der Umformpresse 21' stimmen weitgehend mit den beiden - einzigen - Stufen der Umformpresse 21 über­ ein, d. h. es ist in der Umformpresse 21' zunächst ebenfalls ein zwangsgekühltes Umformwerkzeug 22 vorgesehen, dem sich ein ebenfalls gekühltes Fixier- und Beschneidewerkzeug 23 anschließt. Die Besonderheit der Umformpresse 21' gegenüber der nach Fig. 1b besteht darin, daß innerhalb der länger ausgebildeten Umformpresse 21' zwei weitere, sich äqui­ distant anschließende Fixierwerkzeugen 26, die ebenfalls ge­ kühlt sind, angeordnet sind. Sie unterscheiden sich von dem Fixier- und Beschneidewerkzeug 23 lediglich dadurch, daß sie keine Beschneidevorrichtung enthalten.

Aufgrund der vier in der Umformpresse 21' integrierten Werk­ zeuge 22, 23, 26 und 26 können die warmumgeformten Verbund­ bleche in vier aufeinander folgenden Stufen abgekühlt wer­ den, was die Zykluszeit gegenüber der zweistufigen Abkühlung nach dem Verfahrensschema nach Fig. 1b auf die halbe Zeit verkürzt. Die Gravuren der vier Werkzeuge berühren die Werkstücke beidseitig nahezu vollflächig und fixieren sie je­ weils zuverlässig in ihrer Sollform. Aufgrund einer mittel­ baren oder unmittelbaren Zwangskühlung der Werkstücke kann ihnen sehr rasch Wärme entzogen werden. Die Gravur des Um­ formwerkzeuges 22 ist, wie in Fig. 2 angedeutet, durch in­ tegrierte Kühlkanäle zwangsgekühlt, wogegen die Fixierwerk­ zeuge 23 und 26 ein Raster von Kühlkanälen tragen, wobei diese zur formbestimmenden Oberfläche der Gravur hin offen sind, so daß das Kühlmedium - Luft, Luft/Wassernebel-Ge­ misch, Luft/Flüssigluft-Gemisch - die Werkstücke unmittelbar beaufschlagen kann. Im übrigen sind die Werkzeuge alle durch eine Transfereinrichtung miteinander verbunden, so daß die Werkstücke taktweise von Werkzeug zu Werkzeug weitergereicht werden können.

Die Vorgehensweise bei dem Verfahren mit der vierphasigen Abkühlung sei nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 5 er­ läutert, die ein unquantifiziertes Temperatur/Zeitdiagramm bezüglich der mittleren Werkstücktemperatur, d. h. den zeitli­ chen Temperaturverlauf während der Umformung und der an­ schließenden mehrstufigen Abkühlung darstellt.

Der Zeitpunkt Null stellt den Moment dar, an dem das ge­ patchte Verbundblech bei etwa 930°C aus dem Ofen 18 entnom­ men wird. Während der kurzen Entnahmephase E kühlt das Blech bereits etwas ab und gelangt bei mindestens etwa 850°C in das geöffnete Umformwerkzeug 22 hinein.

Mit Ablauf des Einlegevorgangs E beginnt der Arbeitszyklus der Presse, von denen in Fig. 5 vier aufeinander folgende Zyklen Z und der zugehörige Temperaturverlauf eines durch die Umformpresse 21' hindurchgetakteten Werkstückes darge­ stellt sind. Jeder Zyklus setzt sich aus einer Schließphase S, einer Fixierphase F und einer Öffnungsphase O zusammen. In der Schließphase S ist das Werkstück zumindest im Umform­ werkzeug 22 noch nicht vollflächig von der gekühlten Gravur berührt, so daß die Kühlwirkung der Gravur während der Schließ- und Umformphase noch nicht voll zum tragen kommt. Auch bei den späteren Zyklen Z, bei denen sich das Werkstück in den Fixierwerkzeugen 23 bzw. 26 befindet, setz die volle Kühlwirkung erst nach Abschluß des Schließvorganges S ein.

Sobald der Schließvorgang der Werkzeuge beendet ist - beim Umformwerkzeug ist zu diesem Zeitpunkt auch die Warmumfor­ mung des gepatchten Verbundbleches beendet -, beginnt die Fixierphase F, während der aufgrund des innigen Kontaktes der Werkzeuggravur mit dem Werkstück die eigentliche Abküh­ lung desselben innerhalb des jeweiligen Zyklus' stattfindet. In der ersten, an die Warmumformung anschließenden Fixier- und Abkühlphase muß das Werkstück bis deutlich unterhalb der Erstarrungstemperatur E_L des Hartlotes abgekühlt werden, da­ mit die Hartlötung nach dem Öffnen des Werkzeuges sicher hält und nicht etwa partiell aufspringt. Außerdem muß das Werkstück gegen Ende der ersten Fixier- und Abkühlphase un­ ter Einhaltung eines bestimmten zeitlichen Temperaturgradi­ enten auf etwa 500°C abgekühlt sein, damit die gewünschte Werkstofffestigkeit im Werkstück gegeben ist. Die Fixier- und Abkühlphase F ist maßgebend für die Zykluszeit Z, weil sie darin den größten Anteil hat.

Sobald die Fixier- und Abkühlphase eines Zyklus' abgeschlos­ sen ist, kann die Umformpresse und können mit ihr die Werk­ zeuge geöffnet werden - Öffnungsphase O. Bereits bei teil­ weise geöffneten Werkzeugen ergreift die Transfereinrichtung die in den Werkzeugen freigelegten Werkstücke, hebt sie aus den Matrizen heraus, transferiert sie in die Matrize des nächstfolgenden Werkzeuges und legt sie dort geordnet ab, wobei bereits der nächste Schließvorgang beginnt. Während der Öffnungsphase O liegt das Werkstück nur lose in der Gra­ vur des jeweils unteren Werkzeugteiles und wird weder ober­ seitig, noch auch von unten vollflächig und innig von der jeweiligen Gravur berührt, so daß auch während der Öffnungsphasen die Kühlwirkung der Gravur nur mäßig zur Wirkung kommt.

Mit Rücksicht auf eine Verminderung des Temperaturgefälles zwischen Werkstück und Kühlmedium sind die Abkühlraten in den weiter hinten liegenden Zyklen geringer als in den wei­ ter vorne liegenden Kühlvorgängen, die bei einer größeren Temperaturdifferenz stattfinden.

Bezugszeichenliste

1

Strukturteil

2

Basaisblech

3

,

3

' Verstärkungsblech

4

Hartlotauftrag

5

Verbindungspunkt

6

gepatchtes Verbundblech, kalt

6

' dito warm

7

Vertärkungssicken

8

-

9

-

10

-

11

-

12

Coil, Basaisblech

13

Coil, Verstärkungsblech

14

Hubschere, Basaisblech

15

Hubschere, Verstärkungsblech

16

Auftragsroboter, Hartlot

17

Schweißroboter

18

Erwärmungsofen

19

Schutzgas

20

Handhabungsroboter

21

,

21

' Umformpresse

22

Umformwerkzeug

23

Beschneidungswerkzeug

24

Kühlmediumkreislauf

25

Wärmetauscher

26

Fixierwerkzeug

27

-

28

-

29

-

30

Matritze

31

Patrize

32

Niederhalter

33

Kühlkanäle, Matrize

34

Kühlkanäle, Patrize

35

ausgequetschter Lotüberschuß

36

-

37

-

38

-

39

-
E Einlegen
S Schließen
O Öffnen
F Fixieren
Z Zykluszeit

Claims (27)

1. Verfahren zum Herstellen eines räumlich geformten, aus einem Basisblech und aus wenigstens einem kleineren, lokal angeordneten Verstärkungsblech bestehenden Strukturteil, bei dem das Basisblech des Strukturteils im Flachzustand oder in einem unvollständig umgeformten Vorformungszustand mit dem Verstärkungsblech an der für die spätere Verstärkungsstelle vorbestimmten Stelle verbunden und die Teile des gepatchten Verbundblechs anschließend mittels eines öffen- und schließ­ baren Umformwerkzeuges in einer Umformpresse gemeinsam umge­ formt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das gepatchte Verbundblech (6, 6') vor dem gemeinsamen Um­ formen auf eine oberhalb der Umformtemperatur des Werkstoffs liegende Temperatur erwärmt, im Warmzustand in die ge­ wünschte Form umgeformt und anschließend unter mechanischer Fixierung des gewünschten Umformzustandes in dem geschlossen gehaltenen Umformwerkzeug (22) oder einem anschließenden Fi­ xierwerkzeug (23, 26) abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des gepatchten Verbundblechs (6') oberhalb einer solchen Gefügeumwandlungstemperatur des Werkstoffes erwärmt werden, oberhalb der das Werkstoffgefüge in austenitischen Zustand vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gepatchte Verbundblech (6') vor dem gemeinsamen Umformen auf eine bestimmte Temperatur innerhalb des Temperaturberei­ ches zwischen 850 und 930°C erwärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Verstärkungsblech (3') oder wenigstens eines der Verstärkungsbleche seinerseits vor dem Zusammen­ bringen mit dem Basisblech (2) durch Anbringen von Verstär­ kungssicken (7) in der Weise vorgeformt wird, daß es sich gleichwohl an der vorbestimmten Stelle formgetreu an das Ba­ sisblech (2) anlegen und mit ihm fixieren läßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entnehmen des erwärmten Verbundblechs (6') aus einer Er­ wärmungseinrichtung, insbesondere aus einem Ofen (18) und das lagedefinierte Einlegen des Verbundblechs (6') in das geöffnete Umformwerkzeug (22) bis zum Beginn des Schließens des Umformwerkzeuges (22) in weniger als drei Sekunden, vor­ zugsweise in weniger als zwei Sekunden erfolgt (Zeitspanne E).

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Umformen des lagedefiniert in das geöffnete Umformwerkzeug (22) eingelegten, erwärmten Verbundblechs (6') vom Beginn des Schließens des Umformwerkzeuges (22) an gerechnet bis zum vollständigen Umformen in wenigstens 3 bis 5 Sekunden erfolgt (Zeitspanne S).

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen des gemeinsam umgeformten Verbundblechs zumin­ dest in einer ersten Abkühlphase auf dem Umformwerkzeug durch Kontaktierung mit dem von innen her zwangsgekühlten (33, 34) Umformwerkzeug (22) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gepatchte Verbundblech nach dem gemeinsamen Umformen un­ ter Verbleib in dem geschlossen gehaltenen Umformwerkzeug (22) zumindest bis auf etwa 500°C abgekühlt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gepatchte Verbundblech nach dem gemeinsamen Umformen un­ ter Verbleib in dem geschlossen gehaltenen Umformwerkzeug (22) zunächst auf etwa 500°C abgekühlt und anschließend in ein benachbartes, öffen- und schließbares Fixierwerkzeug (23, 26) übergeben wird, welches das darin aufgenommene, um­ geformte Verbundblech mittels einer formgetreuen Gravur im geschlossen Zustand beidseitig flächig berührt und den ge­ wünschten Umformzustand des Verbundbleches weiterhin mecha­ nisch fixiert, wobei das umgeformte Verbundblech in dem dann vorliegenden Warmzustand durch ein in dem Fixierwerkzeug in­ tegrierten Beschneidungswerkzeug beschnitten und durch die zwangsgekühlte Gravur des Fixierwerkzeuges weiterhin abge­ kühlt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwangskühlen des gepatchten Verbundbleches nach dem ge­ meinsamen Umformen zunächst in dem Umformwerkzeug (22) und anschließend - abgesehen von kurzen Übergabe-bedingten Un­ terbrechungen - unter steter mechanischer Fixierung des ge­ wünschten Umformzustandes des Verbundbleches durch eine Folge von benachbarten, öffen- und schließbaren Fixierwerkzeu­ gen (23, 26) durchgeführt wird, welche das darin jeweils aufgenommene Verbundblech mittels einer formgetreuen Gravur im geschlossen Zustand beidseitig flächig berühren, wobei das von Fixierwerkzeug (23, 26) zu Fixierwerkzeug (26) wei­ tergereichte Verbundblech durch die von innen zwangsgekühl­ ten Gravuren der Fixierwerkzeuge (23, 26) in mehreren auf­ einander folgenden Etappen (Z) bis mindestens auf 150°C ab­ gekühlt wird.

11. verfahren nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das gepatchte Verbundblech nach dem gemeinsamen Umformen entweder durch das Umformwerkzeug (22) alleine oder gemein­ sam mit einer anschließenden Folge von Fixierwerkzeugen (23, 26) 20-40 Sekunden lang, vorzugsweise etwa 25-30 Sekun­ den lang, gekühlt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines martensitischen Werkstoffgefüges im um­ geformten Verbundblech dieses zumindest im Temperaturbereich zwischen 800 und 500°C rasch, d. h. von 800 auf 500°C in we­ niger als vier Sekunden abgekühlt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines bainitischen Werkstoffgefüges im umge­ formten Verbundblech dieses zumindest im Temperaturbereich zwischen 800 und 500°C vergleichsweise langsam, nämlich von 800 auf 500°C in einer länger als vier Sekunden dauernden Zeitspanne abgekühlt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anbringen des Verstärkungsbleches (3, 3') an dem Ba­ sisblech (2) wenigstens eines der Bleche (2) an der Kontakt­ fläche flächendeckend mit einem Hartlot (4) versehen, dieses während des Erwärmens auf Umformtemperatur erschmolzen und das gemeinsam umgeformte Verbundblech unter mechanischer Fi­ xierung des Umformzustandes in dem geschlossen gehaltenen Umformwerkzeug (22) wenigsten bis zur vollständigen Erstar­ rung des Hartlotes (4) abgekühlt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche des wenigstens einen mit Hartlot (4) ver­ sehenen Bleches (2) mit einem Überschuß an Hartlot (4) ver­ sehen und dieser Überschuß (35) während des gemeinsamen Um­ formens am Rand des Verstärkungsbleches (3) ausgepreßt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen sowohl des Basis- (2) als auch des Ver­ stärkungsbleches (3, 3') vor dem Auftragen mit Hartlot (4) gereinigt und/oder für ein Hartlöten aktiviert werden.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot (4) in Pastenform aufgetragen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot in Form von Spänen aufgebracht wird.

19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot in Form eines formentsprechend ausgestanzten Zu­ schnittes einer Lötfolie aufgebracht wird.

20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hartlot (4) verwendet wird, dessen Erstarrungstemperatur mindestens 500°C, vorzugsweise mindestens 550°C beträgt.

21. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Auftragen des Hartlots (4) und nach dem lagedefi­ nierten Auflegen des Verstärkungsbleches (3, 3') auf das Ba­ sisblech (2) beide durch einen einzigen Heftpunkt (5) vor­ läufig aufeinander fixiert werden.

22. Verfahren nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen des gepatchten Blechverbundes (6) im Ofen (18) in einer Schutzgasatmosphäre (Schutzgas 19) erfolgt.

23. Verfahren nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisblech (2) und/oder das Verstärkungsblech (3, 3') aus einem wasserhärtenden Vergütungsstahl mit der nachfol­ gend aufgeführten Legierungszusammensetzung besteht, wobei die Gehalte in Gew.-% zu verstehen sind und zusätzlich zu dem Basismetall Eisen hinzuzufügen sind:
Kohlenstoff 0,23-0,27%, Silizium 0,15-0,50%, Mangan 1,10-1,40%, Chrom 0,10-0,35%, Molybdän 0-0,35%, Titan 0,03-0,05%, Aluminium 0,02-0,06%, Phosphor max. 0,025%, Schwefel max. 0,01% und andere insgesamt 0,0020-0,0035%.

24. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisblech (2) und/oder das Verstärkungsblech (3, 3') gegen Korrosion anorganisch vorbeschichtet ist und aus einem Stahl mit der nachfolgend aufgeführten Legierungszusam­ mensetzung besteht, wobei die Gehalte in Gew.-% zu verstehen sind und zusätzlich zu dem Basismetall Eisen hinzuzufügen sind:
Kohlenstoff 0,20-0,25%, Silizium 0,15-0,35%, Mangan 1,10-1, 35%, Chrom 0,10-0,35%, Titan 0,02-0,05%, Schwefel max. 0,008% und andere insgesamt 0,002-0,004%.

25. Verfahren nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstofffestigkeit des Verbundbleches durch die in den Prozeß des gemeinsamen Warmumformens integrierte Wärmebe­ handlung auf etwa 1300-1600 MPa gesteigert wird.

26. Verfahren nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß danach lokal verstärkte Schalenteile für in die Fahrgast­ zelle einer Fahrzeugkarosserie integrierte Hohlträger herge­ stellt werden.

27. Verfahren nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß danach lokal verstärkte Schalenteile für in das Fahrwerk ei­ nes Fahrzeuges integrierte Hohlträger hergestellt werden.