DE102005032113B3

DE102005032113B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils

Info

Publication number: DE102005032113B3
Application number: DE102005032113A
Authority: DE
Inventors: Rolf-Josef Schwartz
Original assignee: Individual
Current assignee: Schwartz GmbH
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils (10) zwischen zwei Werkzeughälften (21; 22) in einer Presse (30). Die Werkzeughälften (21; 22) sind jeweils in wenigstens zwei Segmente unterteilt, die durch eine Wärmeisolierung (60) voneinander getrennt sind. Die beiden Segmente können durch eine Temperaturregelung beheizt oder gekühlt werden, so dass in verschiedenen Bereichen des Bauteils (10) unterschiedliche Temperaturen und damit Abkühlkurven einstellbar sind. Dadurch lässt sich ein Bauteil mit Bereichen unterschiedlicher Härte und Duktilität herstellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils in einem Werkzeug, wobei das Werkzeug aus wenigstens zwei Werkzeughälften besteht. Zwischen die Werkzeughälften ist ein wenigstens auf Härtetemperatur erwärmtes Bauteil so einbringbar, dass die Außenkontur der beiden Werkzeughälften beim Zusammenpressen der Werkzeughälften durch eine Presse auf das Bauteil übertragen wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils.
Im Bereich der Fertigung und Behandlung von Formbauteilen ist es üblich, Formteile gezielt mit gewünschten Werkstoffeigenschaften herzustellen. Beispielsweise werden Formbauteile wie Querlenker, B-Säulen oder Stoßfänger für Kraftfahrzeuge durch eine vollständige Erwärmung mit einer anschließenden Abschreckung gehärtet. Daran kann sich für eine Vergütung ein Anlassverfahren anschließen. In verschiedenen Anwendungsfällen insbesondere der Kraftfahrzeugstechnik ist es jedoch vorteilhaft, dass Formbauteile in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Werkstoffeigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass ein Bauteil in einem Bereich eine hohe Festigkeit, jedoch in einem anderen Bereich eine im Verhältnis dazu höhere Duktilität aufweisen soll.
Um Formbauteile zu realisieren, welche in mehreren Bereichen unterschiedlichen Beanspruchungen genügen, besteht beispiels weise die Möglichkeit, Bauteile mit unterschiedlichen Eigenschaften zusammenzufügen. Ferner können Bauteile durch Zusatzbleche verstärkt werden. In Frage kommt auch das Weichglühen von vorher vollständig gehärteten Formbauteilen an den entsprechenden Stellen, um Bereiche mit höherer Duktilität zu erreichen. Dies führt jedoch zu nicht tolerierbaren Formveränderungen im Bauteil.
Daneben besteht die Möglichkeit, Formbauteile bereits bei der Herstellung so zu behandeln, dass Bereiche mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften erzeugt werden. Dabei bilden sich Bereiche mit unterschiedlichen Gefügen aus und zur Herstellung von Formbauteilen mit wenigstens zwei Gefügebereichen sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Beispielsweise ist die partielle Erwärmung von Bauteilen mit Induktionsstrom bekannt. Hierbei ist jedoch mit hohen Kosten und einer ungleichförmigen Erwärmung zu rechnen.

Ferner offenbart die europäische Patentanmeldung EP 1 426 454 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität und einen Durchlaufofen zur Durchführung des Verfahrens. Dabei wird ein zu erwärmendes Halbzeug als Platine oder vorgeformtes Bauteil durch einen Durchlaufofen transportiert, welcher zwei nebeneinander angeordnete Zonen umfasst, in denen unterschiedliche Temperaturniveaus eingestellt werden. Dadurch wird das Bauteil im Ofen auf zwei verschiedene Temperaturen erwärmt und anschließend einem Warmformprozess und/oder einem Härteprozess unterworfen. Dabei stellt sich in dem höher erwärmten Bereich des Bauteils ein duktileres Gefüge ein, während sich in dem geringer erwärmten Bereich ein festes oder hochfestes Gefüge einstellt.

Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 200 14 361 U1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer B-Säule mit unterschiedlichen Gefügebereichen, bei dem die B-Säule in einem Ofen erwärmt und damit austenitisiert und anschließend in einem gekühlten Werkzeug gehärtet wird. Bei der Erwärmung im Ofen werden großflächige Bereiche der verwendeten Platine bzw. des Halbzeugs gegen die Temperatureinwirkung isoliert, so dass sich in den abgeschirmten Bereichen kein martensitisches Werkstoffgefüge mit hohen Festigkeiten einstellt. Dies stellt jedoch ein unsicheres Verfahren dar, da im Falle einer Betriebsstörung Wärme in die abgedeckten Bereiche eindringen kann und somit auch diese Bereiche auf Härtetemperatur erwärmt werden.

Ferner ist aus dem Abstract der japanischen Patentanmeldung JP 2003328031 A eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils bekannt, bei denen das erwärmte Bauteil zwischen zwei Werkzeughälften gebracht und gepresst wird. Durch Öffnungen in den zwei Werkzeughälften werden im Bauteil unterschiedliche Abkühlraten bewirkt.

Die bekannten Verfahren sind insbesondere für einen Massenbetrieb mit einer Taktzeit von etwa 15 Sekunden und den im Kraftfahrzeugbau gegebenen Anforderungen an die Prozesssicherheit nicht geeignet, da sie den vorgeschriebenen Härteverlauf im Bauteil nicht dauerhaft sicherstellen können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur schnellen Herstellung von Formbauteilen mit wenigstens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Härte und Duktilität bereitzustellen, die eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung von Formbauteilen bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–5. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 6–10.

Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Warmumformen und Härten eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei das Werkzeug aus wenigstens zwei Werkzeughälften besteht, zwischen die ein wenigstens auf Härtetemperatur erwärmtes Bauteil so einbringbar ist, dass die Außenkontur der beiden Werkzeughälften beim Zusammenpressen der Werkzeughälften durch eine Presse auf das Bauteil übertragen wird. Erfindungsgemäß ist jede der beiden Werkzeughälften in wenigstens zwei temperaturgeregelte Segmente aufgeteilt, wobei die Segmente durch eine Wärmeisolierung voneinander getrennt sind. So können in den Segmenten wenigstens zwei unterschiedliche Temperaturen eingestellt werden, wodurch beim Kontakt der Segmente mit dem Bauteil beim Pressvorgang unterschiedliche Temperaturen in dem Bauteil einstellbar sind.

Die Segmente der beiden Werkzeughälften umfassen Mittel für eine Kühlung und/oder eine Beheizung der Segmente, wobei es sich vorzugsweise um Kanalsysteme handelt, durch welche ein Kühl- oder Wärmemittel geleitet wird. Die Kühlung eines Segments erfolgt beispielsweise mittels eines ersten Kanalsystems, durch welches Luft und/oder Wasser geführt wird. Für die Beheizung kann ein Wärmeträgermittel wie Öl oder Salz durch ein zweites Kanalsystem geführt werden.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Temperaturregelung der Segmente der beiden Werkzeughälften ein oder mehrere Thermoelemente und Regler. Die Temperaturen in den Segmenten der beiden Werkzeughälften werden vorzugsweise auf Temperaturen zwischen 200°C und 600°C eingestellt. Dabei entsprechen die ein gestellten Temperaturen den erforderlichen Temperaturen für einen gewünschten Abschreck- und Umwandlungsvorgang in demjenigen Bereich des Bauteils, in welchem die entsprechende Temperatur einstellbar ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass damit Bauteile mit unterschiedlichen Gefügen herstellbar sind, wobei es sich um einen schnellen Prozess handelt, mit dem sich kurze Taktzeiten realisieren lassen. Ferner stellt die Erfindung einen sicheren Prozess dar, bei dem es zu keinen unerwünschten Formänderungen des Bauteils kommt und die Gefügebildung stets verlässlich eingestellt werden kann. Zum Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ferner keine speziell ausgestalteten Öfen erforderlich, sondern herkömmliche Erwärmungsöfen können verwendet werden. Die Erfindung kann ferner in bestehende Pressen integriert werden.

Auch das verwendete Werkzeug kann vielseitig für verschiedene Anwendungszwecke eingesetzt werden. Wird beispielsweise die Temperaturregelung der Segmente so ausgestaltet, dass durch entsprechende Kühlsysteme auch eine vollständige Kühlung des Werkzeugs möglich ist, kann das Werkzeug dadurch auch für herkömmliche Abkühlungsvorgänge eingesetzt werden, bei denen kein partielles Härten erforderlich ist.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
1 ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zum Umformen und partiellen Härten eines Bauteils;
2 einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Werkzeugs; und
3 ein Diagramm mit verschiedenen einstellbaren Abkühlungskurven eines härtbaren Stahls.
In 1 ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Warmumformung eines Bauteils 10 dargestellt. Die Vorrichtung sieht eine Presse 30 vor, welche vorzugsweise zwei Werkzeughälften 21 und 22 eines Werkzeugs 20 umfasst. Die Werkzeughälften sind üblicherweise so ausgebildet, dass ihre Außenkontur beim Pressvorgang auf ein Bauteil 10 übertragen wird, welches zwischen den beiden Werkzeughälften eingebracht wird. Erfindungsgemäß ist jede Werkzeughälfte in wenigstens zwei Segmente unterteilt, welche unterschiedlich beheizt und/oder gekühlt werden. Das erste Segment umfasst beispielsweise eine Temperaturregelung, welche mit der Bezugsziffer 40 gekennzeichnet ist, während das zweite Segment eine davon getrennte Temperaturregelung 50 aufweist. Die beiden Segmente sind durch eine Wärmeisolierung 60 voneinander getrennt, so dass der Wärmefluss zwischen den jeweiligen Segmenten reduziert oder sogar völlig unterbunden wird.
Die Temperaturregelung der oberen Werkzeughälfte 21 ist in der 2 schematisch in einem Ausschnitt dargestellt. Die Kühlung des linken Segments erfolgt beispielsweise durch ein Kanalsystem 40, durch welches ein Kühlmittel geleitet wird.
Das linke Segment kann in diesem Fall auch als Hauptwerkzeug angesehen werden, mit welchem der größere Bereich des Bauteils auf übliche Weise abgeschreckt wird. Bei dem Kühlmittel handelt es sich beispielsweise um Luft oder Wasser. Das kleinere rechte Segment wird vorzugsweise durch ein zweites Kanalsystem 50 beheizt, wobei sich als Wärmeträger Öl oder Salz als vorteilhaft erwiesen haben. Die Temperaturregelung beider Segmente kann jedoch auch elektrisch oder durch beliebige andere geeignete Verfahren erfolgen. Ferner sind von der Erfindung auch Ausführungsformen umfasst, bei denen lediglich ein kleinerer Bereich des Bauteils abgeschreckt wird, während der verbleibende größere Restbereich erwärmt wird.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das zweite Kanalsystem 50 ebenfalls mit einem Kühlmittel gespeist werden, so dass das gesamte Bauteil gleichmäßig abgeschreckt wird. Dies hat den Vorteil, dass das Werkzeug nicht nur zum partiellen, sondern auch zum vollständigen Härten von Bauteilen eingesetzt werden kann.
Die Temperaturregelung erfolgt vorzugsweise über einen oder mehrere Thermoelemente in Verbindung mit mehreren Reglern. Dabei werden in den Segmenten der Werkzeughälften typischerweise Temperaturen zwischen 200–600°C eingestellt. Die eingestellten Temperaturen entsprechen den Temperaturen, welche für den gewünschten Härt- bzw. Abschreckprozess in den verschiedenen Bereichen des Bauteils erforderlich sind.
Ein Bauteil 10 kann beispielsweise durch ein Blech, eine Platine oder ein Halbzeug gegeben sein. Das Bauteil besteht aus einem härtbaren Stahl, der in einem separaten Ofen wenigstens auf Härtetemperatur erwärmt und in die Presse 30 eingebracht wird. Durch die Temperaturregelung können in verschiedenen Bereichen des Bauteils unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten realisiert werden, welche beispielsweise verschiedenen Kurven eines in 3 dargestellten Diagramms folgen, in welchem die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen ist. Die Abkühlgeschwindigkeiten sind dabei werkstoffspezifisch und somit abhängig vom verwendeten Stahl des Bauteils. Das in 3 dargestellte Diagramm ist daher nur als Beispiel anzusehen. Beispielsweise kann ein Bereich des Bauteils gemäß der Kurve mit der Bezeichnung 480 abgekühlt werden, wodurch sich eine Vickershärte von 480 HV10 ergeben würde. Eine andere Abkühlung kann beispielsweise gemäß der Kurve 200 eine Vickershärte von 200 HV10 ergeben. Die erforderliche Abschreckkurve ist somit über die Temperaturregelung der beiden Segmente einer Werkzeughälfte einstellbar.
Durch die unterschiedlichen Temperaturverläufe bei der Abkühlung des Bauteils im Werkzeug werden in einem umgeformten und gehärteten Bauteil erfindungsgemäß wenigstens zwei Bereiche unterschiedlicher Härte und Duktilität erzeugt. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird beispielsweise ein Bauteil 10' hergestellt, das in einem linken Bereich 11 gehärtet ist, während es in einem rechten Bereich 12 eine gewisse Dehnbarkeit aufweist. Durch die Wärmeisolierung 60 zwischen den einzelnen Segmenten des Werkzeugs ist der Wärmefluss zwischen den Segmenten gering, so dass die Beeinflussung der Gefügebildung durch die Kühlung bzw. Beheizung im jeweils angrenzenden Bereich des anderen Segments ebenfalls gering gehalten werden kann.
Durch unterschiedliche Temperaturen können auch Haltetemperaturen an vorbestimmten Stellen erzeugt werden, um dort gewünschte Gefügebildungen wie beispielsweise Bainitgefüge (Bs) zu erreichen. Für bestimmte Gefügebildungen, zu denen auch das Bainit gehört, ist es je nach Vorgabe erforderlich, das Werkstück im partiell heißen Zustand über eine längere Zeit zu halten. Dabei müssen beispielsweise beim Bainit über eine bestimmte Zeit Temperaturen von 400–500°C gehalten werden. Um eine schnelle Taktfolge einhalten zu können und das Werkzeug nicht zu lange mit einem Bauteil zu besetzen, kann das Bauteil dazu nach einer bestimmten Abschreckzeit aus dem Werkzeug entnommen und in einer separaten Warmhaltekammer über die erforderliche Haltezeit gehalten werden. Nach Ablauf der Haltezeit kann das Bauteil gegebenenfalls erneut in die Presse eingebracht und weiter behandelt werden.

10: Bauteil, Halbzeug, Platine
10': Bauteil nach dem Umformen und Härten
11: Erster Gefügebereich eines Bauteils
12: Zweiter Gefügebereich eines Bauteils
20: Presswerkzeug
21: Erste Werkzeughälfte
22: Zweite Werkzeughälfte
30: Presse
40: Kanalsystem/Temperaturregelung im ersten Segment
50: Kanalsystem/Temperaturregelung im zweiten Segment
60: Isolierung, Wärmedämmung

Claims

Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils (10) in einem Werkzeug (20), wobei das Werkzeug (20) aus wenigstens zwei Werkzeughälften (21; 22) besteht, zwischen die ein wenigstens auf Härtetemperatur erwärmtes Bauteil (10) so einbringbar ist, dass die Außenkontur der beiden Werkzeughälften beim Zusammenpressen der Werkzeughälften (21; 22) durch eine Presse (30) auf das Bauteil (10) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Werkzeughälften (21; 22) in wenigstens zwei temperaturgeregelte Segmente aufgeteilt ist, wobei die Segmente durch eine Wärmeisolierung (60) voneinander getrennt sind und dass in den Segmenten wenigstens zwei unterschiedliche Temperaturen einstellbar sind, wodurch beim Kontakt der Segmente mit dem Bauteil (10) beim Pressvorgang unterschiedliche Temperaturen in dem Bauteil (10) einstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente der beiden Werkzeughälften (21; 22) Mittel für eine Kühlung und/oder eine Beheizung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Segmente mittels eines Kanalsystems erfolgt, durch welches Luft und/oder Wasser geführt wird, während die Beheizung mittels eines Kanalsystems erfolgt, durch welches als Wärmeträgermittel Öl oder Salz geführt wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Temperaturregelung der Segmente der beiden Werkzeughälften (21; 22) ein oder mehrere Thermoelemente und Regler umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen in den Segmenten der beiden Werkzeughälften (21; 22) auf Temperaturen zwischen 200°C und 600°C einstellbar sind, wobei die eingestellten Temperaturen den erforderlichen Temperaturen für einen gewünschten Abschreck- und Umwandlungsvorgang in demjenigen Bereich des Bauteils (10) entsprechen, in welchem die entsprechende Temperatur einstellbar ist.
Verfahren zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils (10) in einem Werkzeug (20), bei dem ein wenigstens auf Härtetemperatur erwärmtes Bauteil (10) in das Werkzeug (20) eingebracht wird und die Außenkontur der beiden Werkzeughälften beim Zusammenpressen der Werkzeughälften (21; 22) durch eine Presse (30) auf das Bauteil (10) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughälften (21; 22) des Werkzeugs (20) jeweils in wenigstens zwei temperaturgeregelte Segmente aufgeteilt werden, wobei in den beiden Segmenten wenigstens zwei unterschiedliche Temperaturen eingestellt werden und beim Kontakt der Segmente mit dem Bauteil (10) beim Pressvorgang unterschiedliche Temperaturen in dem Bauteil (10) eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente der beiden Werkzeughälften (21; 22) gekühlt und/oder beheizt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente mit einem Kanalsystem gekühlt werden, durch welches Luft und/oder Wasser geführt wird, während die Segmente mit einem Kanalsystem beheizt werden, durch welches ein Wärmeträgermittel wie Öl oder Salz geführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Segmenten der beiden Werkzeughälften (21; 22) eingestellten Temperaturen den erforderlichen Temperaturen für einen gewünschten Abschreck- und Umwandlungsvorgang in demjenigen Bereich des Bauteils (10) entsprechen, in welchem die entsprechende Temperatur eingestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen in den Segmenten der beiden Werkzeughälften (21; 22) auf Temperaturen zwischen 200°C und 600°C eingestellt werden.