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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem ersten und zweiten Bauteil gefügten Strukturbauteils gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Die gattungsbildende
DE 10 2004 005 568 A1 beschreibt ein Bauteil aus einem Metallblech, welches in einem Verbindungsbereich mit mindestens einem weiteren Bauteil aus Metallblech unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens, insbesondere des Punktschweißens gefügt werden soll. Dabei besteht das Problem, dass mit Hilfe des Punktschweißens nur dann ein gutes Fügeergebnis erzielbar ist, wenn die gesamte Materialstärke der aufeinanderliegenden und zu fügenden Blechteile eine Dicke von 3 mm nicht wesentlich übersteigt. Dieses Problem wird gemäß dieser
DE 10 2004 005 568 A1 dadurch gelöst, dass eines dieser Bauteile im Verbindungsbereich mit einer lokal begrenzten Einprägung versehen wird, wobei in diesem Verbindungsbereich die Materialstärke des Bauteils lokal reduziert ist. Die Einprägung wird im Zuge eines Kalt- oder eines Warmumformverfahrens in das Bauteil eingebracht.
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Es ist bekannt durch Warmumformen und Presshärten von Stahlblech hochfester Stähle, wie z. Bsp. 22MnB5 mit einer Zugfestigkeit von 1400-1600 MPa herzustellen, indem in einem Ofen oder mittels eines anderen Verfahrens, bspw. Induktionserhitzen Blechplatinen auf etwa 9500 erhitzt werden und anschließend mit einem gekühlten Umformwerkzeug, welches aus Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil mit Matrize, Stempel und Blechhalter besteht, durch Warmumformung zu einem Formteil umgeformt. Hierbei wird das Stahlblech als Blechplatine im gekühlten Umformwerkzeug mit einem vorgegebenen Temperaturgradienten abgekühlt und durch eine Gefügeumwandlung (Martensitbildung) gehärtet.
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So ist bspw. aus der
DE 10 2007 043 154 A1 ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Profilen bekannt, bei dem ein Blechband zu einem Profil umgeformt wird, das Profil auf eine Temperatur über der Austenitisierungstemperatur aufgeheizt wird und dieses zuvor erhitzte Profil mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt und anschließend einer Vorrichtung zum Prägen oder Einschneiden von Ausnehmungen zugeführt wird.
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Solche höchstfeste und presshärtbare Stähle werden im Fahrzeugbau in crashrelevanten Bereichen der Fahrzeug-Stahlkarosserie eingesetzt. Als Fügetechnologien können Schweißverfahren eingesetzt werden, wobei die Herstellung von hybriden Blechstrukturbauteileh, bspw. Aluminium-Stahl-Strukturbauteile an die Fügetechnologie hohe Anforderungen stellt.
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Es ist bekannt, Alu- und Stahlbauteile mechanisch, ggf. mit Kleben zu fügen, wobei automatisierbare, mechanische Fügeverfahren ohne Vorlochen der Bauteile, wie Stanznieten, Clinchen (auch Durchsetzfügen genannt) sowie loch- und gewindeformendes Schrauben wirtschaftlich sind. Diese Fügeverfahren können jedoch für die oben beschriebenen hochfesten und presshärtbaren Stähle nicht wirtschaftlich eingesetzt werden, da diese im gehärteten Zustand nicht ausreichend umformbar sind.
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Auch ist das Clinchen mit Vorloch als umformendes Fügeverfahren bekannt, bei dem einer der Fügepartner im Fügebereich vorgelocht ist und nur der nicht vorgelochte Fügepartner umgeformt wird. Dadurch eignet es sich insbesondere zum Clinchen von Verbindungen, bei denen einer der Fügepartner nicht oder nur eingeschränkt umformbar ist und daher diese nicht als Fügepartner zur Herstellung von Clinch-Verbindungen ohne Vorloch geeignet sind, wie bspw. die oben beschriebenen Verbindungen aus, hochfesten presshärtbaren Stählen und Aluminium. Bei solchen hybriden Verbindungen weist der pressgehärtete Stahl als Fügepartner in der Regel eine größere Dicke auf als der andere Fügepartner aus Aluminium. Die pressgehärteten Stähle werden mittels eines Lasers oder mittels Stanzen gelocht, auch Wasserstrahlschneiden ist hierfür geeignet. Aufgrund der hohen Härte bzw. Festigkeit und der Dicke dieses Fügepartners ist das Lasern und Stanzen technologisch aufwendig und führt oft zu geringen Standzeiten, so dass eine wirtschaftliche Fertigung solcher hybrider Strukturbauteile nicht immer möglich ist.
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Ein Durchsetzfügen (Clinchen) ist bspw. aus der
DE 101 51 659 A1 bekannt, wonach zum Fügen von zumindest teilweise überlappenden Bauteilen mit einem Formwerkzeug und einem Druckfluid in einem ersten Fügeschritt, bei welchem mittels des Druckfluids Werkstoff des zweiten Bauteils unter plastischer Verformung durch ein in dem ersten Bauteil ausgebildetes Vorloch gedrückt wird, und in einem zweiten Fügeschritt mittels eines Fügestempels des Formwerkzeugs auf einen im ersten Fügeschritt umgeformten Bereich des verformten zweiten Bauteils in Gegenrichtung umformend eingewirkt wird, wobei Werkstoff aus dem umgeformten Bereich in einen Formhohlraum, welcher in einem Formteil des Formwerkzeugs ausgebildet ist, verdrängt und eine Hinterschneidung zwischen den Bauteilen ausgebildet wird.
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Ferner beschreibt auch die
DE 20 2005 013 220 U1 die Herstellung einer Durchsetzfügeverbindung in einem überlappenden Verbindungsbereich zwei Blechformteile.
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Der Vollständigkeit halber wird auf die
DE 10 2005 032 113 B3 verwiesen, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils beschreibt. Hierzu besteht das Umformwerkzeug aus zwei Werkzeughälften in einer Presse, wobei diese Werkzeughälften jeweils in wenigstens zwei Segmente unterteilt sind, die durch eine Wärmeisolierung voneinander getrennt sind. Diese Segmente können durch eine Temperaturregelung beheizt oder gekühlt werden, so dass in verschiedenen Bereichen des Bauteils unterschiedliche Temperaturen und damit auch unterschiedliche Abkühlkurven einstellbar sind. Mit diesem bekannten Verfahren lässt sich ein Bauteil mit Bereichen unterschiedlicher Härte bzw. Festigkeit und Duktilität herstellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem Bauteile kostengünstig gefügt, insbesondere hybride Strukturbauteile wirtschaftlich hergestellt werden können.
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Aufgabe ist es auch, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden zur Herstellung eines aus einem ersten und zweiten Bauteil gefügten Strukturbauteils, bei welchem
- - das erste Bauteil mittels eines Warmumformprozesses aus einer Platine umgeformt und während des Warmumformprozesses in einem Fügebereich die Dicke des ersten Bauteils auf einen vorgegebenen Wert durch Prägen verringert wird, und
- - mit dem Prägen des ersten Bauteils im Fügebereich mittels eines Prägestempels eine den geprägten Bereich umgebende Materialanhäufung erzeugt wird,
werden erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
- a) Lochen des ersten Bauteils im Fügebereich zur Erzeugung eines Vorloches, wobei zwischen der das Vorloch umlaufenden Materialanhäufung und der Randfläche des Vorloches ein schmaler Randbereich verläuft, und
- b) Durchsetzfügen des ersten vorgelochten Bauteils mit dem zweiten Bauteil zur Herstellung wenigstens eines Fügepunktes im Fügebereich mittels einer Matrize und einem zugehörigen Stempel, wobei die Materialanhäufung matrizenseitig angeordnet ist.
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Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird gleichzeitig mit dem Warmumformprozess im Fügebereich ein Prägevorgang durchgeführt, mit dem die Dicke des ersten Bauteils, das vorzugsweise aus einem hochfesten und presshärtbaren Stahl besteht, lokal derart reduziert wird, dass das Stanzen oder Lasern des Vorloches wirtschaftlich durchgeführt werden kann, d. h. insbesondere die Standzeiten der Werkzeuge verlängert werden.
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Außerdem führt die derart hergestellte Clinch-Verbindung zu einer wesentlich höheren Verbindungsfestigkeit, insbesondere bei der Herstellung eines hybriden Strukturbauteils, vorzugsweise aus hochfesten pressgehärteten Stahl und Aluminium. Die Verbindungsfestigkeit hängt im Wesentlichen von der Halsdicke der Clinch-Verbindung ab und wird u. a. von den zu fügenden Blechdicken bestimmt, wobei eine größere Festigkeit erzielt wird, wenn die Dicke des stempelseitigen ersten Bauteils größer als die Dicke des matrizenseitigen zweiten Bauteils ist. Da in der Regel bei solchen hybriden Clinch-Verbindungen die Blechdicken der hochfesten und pressgehärteten Stähle größer als die Blechdicken von Aluminium sind, würde eine bekannte Clinch-Verbindung aufgrund deren geringen Halsdicke zu einer verminderten Festigkeit der Verbindung führen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Reduzierung der Blechdicke im Fügebereich steht mehr Material zur Bildung des Halses der Clinch-Verbindung zur Verfügung, infolgedessen die Halsdicke größer wird. Insbesondere erfolgt bei der Clinch-Verbindung das Hintergreifen in den ebenfalls dickenreduzierten Randbereich des Vorloches, so dass eine feste formschlüssige Verbindung des Aluminiums mit dem pressgehärteten Stahl erzielt wird.
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Ferner wird mit dem Prägen des ersten Bauteils im Fügebereich mittels eines Prägestempels, oder im Falle eines zweiseitigen Prägens mit zwei Präge- stempeln eine den geprägten Bereich umgebende Materialanhäufung erzeugt, die nach dem Lochen das Vorloch unter Bildung eines schmalen Randes das Vorloch umschließt. Dabei wird das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil mittels einer Matrize und einem zugehörigen Stempel derart gefügt, dass die Materialanhäufung matrizenseitig angeordnet ist. Dies führt im Vorlochbereich zu einem Spannungsabbau, wodurch bei Einsatz solcher Verbindungen in crashrelevanten Bereichen einer Fahrzeugkarosserie die Crash-Eigenschaften der entsprechenden Strukturbauteile positiv beeinflusst werden. Des Weiteren kann eine solche Materialanhäufung, die einen trichterförmigen Querschnittsverlauf aufweist, auch als Positionierhilfe für die Clinch-Werkzeuge im automatisierten Prozess der Herstellung des Strukturbauteils genutzt werden.
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Eine hohe Verbindungsfestigkeit wird auch dann erreicht, wenn die Dicken der ersten und zweiten Bauteile gleich oder wenn die Dicke des zweiten Bauteils kleiner als die Dicke des zweiten Bauteils im Fügebereich ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erste Bauteil im Warmumformprozess derart gehärtet wird, dass im Fügebereich eine partiell geringere Festigkeit entsteht als im Übrigen Bereich des ersten Bauteils. Dies erleichtert ebenfalls das Einbringen des Vorloches mittels Stanzen, Lasern oder Wasserstrahlschneiden.
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Weiterhin hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass das Lochen gemäß Verfahrensschritt a) nach dem Abkühlen des ersten Bauteils durchgeführt wird, insbesondere kann dies im gleichen Werkzeug, als im Umformwerkzeug durchgeführt werden.
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Vorzugsweise wird das Lochen des matrizenseitig angeordneten zweiten Bauteils mittels eines Lasers oder mittels Stanzen oder Wasserstrahlschneiden durchgeführt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft zur Herstellung von Strukturbauteilen verwendet werden, bei denen das erste Bauteil aus einem presshärtbaren Stahl und das zweite Bauteil aus einem Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium besteht, wobei das zweite Bauteil auch profiliert, bspw. ein Aluminium-Pressprofilteil sein kann.
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Besonders stabile Clinch-Verbindungen lassen sich auch dann erzielen, wenn das zweite Bauteil eine geringere Dicke aufweist als das erste Bauteil.
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Die Aufgabe wird auch mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Hiernach besteht die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einem Umformwerkzeug mit einem Werkzeugunterteil und einem Werkzeugoberteil, insbesondere mit einem Stempel und einer Matrize und umfasst zusätzlich zum einseitigen Prägen einen Prägestempel oder bei zweiseitigem Prägen einen weiteren Prägestempel mit vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Vorrichtung einen thermisch isolierten Bereich aufweist, in dem der bzw. die Prägestempel angeordnet ist bzw. sind.
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Damit kann das Prägen gleichzeitig mit der Warmumformung unter Wärme erfolgen, ohne einen zusätzlichen Prozessschritt erforderlich zu machen. Ferner kann im Fügebereich des ersten Bauteils durch Beeinflussung des Temperaturgradienten bei der Abkühlung des ersten Bauteils, insbesondere bei einer hochfesten und presshärtbaren Blechplatine als erstes Bauteil die Werkstofffestigkeit auf einen gewünschten Wert reduziert werden. Vorzugsweise kann dieser thermisch isolierte Bereich individuell beheizt werden, um noch besser während der Abkühlung den Temperaturverlauf einstellen zu können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
- 1 schematische Darstellungen möglicher Prägevorgänge gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine schematische Darstellung eines Clinch-Vorganges gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 3 eine schematische Darstellung eines Umformwerkzeugs.
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Im Folgenden werden die Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines aus bspw. Stahl (bspw. 22MnB5) und Aluminium bestehenden hybriden Strukturbauteils im Einzelnen erläutert und dargestellt,
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Zunächst wird eine Blechplatine aus dem Werkstoff 22MnB5 in einem Wärmeofen (oder in einem Induktionsofen) auf ca. 9500 C erwärmt und anschließend als erstes Bauteil 1 in ein gekühltes Umformwerkzeug eingelegt, indem durch Pressen gleichzeitig ein Umformen und Abkühlen mit hoher Abkühlgeschwindigkeit zur Härtung der Blechplatine durchgeführt wird, um so die Materialfestigkeit bzw. Härte des Materials auf von ca. 800 MPa auf 1400-1600 MPa zu erhöhen.
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Dieses erste Bauteil 1 weist wenigstens einen Fügebereich 3 auf, in dem ein Fügepunkt 5 durch Clinchen mit einem zweiten Bauteil 2 als Fügepartner erzeugt wird. Hierzu ist in das Umformwerkzeug ein Prägestempel 7 vorgesehen, der in den 1a) und 1b) schematisch dargestellt ist. Diese Prägestempel 7 weisen eine Ebene und kreisförmige Prägefläche 7a auf, die gemäß 1a) von einer gegenüber der Prägefläche 7a abgesetzten kreisringförmigen Abstützfläche 7b umlaufen wird. In dem dazwischenliegenden Bereich, also zwischen der Prägefläche 7a und der umlaufenden Abstützfläche 7b wird beim Prägevorgang im Fügebereich 3 des ersten Bauteils 1 Material zur Bildung einer Materialanhäufung 6 gedrückt.
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Der Prägestempel 7 nach 1b ist dagegen am prägeseitigen Ende etwas angefast, wobei beabstandet zum Prägestempel 7 ein Niederhalter 7c vorgesehen ist, der zum ersten Bauteil 1 hin ebenfalls angefast ist. Durch den Abstand des Niederhalters 7c zum Prägestempel 7 sowie den Anfasungen wird ein Zwischenraum gebildet, so dass durch den Prägevorgang im Fügebereich 3 des ersten Bauteils 1 ebenso eine Materialanhäufung 6 in diesen Zwischenraum hinein erzeugt wird, wobei durch die Anfasung, vor allem stempelseitig, diese Materialanhäufung entsprechend V-förmig geformt wird.
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Die 1a und 1b zeigen beispielhafte Prägestempel 7 mit Prägeflächen 7a. Diese Prägestempel 7 und deren Prägeflächen 7a können auch andere Formen und Querschnitte aufweisen und bspw. ringförmig, konisch oder ballig ausgebildet sein. Ferner zeigen die 1a und 2b einseitige Prägevorgänge, entsprechendes gilt auch für zweiseitige Prägevorgänge, welche einen weiteren, von unten gegen das erste Bauteil 1 geführten Prägestempel erfordern.
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Durch diesen Prägevorgang wird die ursprüngliche Blechdicke D des ersten Bauteil 1, also der eingesetzten Blechplatine auf eine kleinere Blechdicke d reduziert. Durch diese Reduzierung der Blechdicke im Fügebereich 3 wird die Festigkeit herabgesetzt, so dass die Herstellung eines Vorloches 4 in dem Fügebereich 3 des ersten Bauteils 1 erleichtert wird.
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Eine weitere Reduzierung der Festigkeit im Fügebereich 3 kann dadurch erzielt werden, dass das eingesetzte Umformwerkzeug derart ausgebildet sein, dass der Bereich des Prägestempels 7 von dem ihn umgebenden Bereich des Werkzeugs thermisch isoliert ist, wie dies beispielhaft die 3 schematisch zeigt. Diese 3 zeigt eine untere und obere Formhälfte 14 und 15, die als Teil eines nicht dargestellten Umformwerkzeugs von diesem thermisch isoliert ist und ggf. auch erwärmt werden kann. Die untere Formhälfte 14 trägt den beweglichen Prägestempel 7, der eine Prägefläche 7a mit einer zentrisch auf der Prägefläche 7a angeordneten konusförmigen Erhebung, die eine Reduzierung der Blechdicke bewirkt, wenn zwischen den beiden Formhälften 14 und 15 das erste Bauteil 1 eingelegt wird.
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Somit kann in diesem thermisch isolierten Bereich eine andere Abkühlgeschwindigkeit erzielt werden, die dann auch zu einer anderen Härte bzw. Materialfestigkeit in diesem Fügebereich führt und daher zusätzlich die Herstellung eines Vorloches 4 erleichtert. Dieser thermisch isolierte Bereich kann auch mit einer Heizung ausgestattet werden, so dass ein bestimmter Tempe- raturgradient zur Abkühlung des Fügebereichs eingestellt werden kann. Bei entsprechender Einstellung der maßgeblichen Parameter könnte eine lokale Verfestigung im Fügebereich vermieden werden.
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Nach dem Abkühlen des ersten Bauteils 1 wird in dem Fachmann bekannter Weise ein Vorloch 4 im Fügebereich 3 des ersten Bauteils 1 derart eingebracht, dass zwischen der das Vorloch 4 umlaufenden Materialanhäufung 6 und der Randfläche des Vorlochs 4 ein schmaler Randbereich verläuft, in den beim Clinchen Material des zweiten Bauteils 2 hintergreift.
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Anschließend erfolgt das Fügen des ersten vorgelochten ersten Bauteils 1 und des zweiten Bauteils 2 mittels dem Fachmann bekannten Clinchen zur Erzeugung eines Fügepunktes 5. Diesen Vorgang zeigt 2 mit den verwendeten Clinch-Werkzeugen, einer Matrize 8 und einem zugehörigen Stempel 9. In dieses Werkzeug werden die beiden Fügepartner, das vorgelochte erste Bauteil 1 und das zweite Bauteil 2 gelegt, wobei das erste Bauteil 1 derart eingelegt wird, dass dessen Materialanhäufung 6 auf einer Abstützfläche 10 des Werkzeugs aufliegt. Das zweite Bauteil 2 wird von einem Niederhalter 11 fixiert. Zur Positionierung des ersten Bauteils 1 dient die Materialanhäufung 6, insbesondere deren umlaufende geneigte Fläche, die bspw. durch die Prägung nach 1b) mit einem trichterförmigen Querschnitt erzeugt werden kann.
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Die 2 zeigt den Zustand, wenn der Clinch-Stempel 9 vollständig gegen die Matrize 8 unter Bildung eines Restbodens 12 aus dem Material des zweiten Bauteils 2 gedrückt wurde. Es ist deutlich zu erkennen, dass aufgrund der reduzierten Blechdicke d im Fügebereich 3 die Halsdicke 13 wesentlich erhöht wurde. Auch ist die Materialmenge zur Hintergreifung des ersten Bauteils 1 im Bereich des umlaufenden Randes des Vorlochs 4 aufgrund der Dickenreduzierung erhöht, wodurch der Formschluss der beiden Fügepartner ebenfalls verbessert wird.
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Zur Verbindung zweier Fügepartner gemäß der Beschreibung können auch mehrere solcher Fügebereich mit entsprechenden Fügepunkte hergestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für eine automatische Fertigung. Insbesondere können auch andere als die oben beschriebenen Clinch-Verfahren zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Bauteil
- 2
- zweites Bauteil
- 3
- Fügebereich
- 4
- Vorloch im ersten Bauteil 1
- 5
- Fügepunkt
- 6
- Materialanhäufung am Vorloch 4
- 7
- Prägestempel
- 7a
- Prägefläche des Prägestempels 7
- 7b
- Abstützfläche
- 7c
- Niederhalter
- 8
- Matrize als Clinch-Werkzeug
- 9
- Stempel als Clinch-Werkzeug
- 10
- Abstützfläche
- 11
- Niederhalter
- 12
- Restboden
- 13
- Halsdicke
- 14
- Thermisch isolierter Bereich an der unteren Formhälfte zur Aufnahme des Prägestempels
- 15
- Thermisch isolierter Bereich an der oberen Formhälfte
- D
- Blechdicke des ersten Bauteils 1
- d
- Blechdicke im Fügebereich 3
