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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen, insbesondere Karosseriebauteilen für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Karosseriebauteil für die Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges. Weiterhin betrifft die Erfindung eine A-, B-, C- oder D-Säule für ein Kraftfahrzeug.
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Technologischer Hintergrund und Stand der Technik
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Bauteile, wie sie beispielsweise für die Karosserie von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind üblicherweise dahingehend optimiert, dass sie eine hohe Festigkeit bei einem geringen Gewicht aufweisen. Dadurch soll im Crashfall eine hohe Sicherheit für die Insassen der Fahrgastzelle des Fahrzeuges sichergestellt werden.
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Um zugleich den Benzinverbrauch der Kraftfahrzeuge zu minimieren, sind diese Bauteile bzw. ist die Karosserie des Kraftfahrzeuges hinsichtlich des Gewichtes optimiert. Die Bauteile sind deshalb üblicherweise hohl ausgebildet und weisen zur Einsparung maximal möglichen Materiales über die Umfangsfläche gesehen, mehrfach Materialaussparungen auf. Es ergibt sich somit bei diesen Bauteilen gewöhnlich eine komplexe Form.
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Die Bauteile werden üblicherweise aufgrund ihrer Komplexität aus mehreren Einzelteilen einfachen Aufbaus zusammengesetzt. Um die geforderte hohe Festigkeit zu erlangen und einen hohen Umformgrad zu erzielen, werden diese Einzelteile durch Umformen von Formmaterial in einem Warmumformverfahren erzeugt. Erst nach dem Warmumformvorgang und einem anschließenden Abschrecken zum Härten werden die Einzelteile zu einem einzigen Bauteil beispielsweise mittels Schweißen miteinander verbunden.
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Dieses bekannte Herstellungsverfahren ist relativ aufwendig, da jedes Einzelteil separat warmumgeformt wird. Bei Bauteilen aus drei, vier oder fünf Einzelteilen sind somit entsprechend drei, vier oder fünf Warmumformvorgänge notwendig, bevor das Bauteil aus den warmumgeformten Einzelteilen zusammengesetzt werden kann. Auch hat es sich gezeigt, dass die auf diese Weise hergestellten Bauteile im Bereich der Verschweißung häufig ein derart geändertes Werkstoffgefüge aufweisen, welches gegenüber dem Bauteilmaterial außerhalb des Schweißbereiches verschlechterte Bauteileigenschaften hinsichtlich Härte und Festigkeit aufweisen.
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Aus
DE 10 2004 054 795 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung von Karosseriebauteilen sowie ein Karosseriebauteil bekannt. Bei diesem Verfahren wird mindestens ein Blech auf Basis eines borlegierten Vergütungs- oder Einsatzstahles mit mindestens einem Blech etwas gleicher Werkstoffgüte aus einem anderen Stahlwerkstoff durch schweißen und/oder löten verbunden. Dieser Materialverbund wird mindestens einem Umformvorgang unterworfen, wobei der Materialverbund warmumgeformt und zumindest das borlegierte Blech bei geschlossenen Formwerkzeughälften einer in situ Presshärtung unterzogen wird.
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Aus
DE 10 2006 020 623 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus tailored blanks bekannt. Es werden mindestens zwei separate Bleche mit unterschiedlichen Materialeigenschaften oder Materialstärken miteinander zu einem tailored blank verschmiedet. Insbesondere lässt sich der Schmiedprozess mit einem Warmformprozess der Gestalt verbinden, dass ein aus mindestens zwei noch nicht miteinander verbundenen Blechen bestehendes Halbzeug zunächst auf eine Temperatur über den AC
3-Punkt der Legierung erwärmt und zu einem tailored blank mittels eines Schmiedewerkzeugs im Überlappungsbereich der Bleche verschmiedet, umgeformt und unter Verbleib im Werkzeug gehärtet wird.
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Aus
DE 10 2007 018 395 A1 ist eine Innenhochdruck-Umformverfahren bekannt, bei welchem ein in einem Umformwerkzeug umzuformendes Rohr aus einem Stahlwerkstoff vorgewärmt und anschließend in das Umformwerkzeug eingelegt wird. Das Umformwerkzeug wird geschlossen und die Enden des in einem Formhohlraum aufgenommenen Werkstücks abgedichtet. Anschließend wird ein Gas unter Druck in den Innenraum des Werkstücks eingeleitet. Das Werkstück wird durch den Druck des Gases umgeformt und durch die Temperatur des Gases von innen und die Temperatur des Umformwerkzeuges von außen gehärtet.
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Aus der
DE 698 03 588 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung abgeschreckter dünnwandiger hohler Metallgehäuse durch blasformen bekannt. Auch dieses Verfahren sieht ein Umformen von Rohren vor, die fest und nahtlos, jedoch auch geschweißt sein können.
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Aufgabenstellung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen bereitzustellen, durch welches auch komplexe Bauteile, insbesondere Karosseriebauteile für ein Kraftfahrzeug, in einfacher Weise hergestellt werden können. Ein weiterer Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens soll es sein, dass das damit erzeugte Bauteil, insbesondere Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug, auf gewünschte Materialeigenschaften eingestellt werden kann. Weiterhin soll ein entsprechendes Karosserieteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere A-, B-, C- oder D-Säule für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen werden.
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Erfindung und vorteilhafte Wirkungen
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere Karosseriebauteilen für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, welches die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Ferner wird ein Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 12, ein Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 13 sowie eine A-, B-, C- oder D-Säule für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 14 vorgeschlagen. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Bauteilen ist besonders für die Herstellung von Karosseriebauteilen eines Kraftfahrzeuges, vorzugsweise Karosseriebauteilen der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeuges geeignet. Derartige Karosseriebauteile können Crash-relevante Verstärkungsteile, wie beispielsweise die Schweller oder die A-, B-, C- oder D-Säulen des Kraftfahrzeuges sein. Derartige Karosserieteile können in Türen des Kraftfahrzeuges angeordnet sein und/oder Rahmenteile, Stoßfängerträger sowie Querträger für Boden und Dach, vordere und hintere Längsträger bilden.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass wenigstens zwei Einzelteile zu einem Halbzeug zusammengesetzt werden und anschließend des Halbzeug warmumgeformt wird.
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Durch diese Maßnahme können die Bauteile besonders einfach hergestellt werden, da lediglich das eine Bauteil selbst mit seinen bereits zusammengefügten Einzelteilen einer Warmumformung unterzogen wird. Die bisher bekannten Verfahren führen dagegen zuerst eine Warmumformung jedes Einzelteiles durch und anschließend wird das Bauteil durch Zusammenfügen der bereits warmumgeformten Einzelteile erzeugt. Bei der erfindungsgemäßen Maßnahme ist somit lediglich ein einziger Warmumformschritt bei der Herstellung des Bauteiles notwendig. Weiterhin können Bauteile mit komplexer Gestalt in einfacher Weise hergestellt werden, indem die Komplexität des Bauteiles erst durch den Zusammenbau der Einzelteile erzeugt wird, wohingegen die Einzelteile lediglich in relativ einfacher Gestalt hergestellt werden müssen. Durch das Warmumformen des Bauteiles ist eine große Umformbarkeit der Werkstoffe durchführbar, wobei relativ geringe Umformkräfte notwendig sind. Unter Warmumformung werden im Sinne der Erfindung solche Umformschritte bezeichnet, die oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffes stattfinden. Ferner wird im Sinne der Erfindung unter Halbzeug ein bereits wenigstens einmal umgeformtes Bauteil bzw. Einzelteil verstanden, welches dann in weiteren Bearbeitungsschritten zum Fertigteil ausgebildet wird.
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Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass wenigstens eines der Einzelteile umgeformt wird, insbesondere kaltumgeformt wird. Dadurch sind die Einzelteile bereits auf eine vorgegebene vorläufige Gestalt bzw. Geometrie überführbar, so dass ein Verbinden der Einzelteile besonders leicht erfolgen kann. Durch das Umformen der Einzelteile können die Einzelteile bereits entsprechende Flansche oder dergleichen Anschlussabschnitte aufweisen, an denen die einzelnen Teile miteinander verbindbar sind. Des aus den umgeformten Einzelteilen gebildete zusammengesetzte Halbzeug ist somit bereits in eine Gestalt bzw. Geometrie bringbar, welche für ein anschließendes Warmumformverfahren verwendet werden kann. Indem die Einzelteile kaltumgeformt werden, ist auf besonders einfache Weise eine Umformung der Einzelteile realisiert, wobei der Umformgrad aufgrund der eintretenden Kaltverfestigung des Materials begrenzt ist.
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Unter Kaltumformung im Sinne der Erfindung ist ein Umformen von Materialien bei einer Temperatur von deutlich unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffes zu verstehen. Als Kaltumformverfahren kann dabei ein Walzprofilieren, Tiefziehen, Prägen, Stanzen oder Rollen zum Einsatz kommen. Auch sind Kombinationen aus den einzelnen Kaltumformverfahren möglich.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Einzelteile zumindest über wenigstens einen Abschnitt mittels stoffschlüssigem Fügeverfahren, insbesondere mittels thermischem stoffschlüssigen Fügeverfahren, miteinander verbunden werden. Durch diese nicht lösbare Verbindung sind die Einzelteile dauerhaft fest miteinander verbunden, so dass den aus den Einzelteilen gebildeten Halbzeugen dauerhaft eine hohe Stabilität zukommt. Als stoffschlüssiges Fügeverfahren kommt beispielsweise ein Kleben der Einzelteile miteinander in Betracht. Unter thermischen stoffschlüssigen Fügeverfahren sind beispielsweise Lötverfahren, Schweißverfahren oder dergleichen Fügeverfahren unter Erwärmung der Einzelteile im Verbindungsbereich zu verstehen.
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Es bietet sich an, dass die Einzelteile mittels Laserschweißen und/oder Punktschweißen miteinander verbunden werden. Durch das Laserschweißen kann eine Schweißnaht präzise gesetzt werden, so dass lediglich geringe Bereiche der Einzelteile durch die Erwärmung im Schweißverfahren in ihrem Werkstoffgefüge verändert werden. Auch das Punktschweißen zielt darauf ab, mögliche Gefügeveränderungen aufgrund der Wärmeeinwirkung durch das Schweißen bei den Einzelteilen lediglich auch auf einzelne kleine Abschnitte des Einzelteiles zu beschränken. Auch ist aufgrund des Punktschweißens eine Einsparung von Schweißmaterial möglich.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Halbzeug vor dem Warmumformen kaltumgeformt wird. Dadurch kann das Halbzeug mit seinen zusammengesetzten Einzelteilen bereits vor dem Warmumformvorgang auf eine Form gebracht werden, welche in ein Formwerkzeug für das Warmumformen einsetzbar ist. Insofern ist dadurch ein weiterer Zwischenschritt bei der Herstellung eines Bauteiles mit komplexer Geometrie realisiert, mittels welchem das Halbzeug in eine Zwischenform bzw. Zwischengeometrie vor dem Warmumformen gebracht wird. Mittels des dann anschließenden Warmumformens kann eine weitere noch umfangreichere Umformung erfolgen, ohne dass es zu einer Kaltverfestigung kommt, welche die Grenzverformung eines Kaltumformvorganges bildet.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das warmumgeformte Halbzeug mittels eines Abkühlmediums abgeschreckt wird. Dadurch ist eine Erhöhung der mechanischen Widerstandsfähigkeit des Werkstoffes des Bauteiles durch gezielte Änderung und Umwandlung seines Gefüges erzielt. Durch das Abschrecken kommt es zu einer Festigkeitserhöhung des Materials, was vorzugsweise durch das Erreichen eines martensitischen Gefüges des Werkstoffes des Bauteiles zurückzuführen ist. Hierzu ist das Bauteil bevorzugt vorab auf eine Temperatur von etwa wenigstens 900° Celsius zu bringen, insbesondere bei einem Werkstoff aus Stahl.
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Bevorzugt sollte das Abschrecken bzw. schnelle Abkühlen mit wenigstens einer Geschwindigkeit von 25 Kelvin pro Sekunde, vorzugsweise wenigstens 30 Kelvin pro Sekunde, vorgenommen werden. Als Abschreckmedium können Wasser, Öl, Salzbad, wässrige Polymerlösungen, Luft oder Gase, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon, zum Einsatz kommen.
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Es bietet sich an, dass nach dem Abschrecken das Halbzeug einem Anlassvorgang unterworfen wird. Durch das Anlassen kann die beim Abschrecken gebildete Härte des Bauteiles vermindert werden und entsprechend der Höhe der Anlasstemperatur und der Dauer der Anlasstemperatur das Halbzeug auf die gewünschten bzw. vorgegebenen Gebrauchseigenschaften bezüglich Härte, Zugfestigkeit und/oder Zähigkeit gebracht werden.
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Bei einem Halbzeug, welches zumindest über einen Abschnitt länglich ausgebildet und zumindest der Abschnitt in Längsrichtung hohl ist, ist es nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass zumindest der Abschnitt über Austenitisierungstemperatur erwärmt wird und anschließend in diesem erwärmten Zustand, vorzugsweise in seiner Längsrichtung, umgeformt wird. Hierdurch kann das Halbzeug in Längsrichtung des hohlen Abschnittes in einfacher Weise umgeformt werden, wobei auch hohe Umformgrade problemlos erreicht werden, ohne dass es zu einer Zerstörung des Halbzeuges kommt. Es ist dazu das Halbzeug auf eine Temperatur zubringen, in welcher das Werkstoffgefüge austenitisch vorliegt. Das Halbzeug ist dazu auf eine Temperatur von wenigstens 900° Celsius zu bringen und vorzugsweise zumindest über einen vorgegebenen Zeitraum, wie beispielsweise etwa 5 Minuten in diesem erwärmten Zustand zu halten. Indem das auf diese Weise erwärmte Halbzeug im erwärmten Zustand in Richtung seiner Längsachse umgeformt wird, kann dem Halbzeug trotz seines hohlen Abschnittes zerstörungsfrei in Längsrichtung gebogen werden. Das warmumgeformte Halbzeug ist dadurch in Längsrichtung gewölbt ausbildbar.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Hohlraum des Halbzeuges geschlossen ist oder mittels eines weiteren Verfahrensschrittes geschlossen wird und dass das auf über Austenitisierungstemperatur erwärmte Halbzeug mittels in den Hohlraum eingelassenem, unter Druck stehendem Medium gegen die Innenwände eines Formwerkzeuges expandiert wird. Hierdurch ist der Hohlraum des Halbzeuges, welcher beispielsweise durch einen rollprofilierten Querschnitt des Halbzeuges gebildet ist, auf einfache Weise in Umfangsrichtung umformbar. Das Formwerkzeug dient dabei als Matrize für die zu erzielende Außenkontur des Halbzeuges. Durch das Einblasen des unter Druck stehenden Mediums, wie beispielsweise Luft oder Wasser oder dergleichen anderer gasförmiger oder flüssiger Medien, kann eine Änderung der Querschnittskontur des Halbzeuges auf eine vorgegebene Form gezielt vorgenommen werden.
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Das Formwerkzeug kann dazu beispielsweise zwei Hälften aufweisen, wobei in die eine Hälfte das Halbzeug eingelegt wird und zum Umformen des Halbzeuges in seiner Längsrichtung die andere Hälfte gegen die Hälfte mit dem eingelegten Halbzeug gepresst wird. Es bietet sich dabei an, dass ein nachfolgendes Umformen durch Einblasen eines unter Druck stehenden Mediums die Hälften des Formwerkzeuges in zusammengedrückter Position verbleiben und in dieser Position der Hälften das Halbzeug dann gegen die Innenwandungen der Hälften expandiert wird.
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Der Hohlraum des Halbzeuges ist bevorzugt durch das Zusammensetzen der Einzelteile gebildet. Die Einzelteile sind dazu bevorzugt längliche Profilteile mit einer vorzugsweise zumindest teilweisen Wannenform bezüglich ihres Querschnittes.
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Bevorzugt sollte das Umformen mittels des in den Hohlraum eingelassenen, unter Druck stehenden Mediums im Anschluss an das Umformen des Halbzeuges in Richtung seiner Längsache vorgenommen werden. Bevorzugt sollten ferner beide Umformvorgänge bei einem auf über Austenitisierungstemperatur erwärmtem Halbzeug vorgenommen werden. Auch sollte bevorzugt die Warmumformung in Längsrichtung des Halbzeuges sowie die Warmumformung durch Einlassen des Mediums in den Hohlraum des Halbzeuges mittels eines einzigen Formwerkzeuges vorgenommen werden. Durch das einzige Formwerkzeug ist ein Warmumformen des Halbzeuges in unterschiedliche Wirkrichtungen in besonders einfacher Weise möglich, da ein Umspannen sowie ein zwischenzeitliches Abkühlen und Wiederaufwärmen des Halbzeuges vermieden wird.
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Darüber hinaus ist durch die Kombination der beiden Warmumformvorgänge ein Halbzeug mit besonders komplexer Geometrie erzeugbar. Indem das Halbzeug nach dem Warmumformen in Längsrichtung in dem Formwerkzeug verbleibt, ist mittels eines anschließenden Expandieren des Halbzeuges gegen die Innenwände des Formwerkzeuges durch Einlassen unter Druck stehenden Mediums in den Hohlraum eine Kalibrierung der Außenkontur gegenüber dem Formwerkzeug möglich, sodass Änderungen in der Außenkontur des Halbzeuges aufgrund des vorherigem Warmumformens in Längsrichtung des Halbzeuges rückgängig gemacht werden können.
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Es bietet sich an, dass das warmumgeformte Halbzeug mittels eines Abkühlmediums derart abgeschreckt wird, dass das abgeschreckte Halbzeug ein martensitisches Werkstoffgefüge aufweist. Um das martensitische Gefüge möglichst diffusionslos zu erreichen, sollte dabei bevorzugt eine Abkühlgeschwindigkeit von wenigstens 27 Kelvin pro Sekunde vorliegen. Das Abschrecken des auf über Austenitisierungstemperatur erhitzten und warmumgeformten Halbzeuges sollte im Anschluss an den letzten Warmumformvorgang vorgenommen werden. Durch das Führen des Werkstoffgefüges des Halbzeuges in die martensitische Struktur ist das Halbzeug auf eine hohe Festigkeit gebracht, um den Anforderungen, insbesondere Crash-Anforderungen, bei einem späteren Einsatz in einem Kraftfahrzeug zu bestehen.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zum Abschrecken des Halbzeuges ein Abkühlmedium durch den Hohlraum des Halbzeuges hindurch geleitet wird. Hierdurch erfolgt ein Abkühlen des erhitzten und vorzugsweise warmumgeformten Halbzeuges durch unmittelbaren Kontakt mit dem Abkühlmedium, indem es durch das Halbzeug hindurch strömt. Das Halbzeug ist auf diese Weise besonders schnell auf eine besonders tiefe Temperatur abkühlbar, sodass das angestrebte martensitische Werkstoffgefüge in einfacher Weise ohne Diffusionserscheinungen erreicht wird.
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Es bietet sich an, dass nach dem Warmumformen, Abschrecken und/oder Anlassen im warnen Zustand und/oder im kalten Zustand das Halbzeug mechanisch, beispielsweise mittels Laser, bearbeitet wird, insbesondere wenigstens eine Materialausnehmung, Durchgangsöffnung und/oder Bohrung in das Halbzeug eingebracht wird. Durch die mechanische Bearbeitung des bereits warmumgeformten Halbzeuges können engen Maßtoleranzen eingehalten werden, da des Halbzeug die vorgegebene bzw. gewünschte Geometrie des Fertigteiles zumindest teilweise bereits im Wesentlichen exakt abbildet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Karosseriebauteil für die Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges, welches insbesondere mittels dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Das Karosseriebauteil kann ein Schweller, Rahmenteil oder Stoßfängerträger, Querträger für den Boden oder das Dach des Kraftfahrzeuges sein. Auch kann das Karosseriebauteil der vordere oder hintere Längsträger des Kraftfahrzeuges sein. Ebenfalls kann das Karosseriebauteil die A-, B-, C- oder D-Säule des Kraftfahrzeuges sein. Das Karosseriebauteil weist wenigstens zwei Einzelteile auf, welche mittels thermischem stoffschlüssigem Fügeverfahren miteinander verbunden sind.
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Es ist vorgesehen, dass wenigstens eines der Einzelteile im Bereich des thermischen Fügens Materialeigenschaften aufweist, welche den Materialeigenschaften des wenigstens einen Einzelteils außerhalb des Fügebereichs im Wesentlichen entsprechen.
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Dadurch ist das Karosseriebauteil in dem durch thermisches Fügen gebildeten. Verbindungsbereich gar nicht oder nur unwesentlich geschwächt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Einzelteile durch thermisches stoffschlüssiges Fügen zuerst zusammengesetzt werden und dieses Halbzeug dann einer Warmumformung unterzogen wird. Durch das Erwärmen der beim Warmumformen üblichen Temperatur auf über die Rekristallisierungstemperatur des Bauteilwerkstoffes werden Schwächungen im Bauteil aufgrund des vorgenommenen thermischen Fügens, insbesondere Schweißens, wieder repariert. Des Werkstoffgefüge nach der Warmumformung ist daher im Fügebereich demjenigen außerhalb des Fügebereiches im Wesentlichen entsprechend. Das erfindungsgemäße Karosseriebauteil ist somit auch bei Grenzbelastungen wesentlich haltbarer als solche Karosseriebauteile, deren Einzelteile zuerst warmumgeformt werden und anschließend durch thermisches Fügen miteinander verbunden werden.
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Ein wiederum weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Karosseriebauteil für die Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges, insbesondere hergestellt mittels dem vorstehend beschriebenen Verfahren, mit wenigstens zwei Einzelteilen, welche mittels thermischem Fügeverfahren miteinander verbunden sind.
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Bei dem Karosseriebauteil weist wenigstens eines der Einzelteile im Bereich des thermischen Fügens eine Härte auf, welche wenigstens 85% der Härte, vorzugsweise 90% der Härte, des wenigstens einen Einzelteils außerhalb des Fügebereiches entspricht.
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Es ist dadurch ein Karosseriebauteil realisiert, welches hinsichtlich seiner Härte zwar eine Schwächung im Fügebereich der Einzelteile aufweist. Diese Schwächung ist jedoch erheblich geringer als bei einem bekannten Karosseriebauteil, deren Einzelteile zuerst separat voneinander warmumgeformt werden und anschließend ein Zusammensetzen der Einzelteile mittels Schweißen erfolgt. Das erfindungsgemäße Karosseriebauteil ist dadurch bei Grenzbaubelastungen wesentlich haltbarer als die bekannten Karosseriebauteile.
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Der Unterschied der Härte im Fügebereich gegenüber der Härte außerhalb des Fügebereiches bezieht sich im Wesentlichen auf einen mittleren Härtewert bezogen auf den Fügebereich sowie einen mittleren Härtewert bezogen auf die Härte des Einzelteiles außerhalb des Fügebereiches. Die Härteunterschiede sind auf eine Härte gemessen nach Vickers bezogen.
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Ein weiterer eigenständiger Gedanke der Erfindung betrifft eine A-, B-, C- oder D-Säule für ein Kraftfahrzeug, welches insbesondere mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt ist, mit wenigstens zwei miteinander verbundenen Einzelteilen.
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Es ist vorgesehen, dass im eingebauten Zustand der Säule eines der Einzelteile unten und das andere der Einzelteile oben zu liegen kommt.
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Durch diese Maßnahme kann die Säule auf die im Betrieb des Fahrzeuges auftretenden Belastungen sowie auf den Crashfall in einfacher Weise optimiert werden. Denn dem Crash-relevanten unteren Bereich der Säule ist eines der Einzelteile zugeordnet, so dass durch die Dimensionierung und Gestaltung dieses Einzelteiles bereits dem Crashfall in optimaler Weise entgegengewirkt werden kann. Die Säule kann in einfacher Weise so ausgelegt werden, dass sie im oberen Bereich eine hohe Festigkeit aufweist und somit optimalen Personenschutz bietet und im unteren Bereich lediglich eine geringe Festigkeit aufweist, damit im Crashfall die Aufprallenergie durch eine bewusst zugelassene Deformation optimal abgebaut werden kann. Damit kann ohne lokal wirkende Umform- bzw. Bearbeitungsverfahren bereits alleine durch eine entsprechende Auswahl der Einzelteile den unterschiedlichen Bauteilanforderungen entsprochen werden.
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Es bietet sich dabei an, dass das obere Einzelteil gegenüber dem unteren Einzelteil eine höhere Festigkeit aufweist. Das untere Einzelteil ist somit weicher ausgebildet, sodass im Crashfall durch das Bauteil bzw. die Säule die auftretenden Kräfte aufgenommen werden können, indem ein hohes Maß an Verformung geleistet werden kann. Demgegenüber kommt dem oberen Bereich der Säule ein hohes Maß an Festigkeit zu, um den Anforderungen der Säule im Betrieb des Fahrzeuges optimal standhalten zu können.
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Bevorzugt weist das Karosserieteil ein drittes Einzelteil auf, an welchem das obere und das untere Einzelteil, vorzugsweise mittels thermischem Fügeverfahren, befestigt sind. Bevorzugt ist das auf diese Weise gebildete Halbzeug hohl ausgebildet.
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Es bietet sich an, dass wenigstens eines der Einzelteile aus einer Legierung, vorzugsweise Stahl, insbesondere einer Bor- oder Mangan-Legierung, besteht. Es bietet sich ferner an, dass wenigstens eines der Einzelteile aus härtbarem Material, insbesondere härtbarem Metall besteht. Dadurch kann ein Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug mit den gewünschten Bauteileigenschaften besonders gut realisiert werden.
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Es bietet sich ferner an, dass wenigstens eines der Einzelteile ein Tailored Rolled Blank oder Tailored Welded Blank ist. Unter einem Tailored Blank im Sinne der Erfindung ist eine Blechplatine zu verstehen, welche aus verschiedenen Werkstoffgüten und/oder Blechdicken zusammengesetzt ist. Es handelt sich hierbei um ein vorgefertigtes Halbzeug, welches anschließend zum Beispiel durch Tiefziehen weiter umgeformt werden kann. Das Tailored Rolled Blank wird dabei als Blechband erneut kaltgewalzt, wobei die Walzen durch auf- und abfahren unterschiedliche Blechdicken erzeugen, wodurch ein homogener Übergang zwischen zwei Dicken erreicht ist. Bei dem Tailored Welded Blank sind die einzelnen Blechplatinen aneinander geschweißt, beispielsweise mittels Laserschweißen als Stumpfstoß. Dadurch sind verschiedene Materialkombinationen und unterschiedliche Geometrien realisierbar. Die Tailored Blanks sind dabei bevorzugt aus Blech, insbesondere Stahlblech, hergestellt.
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Bezüglich einer großer Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten hinsichtlich der Werkstoffe und Geometrien des Karosseriebauteiles bietet es sich ferner an, dass wenigstens zwei der Einzelteile in ihrer Dicke und/oder ihrem Material zueinander verschieden sind. Dadurch ist durch die Auswahl des Materiales wie auch der Dicke unterschiedlichen lokalen Belastungsanforderungen an das Karosserieteil Rechnung getragen, ohne dass dazu diese Bereiche durch aufwendige zusätzliche Verfahrensschritte behandelt werden müssen.
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Ausführungsbeispiele
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1 ein bekanntes Verfahren zum Herstellen von Karosseriebauteilen für ein Kraftfahrzeug, dargestellt in einem Ablaufschema,
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2 eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Bauteilen, insbesondere Karosseriebauteilen für ein Kraftfahrzeug, dargestellt in einem Ablaufschema,
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3 eine mögliche Vorgehensweise bei der Herstellung eines aus drei Einzelteilen gebildeten Karosseriebauteiles, hergestellt nach dem Verfahren gemäß 2 und
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4 eine mögliche Vorgehensweise bei der Herstellung eines aus zwei Einzelteilen gebildeten Karosseriebauteiles, hergestellt nach dem Verfahren gemäß 2.
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1 zeigt die Vorgehensweise bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung von Karosseriebauteilen für ein Kraftfahrzeug. Bei dem bekannten Verfahren werden wenigstens zwei Einzelteile 10, 10' jeweils separat voneinander einem Warmumformen unterzogen und anschließend separat voneinander mittels eines Kühlmediums abgeschreckt. Das Warmumformen und Abschrecken ist in 1 durch die Pfeile 11, 11' angedeutet. Aus diesem Verfahrensschritt resultieren die umgeformten Einzelteile 12, 12'.
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Anschließend werden die umgeformten Einzelteile 12, 12' jeweils mechanisch bearbeitet, beispielsweise werden in die jeweiligen umgeformten Einzelteile 12, 12' Bohrungen, Öffnungen oder dergleichen Materialausnehmungen eingebracht oder Ablängungen vorgenommen. Dieser Verfahrensschritt ist durch die Pfeile 13, 13' angedeutet. Daraus resultieren mechanisch bearbeitete und umgeformte Einzelteile 14, 14'. Diese Einzelteile 14, 14' werden anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt zusammengesetzt, indem die Einzelteile 14, 14' miteinander durch Schweißen verbunden werden. Der Vorgang des Zusammensetzens der Einzelteile ist durch den Pfeil 15 angedeutet.
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Durch das Zusammenfügen der Einzelteile 14, 14' ist das Karosseriebauteil als Fertigteil 18 fertiggestellt. Bei dem bekannten Verfahren gemäß 1 werden somit sämtliche Bearbeitungsschritte an den Einzelteilen separat vorgenommen und erst am Ende erfolgt ein Zusammenbau der Einzelteile zu dem Fertigteil 16.
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2 zeigt ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Karosseriebauteilen für ein Kraftfahrzeug, welches aus zwei Einzelteilen 20, 20' gebildet ist, Die Einzelteile 20, 20' sind bevorzugt durch einen Kaltumformvorgang separat voneinander jeweils auf eine vorläufige geometrische Form gebracht. Die Einzelteile 20, 20' werden in einem ersten Verfahrensschritt zusammengesetzt, indem sie beispielsweise mittels eines stoffschlüssigen thermischen Fügeverfahrens, vorzugsweise durch Punktschweißen oder Laserschweißen, miteinander verbunden werden. Dieser Verfahrensschritt ist in 2 durch Pfeil 21 angedeutet.
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Durch das Zusammensetzen der Einzelteile 20, 20', ist ein Halbzeug 22 gebildet. Das Halbzeug 22 wird anschließend als ein ganzes Bauteil warmumgeformt, wobei das warmumgeformte Halbzeug dann mittels eines Kühlmediums abgeschreckt wird. Bevorzugt kann sich an dem Abschreckvorgang auch ein Anlassvorgang anschließen. Die Warmumformung mit anschließendem Abschrecken und gegebenenfalls einem Anlassen ist in 2 durch Pfeil 23 angedeutet. Hieraus resultiert ein warmumgeformtes Halbzeug 24, welches in einem sich anschließenden Verfahrensschritt einer mechanischen Bearbeitung unterzogen wird. Die mechanische Bearbeitung ist durch Pfeil 25 in 2 angedeutet.
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Im Zuge der mechanischen Bearbeitung können beispielsweise Öffnungen und Aussparungen sowie Bohrungen in das warmumgeformte Halbzeug 24 eingebracht werden. Auch ist selbstverständlich ein Ablängen oder andersartiges Zuschneiden des warmumgeformten Halbzeuges möglich. Hieraus resultiert das Karosseriebauteil als Fertigteil 26, welches dann für den vorbestimmten Zweck, beispielsweise als A-, B-, C- oder D-Säule oder als Schweller, Rahmenteil, Stoßfängerträger, Querträger oder dergleichen Verstärkungsteil des Kraftfahrzeuges eingesetzt werden kann.
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3 zeigt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel der Herstellung eines aus drei Einzelteilen 31, 32, 33 hergestellten Karosseriebauteiles in Art einer großen B-Säule 30. Die Einzelteile 31, 32, 33 bestehen vorzugsweise aus Stahl, insbesondere Bor-legiertem Stahl.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Einzelteil 32 aus einem nicht härtbaren Metall, z. B. mikrolegiertem Stahl, und die Bauteile 31 und 33 aus einem Bor-legiertem Stahl bestehen. Auch kann es sein, dass die Bauteile 31 und 33 aus einem nicht härtbaren Metall und das Bauteil 32 aus Bor-legiertem Stahl bestehen. Unter nicht härtbarem Metall wird ein Metall verstanden, dass bei Erwärmung über Austenitisierungstemperatur und anschließendem Abschrecken in ein martensitisches Gefüge in seiner Härte unverändert bleibt.
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Die Einzelteile 31, 32, 33 sind bevorzugt als Stanzteile oder Walzteile hergestellt und weisen bereits eine geometrische Form auf, welche eine Vorstufe für die Geometrie am Fertigteil 30 darstellt. Die Einzelteile 31, 32, 33 werden in einem ersten Verfahrensschritt zu einem Halbzeug 34 gemäß Pfeil 35 zusammengesetzt. Bevorzugt bildet dabei das Einzelteil 32 einen unteren Bereich der Säule 30 und das Einzelteil 33 einen oberen Bereich der Säule 30 in deren montierte Lage. Das Einzelteil 31 erstreckt sich bevorzugt von dem unteren Bereich bis in den oberen Bereich der Säule 30. Durch die Einzelteile 31, 32, 33 ist die Säule 30 hohl ausgebildet, wobei der Hohlraum sich in Längsrichtung der Säule 30 erstreckt.
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Das Zusammenfügen der Einzelteile 31, 32, 33 kann beispielsweise mittels Laserschweißen, vorzugsweise in Art von Punktschweißen vorgenommen werden.
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Anschließend erfolgt ein Warmumformen des Halbzeuges 34, wobei das Halbzeug 34 über Rekristallisationstemperatur gebracht wird.
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Nach dem Warmumformen erfolgt ein rasches Abkühlen bzw. Abschrecken des Halbzeuges 34, wodurch das Halbzeug 34 eine hohe Festigkeit erhält. Der Verfahrensschritt des Warmumformens mit anschließendem Abschrecken ist durch Pfeil 36 angedeutet. Hieraus resultiert ein warmumgeformtes Halbzeug 37.
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In einem weiteren Schritt erfolgt eine mechanische Bearbeitung des warmumgeformten Halbzeuges 37. Dabei werden beispielsweise Lochungen, Aussparungen oder dergleichen Materialausnehmungen vorgenommen. Auch wird das warmumgeformte Halbzeug 37 auf die endgültigen Abmessungen beschnitten.
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Nach dem mechanischen Bearbeiten des warmumgeformten Halbzeuges 37 gemäß Pfeil 38 ist das Fertigteil der B-Säule 30 fertiggestellt. Das auf diese Weise hergestellte Konstruktionsbauteil ist mittels einfacher Werkzeuge unter optimaler Materialausnutzung realisierbar. Durch die Warmumformung sind bei dem Zusammenfügen der Einzelteile mittels thermischem Fügeverfahren gebildete Schweißnähte normalisiert. Schweißnaht und Wärmeeinflusszone werden im Zuge des Warmumformens gleichermaßen erwärmt und abgekühlt.
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4 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines aus zwei Einzelteilen 41, 42 gebildeten Karosseriebauteiles 40, welches vorzugsweise eine große B-Säule eines Kraftfahrzeuges ist.
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Die Einzelteile 41, 42 sind bereits durch Stanzen oder Walzen in eine vorläufige Geometrie gebracht und dann zu einem mittels thermischen Fügens, wie beispielsweise mittels Schweißen, zu einem Halbzeug 44 zusammengefügt. Die Einzelteile 41, 42 sind in der Weise miteinander verbunden, dass das Halbzeug 44 ein längliches geschlossenes Profil bildet, welches in Richtung seiner Längserstreckung hohl ausgebildet ist. Die längsseitigen Enden des Halbzeuges 44 können verschlossen oder offen sein. Das Halbzeug 44 wird nun warmumgeformt, indem es zuerst auf über Austenitisierungstemperatur erwärmt wird und dann in diesem erwärmten Zustand in Längsrichtung umgeformt bzw. gebogen wird.
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In einem zweiten Warmumformschritt, wird das noch immer auf über Austenitisierungstemperatur befindliche Halbzeug dann durch Einlassen von unter Druck stehendem Medium in den Hohlraum des Halbzeuges 44 gegen die Innenwände eines Formwerkzeuges expandiert. Nach diesem zweiten Warmumformvorgang erfolgt ein Abschrecken des heißen umgeformten Halbzeuges in der Weise, dass in dem abgekühlten Zustand dann das Halbzeug ein ausschließlich martensitisches Werkstoffgefüge aufweist. Hieran schließt sich ein mechanisches Bearbeiten des warmumgeformten und abgeschreckten Halbzeuges 44, indem Aussparungen und Öffnungen eingebracht werden und/oder ein Ablängen auf vorgegebene Längenmaße erfolgt. Die Erwärmung des Halbzeuges 44 sowie die sich daran anschließenden Warmumformvorgänge und die wiederum sich anschließende mechanische Bearbeitung sind zusammengefasst durch den Pfeil 45 dargestellt.
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Aus den vorgenannten Bearbeitungsschritten gemäß Pfeil 45 resultiert das Karosseriebauteil 40 als Fertigteil, welches in 4 in zwei Ansichten, nämlich in Vorderansicht und Hinteransicht dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Einzelteil
- 11, 11'
- Pfeil
- 12, 12'
- umgeformtes Einzelteil
- 13, 13'
- Pfeil
- 14, 14'
- mechanisch bearbeitetes Einzelteil
- 15
- Pfeil
- 20, 20'
- Einzelteil
- 21
- Pfeil
- 22
- Halbzeug
- 23
- Pfeil
- 24
- warmumgeformtes Halbzeug
- 25
- Pfeil
- 26
- Fertigteil
- 30
- B-Säule
- 31
- Einzelteil
- 32
- Einzelteil
- 33
- Einzelteil
- 34
- Halbzeug
- 35
- Pfeil
- 36
- Pfeil
- 37
- warmumgeformtes Halbzeug
- 38
- Pfeil
- 40
- Karosseriebauteil
- 41
- Einzelteil
- 42
- Einzelteil
- 44
- Halbzeug
- 45
- Pfeil