DE102005051403B3

DE102005051403B3 - Verfahren zur Herstellung eines Blechformteiles

Info

Publication number: DE102005051403B3
Application number: DE102005051403A
Authority: DE
Inventors: Dirk Kröger; Hans-Jürgen Knaup
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: FR2893269B1; FR2893269A1; US7513137B2; US20070107203A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Warmformen von Werkstücken 1, 6 aus einer Stahlplatine. Erfindungsgemäß wird vor oder während des Warmformens in Schnittzonen 2, 7 im Werkstück 1, 6 eine Verprägung 3 eingebracht, die die Wanddicke in der Schnittzone 2, 7 reduziert. Nach dem Warmformen wird am gehärteten Bauteil innerhalb der Verprägung 3 ein Beschnitt durchgeführt. Die erfindungsgemäße Verprägung 3 dient dazu, den Beschnitt, insbesondere ein Hartschneiden, zu erleichtern oder überhaupt erst zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Blechformteiles aus einer Platine aus Stahl, durch Warmumformen und Beschneiden von Schnittzonen.

Aus der DE 24 52 486 C2 ist ein Verfahren zum Pressformen und Härten eines Stahlblechs mit geringer Materialdicke und guter Maßhaltigkeit bekannt, bei dem das Stahlblech auf eine Temperatur über AC₃ erwärmt wird, danach in weniger als 5 Sekunden in die endgültige Form zwischen zwei indirekt gekühlten Werkzeugen unter wesentlicher Formveränderung gepresst wird und unter Verbleiben in der Presse einer Schnellkühlung so unterzogen wird, dass ein martensitisches und/oder bainitisches feinkörniges Gefüge erzielt wird. Ein auf diese Weise hergestelltes Warmformteil wird im Fahrzeugbau beispielsweise für Struktur- und Sicherheitsteile wie Stoßfänger und B-Säulen eingesetzt. Im Folgenden ist das gerade beschriebene Formen und Härten eines auf über AC₃ erwärmten Werkstücks unter Verbleib in einer Presse als Warmformen definiert. Dabei kann sowohl eine Platine als auch ein bereits kalt vorgeformter Bauteilrohling warmgeformt werden.

Um ein auf diese Weise hergestelltes Bauteil maßhaltig zu schneiden, ist allerdings ein hoher apparativer Aufwand erforderlich, insbesondere sind zum kalten Schneiden gehärteter Werkstoffe (Hartschneiden) sehr hohe Schneidkräfte erforderlich, was zu einem schnellen Werkzeugverschleiß und hohen Instandhaltungskosten führt. Weiterhin ist das kalte Beschneiden hochfester Bauteile problematisch, da die im kalten Zustand beschnittenen Bauteilkanten mehr oder weniger große Grate aufweisen, was aufgrund der hohen Kerbempfindlichkeit der hochfesten Werkstoffe zu einer schnellen Rissbildung im Bauteil führen kann. Bereits ab einer relativ geringen Materialdicke lässt sich ein hochfestes Bauteil nur noch bedingt oder gar nicht mehr hartschneiden.

Zur Vermeidung der beim mechanischen Beschneiden der gehärteten Bauteile auftretenden Schwierigkeiten werden vielfach alternative Schneidverfahren eingesetzt wie zum Beispiel Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden. Zwar kann mit Hilfe dieser Verfahren ein qualitativ hochwertiger Beschnitt der Bauteilkante erreicht werden, jedoch arbeiten diese Schneidverfahren vergleichsweise langsam, da die Zykluszeiten hier unmittelbar von der Länge der Schnittkante sowie von den einzuhaltenden Toleranzen abhängen.

Die DE 102 54 695 B3 schlägt daher vor, die Randbereiche eines bereits näherungsweise der Endkontur entsprechenden Bauteilrohlings schon im ungehärteten Zustand des Endbauteils abzuschneiden. Auf diese Weise soll ein Beschneiden des Bauteils nach dem mit dem Warmformvorgang verbundenen Härten vermieden werden. Dies geht allerdings nur, wenn die Bauteiltoleranzen es zulassen.

Die DE 10 2004 005 568 A1 schlägt bereits vor, an bestimmten Stellen eines Strukturbauteils aus Blech die Materialstärke zu reduzieren, indem das Bauteil während der Warmumformung mit einer lokal begrenzten Einprägung versehen wird. Dieses Verfahren dient allerdings nur dazu, die Materialstärken zweier oder mehrerer Bauteile so einander anzunähern, dass die Bauteile prozesssicher gefügt werden können. Dieses Verfahren berücksichtigt daher nicht die oben dargelegte Problematik des Beschneidens hochfester Bauteile.

Folglich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur Herstellung eines Blechformteiles das Beschneiden eines hochfesten Bauteils zu vereinfachen.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6. Demnach wird erfindungsgemäß vor oder während des Warmformens mindestens eine Verprägung in eine Schnittzone der Platine und/oder des Werkstücks eingebracht. Die Verprägung führt dazu, dass die Wandstärke des Bauteils im Schnittbe reich reduziert wird. Anschließend an das Warmformen wird das gehärtete Werkstück in der Verprägung beschnitten. Damit soll insbesondere ein Hartschneiden im Schnittbereich vereinfacht oder überhaupt erst ermöglicht werden. Je geringer die Materialdicke im Schnittbereich ist, desto geringere Kräfte müssen beim Hartschneiden aufgebracht werden. Die Schneidkräfte in der Schnittzone mit Verprägung werden gegenüber den Schneidkräften bei der Blechdicke vor dem Verprägen deutlich reduziert. Durch die geringere Schneidkraft verringert sich auch der Werkzeugverschleiß. Dies führt insgesamt zu einer kostengünstigeren Auslegung des Schneidwerkzeugs und zu geringeren Instandhaltungskosten. Wird die kritische Blechdicke für das Hartschneiden unterschritten, lassen sich gegebenenfalls teurere Schneidverfahren wie das eingangs genannte Laser- oder Wasserstrahlschneiden vermeiden. Aber selbst wenn die Blechdicke durch die Verprägung aus fertigungstechnischen oder im Produkt liegenden Gründen nicht unter die kritische Blechdicke gebracht werden kann, wird auch für die teureren Strahlverfahren die Schneiddicke mit der Verprägung reduziert, so dass sich die Schnittgeschwindigkeit zugunsten einer besseren Wirtschaftlichkeit erhöhen lässt.

Außerdem ist die Erfindung vorteilhaft, wenn statt einer Platine mit gleichmäßiger Wandstärke eine Platine mit Blechdickenunterschieden innerhalb der Platine eingesetzt wird und nur Teilbereiche der Platine die für das Hartschneiden kritische Wandstärke überschreiten. In diesem Fall genügt es, eine Verprägung nur in den für das Hartschneiden kritischen Bereichen einzubringen, um das gesamte Bauteil nach dem Warmformen dem Hartschneiden zuführen zu können. Andernfalls hätte das gesamte Bauteil mit einem alternativen teureren Schneidverfahren wie dem Laserschneiden bearbeitet werden müssen, denn aus Gründen der Prozessökonomie ist es noch unwirtschaftlicher zwei verschiedene Schneidverfahren, nämlich Hartschneiden in den unkritischen und Laserschneiden in den kritischen Bereichen, nacheinander an dem hochfesten Bauteil einzusetzen.

Die Verprägung kann in einer Ausführungsform der Erfindung je nach Bauteilkonfiguration bereits in die noch kalte Ausgangsplatine eingebracht werden. Der Vorteil hierbei ist, dass beim Prägen der kalten Ausgangsplatine kein Kontakt mit der ansonsten auf über AC₃ erwärmten Platine oder einem bedarfsweise kalt vorgeformten Werkstück stattfindet, der zu einem schnelleren Abkühlen der Randbereiche des Werkstücks im Verhältnis zu den restlichen, noch warmzuformenden Bereichen des Werkstücks führen kann. Die Verprägung lässt sich im kalten Zustand einfach und prozesssicher in die später zu beschneidenden Randbereiche der Platine oder des Werkstücks einbringen, allerdings nur, wenn die Bauteilgeometrie eine wirtschaftliche Reduzierung der Blechdicke ohne aufwändige Werkzeugstufen zulässt. Dies hängt von der Komplexität der Formgebung des Bauteils ab.

Die Verprägung kann in einer anderen Ausführungsform erfindungsgemäß während des Warmformens eingebracht werden. Dies kann durch Prägeflächen oder einen Prägering im Stempel des Warmformwerkzeugs vorgenommen werden. Die Verprägung verläuft entweder entlang der gesamten Schnittkante oder sie erstreckt sich nur über Schnittkantenbereiche, die eine vorgegebene Blechdicke überschreiten. Problematisch beim Einbringen der Verprägung während des Warmformens ist allerdings, dass beim Härten des Werkstücks im Werkzeug während des Warmformens eine erforderliche Abkühlgeschwindigkeit vor allem von dem Kontakt der gekühlten Werkzeugoberfläche mit dem Werkstoff abhängt. Gerade irr Randbereich der Platine oder des vorgeformten Werkstücks kühlt sich der Werkstoff während der Schließbewegung des Werkzeugs durch den unvermeidbaren Kontrakt der Platine oder des Werkstücks mit einem Blechhalter und anderen Werkzeugelementen schon so stark ab, dass für das Verprägen im Randbereich relativ große Kräfte benötigt werden. Diese Kräfte müssen während der gesamten Haltezeit, die das Werkstück im Werkzeug verbleibt, bereitgestellt werden. Außerdem muss beim Warmformen der Formspalt im Prägebereich um die angestrebte Blechdickenreduzierung kleiner sein, dadurch wird der Werkzeugkontakt in den übrigen Bereichen erschwert. Diese Schwierigkeiten können aber durch eine Feinabstimmung des Prozesses im Hinblick auf Umformtemperatur und Umformgeschwindigkeit behoben werden.

In einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verprägung nach einer Erwärmung der Platine oder des vorgeformten Werkstücks auf eine Temperatur über AC₃ mittels einer schnellen Presse vor dem eigentlichen Warmformvorgang eingebracht. Die schnelle Presse schlägt nach Art eines Schmiedehammers die Verprägung in die Platine oder das Werkstück, wobei die Druckberührzeiten so minimiert werden, dass die Platine oder das vorgeformte Werkstück oberhalb eines für den sich unmittelbar anschließenden Warmformvorgang kritischen Temperaturniveaus verbleibt. Dadurch können die während des Warmformens für die Kalibrierung und die Haltezeit benötigten Presskräfte im Bereich der Verprägung verringert werden, wobei gleichzeitig genug Restwärme im Bauteil für die Durchführung des Warmformens vorhanden ist.

Da bei den meisten Bauteilen die am Randbereich liegenden Flansche und hier insbesondere der Bereich der Schnittkanten zu den Bereichen mit den höchsten Belastungen gehören, von denen häufig zum Versagen des Bauteils führende Risse ausgehen, kann eine Wandstärkenreduzierung im sensiblen Randbereich durch das erfindungsgemäße Verprägen die Rissneigung fördern. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Überstand der Verprägung im Schnittbereich entlang der zugeschnittenen Werkstückkante minimiert wird. Dadurch wird eine zusätzliche Schwä chung des Bauteils im Flansch und insbesondere entlang der Schnittkante vermieden.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben.
1 zeigt eine B-Säule 1 mit konstanter Blechdicke.
2 zeigt einen Schnitt A-A durch die B-Säule 1 aus 1.
3 zeigt eine B-Säule 6 mit variierender Blechdicke.
In 1 ist beispielhaft und schematisch eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte B-Säule 1 zum Einbau in ein Kraftfahrzeug dargestellt. Die B-Säule 1 ist ein relativ komplexes Tiefziehbauteil, das als Struktur- und Sicherheitsteil im Falle eines Unfalls starken Belastungen ausgesetzt ist und nicht versagen darf. Die B-Säule 1 wird daher insbesondere im Zuge des Leichtbaus aus einer relativ dünnen, härtbaren Stahlplatine warmgeformt. Die B-Säule 1 verfügt über eine konstante Blechdicke t von 1,8 mm und über eine Härte von etwa 1400 N/mm². Dieselben Werte finden sich auch im Flansch 2 der B-Säule 1 wieder. In den umlaufenden Flansch 2 ist vor oder während des Warmformens eine ebenfalls umlaufende Verprägung 3 eingebracht worden.
2 zeigt einen Schnitt an der Stelle A-A durch die B-Säule 1. Die Verprägung 3 hat eine geringere Wandstärke als der Flansch 2. In der Verprägung 3 wird die gehärtete B-Säule 1 auf Toleranz beschnitten. Dabei wird der Schnitt möglichst eng entlang der Schnittkante 4 geführt, um eine Rissbildung zu vermeiden. Die Verprägung 3 ist hier beispielhaft über eine Breite von 10 mm ausgeführt. Entscheidend für die Breite ist, dass die Verprägung 3 beim nachfolgenden Beschnitt sicher auffindbar ist und prozesssicher innerhalb der Verprägung 3 geschnitten werden kann. Bei der Fertigung der Prägung 3 ist besonders darauf zu achten, dass die der Verprägung 3 gegenüberliegende Seite 5 möglichst keine Formänderung im Sinne einer Erhebung erfährt, denn die der Verprägung 3 gegenüberliegende Seite 5 bildet in den meisten Fällen eine Kontaktfläche zu Anbauteilen und muss deswegen eine gute Qualität aufweisen.
3 zeigt eine B-Säule 6, die beispielsweise aus einem tailored rolled blank warmgeformt ist. Ein tailored rolled blank ist eine Platine, die einem Coil entnommen wurde, in welches bereits in einem Walzprozess in definierten Bereichen unterschiedliche Blechdicken eingewalzt worden sind. Dementsprechend verfügt die B-Säule 6 über mehrere Abschnitte A bis E mit unterschiedlichen Blechdicken. So beträgt die Blechdicke t im Abschnitt A zum Beispiel 1,4 mm, im Bereich B ist t = 1,75 mm, im Bereich C ist t = 2,4 mm, im Bereich D ist t = 1,9 mm und im Fuß der B-Säule 1 beträgt t wieder 1,4 mm. Die B-Säule 6 ist mit einem umlaufenden Flansch 7 versehen. In diesem Ausführungsbeispiel liegt der Bereich C über den für ein Hartschneiden kritischen Werten. Eine Verprägung mit Blechdickenreduzierung wird im Flansch 7 daher nur im Bereich C eingebracht.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Blechformteiles (1, 6) aus einer Platine aus Stahl durch Warmumformen und Beschneiden von Schnittzonen (2, 7), dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während des Warmumformens mindestens eine Verprägung (3) in eine Schnittzone (2, 7) der Platine oder des vorgeformten Blechformteiles (1, 6) eingebracht wird und dass nach dem Warmformen in der Verprägung (3) das Beschneiden stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittzone (2, 7) in einem Randbereich (2, 7) der Platine oder des vorgeformten Blechformteiles (1, 6) liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überstand der Verprägung (3) im Schnittbereich entlang der zugeschnittenen Werkstückkante (4) minimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verprägung (3) durch einen Kaltformprozess vor einer Erwärmung der Platine oder eines vorgeformten Blechformteiles (1, 6) auf eine Temperatur über AC₃ in die Platine oder das vorgeformte Blechformteil (1, 6) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verprägung (3) nach einer Erwärmung der Platine oder des vorgeformten Blechformteiles (1, 6) auf eine Temperatur über AC₃ mittels einer schnellen Presse vor dem eigentlichen Warmformvorgang eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verprägung (3) durch eine Prägefläche und/oder einen Prägering während des Warmformvorgangs in die Randbereiche (2, 7) eingebracht wird.