DE102010035339B4

DE102010035339B4 - Verfahren zur Herstellung von Formbauteilen aus einer Platine aus gehärtetem warm umformbaren Stahlblech

Info

Publication number: DE102010035339B4
Application number: DE201010035339
Authority: DE
Inventors: Markus Pellmann
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: DE102010035339A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von zumindest partiell gehärteten Formbauteilen, insbesondere von Struktur- oder Karosseriebauteilen von Kraftfahrzeugen. Eine Platine aus ungehärtetem, warmumformbaren Stahlblech wird bis auf eine Temperatur im spezifischen Austenitisierungstemperaturbereich des Werkstoffs erwärmt und anschließend im Formraum (8) eines Pressenwerkzeugs (5) zum Formbauteil (1) warm umgeformt. Das Formbauteil (1) wird nach einer Zuhaltezeit des Pressenwerkzeug (5) von 0,1 sec bis maximal 3 sec aus diesem entnommen und durch zumindest partiellen Kontakt mit einem Kühlmittel (KM) abgekühlt und gehärtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formbauteilen, insbesondere von Struktur- oder Karosseriebauteilen von Kraftfahrzeugen.
Zur Gewichtsreduzierung und zur Erhöhung der Crashfestigkeit werden in der Automobilindustrie hochfeste Stahlbleche eingesetzt, die zu Formbauteilen warm umgeformt und pressgehärtet werden. Die Warmumformung und Presshärtung von Metallblechen als solches ist bekannt, beispielsweise durch die DE 24 524 86 A1 . Hierbei wird eine Metallplatine bis auf eine Temperatur im spezifischen Austenitisierungstemperaturbereich des Werkstoffs, das heißt auf eine Temperatur über der Umwandlungstemperatur AC1, vorzugsweise größer als AC3, in einer Wärmebehandlungsanlage erwärmt, anschließend in ein Pressenwerkzeug eingelegt und umgeformt. Im Pressenwerkzeug eingespannt werden die Formbauteile durch Kühlung gehärtet.
Auch in der Veröffentlichung ”Prozessnahe Umformsimulation des Presshärtens mit LS-DYNA”, sechstes LS-DYNA Anwenderforum, Frankenthal 2007, Seiten 1 bis 5 wird das Presshärten beschrieben. Bei dem kombinierten Umformen und Abschrecken wird eine Platine aus höchstfesten Vergütungsstählen zunächst bis zur Austenitisierungstemperatur in einem Ofen erwärmt. Danach wird die erwärmte Platine in ein Presswerkzeug transportiert. Beim Schließen des mit einer internen Wasserkühlung versehenen Werkzeugs wird das Bauteil umgeformt und gleichzeitig abgeschleckt.
Des Weiteren erläutern die nachveröffentlichten DE 10 2009 050 533 A1 und die DE 10 2009 014 670 A1 Verfahren und Warmformanlagen zur Herstellung von pressgehärteten Formbauteilen aus Stahlblech.
Ein entsprechendes Verfahren wird auch in der DE 103 14 115 A1 beschrieben, bei dem zunächst ein Vorfertigbauteil hergestellt wird, welches in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre austenitisiert und dann vom Ofen einem Vergütungs-/Abkühlwerkzeug zugeführt und dort zum Fertigbauteil gehärtet wird. Im Anschluss daran wird das Fertigbauteil verzinkt.
Die Technik des Presshärtens wird auch in der Veröffentlichung ”ThyssenKrupp techforum”, Prospekt Juli 2005 beschrieben.
Bei der für die Härtung notwendigen Kühlung unterscheidet man zwischen indirekter Kühlung und direkter Kühlung.
Die indirekte Kühlung erfolgt über Kühlkanäle, welche in Form von Bohrungen oder Schlitzen (Schachtkühlung) in einem definierten Abstand zur Umformoberfläche in das Werkzeug eingebracht sind. Durch diese Kanäle fließt ein Kühlmittel, in der Regel Wasser, das die von dem warmen Formbauteil an das Werkzeug abgegebene Wärme nach außen abführt. In diesem Zusammenhang kann auf die DE 10 2004 045 155 A1 verwiesen werden.
Bei der direkten Kühlung wird das Formbauteil im Warmformwerkzeug direkt mit Kühlmedium in Kontakt gebracht. Bei dem aus der DE 10 2005 028 010 B3 Warmformwerkzeug befindet sich das Unterwerkzeug der Presse innerhalb eines Flüssigkeitsbades. Dabei können sowohl Teile der Formgeometrie als auch die gesamte Formgeometrie unterhalb des Flüssigkeitsspiegels liegen. Das warm zu formende und zu härtende Blechprofil wird oberhalb des Flüssigkeitsspiegels aufgelegt und beim Zufahren der Presse durch das Oberwerkzeug in das Flüssigkeitsbad eingetaucht und in das Unterwerkzeug tiefgezogen.
Eine direkte Kühlung in einem Warmformwerkzeug ist weiterhin aus der DE 26 03 618 A1 bekannt. In der Umformfläche von Unter und Oberwerkzeug sind konzentrische Ringnuten eingebracht, in die durch die Werkzeuge hindurch geführte Kanäle münden. Durch diese Kanäle wird eine Kühlflüssigkeit bis in die Ringnuten zum direkten Kontakt mit einem zu härtenden Blechprofil geführt. Diese direkte Kühlung lässt zumindest theoretisch eine verbesserte Kühlung erwarten, da die Kühlflüssigkeit in unmittelbaren Kontakt mit dem Formbauteil gelangt.
Die DE 10 2006 042 830 B3 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils aus Stahl, bei dem vor dem Schließen des Pressenwerkzeugs der Rohling bzw. die Platine zumindest zeitweise mit Kühlmedium besprüht wird und das Kühlmedium durch Zuflusskanäle in den Gesenken geleitet wird.
Zum Stand der Technik zählt ferner noch die DE 10 2007 056 186 B3 .
Ein wesentlicher Faktor bei der Herstellung von Warmformwerkzeugen liegt in der mechanischen Bearbeitung und hier speziell in der Herstellung der Kühlmittelbohrungen, -kanäle oder -schlitze. Bei der konventionellen Warmformung wird die gesamte Wärmeenergie aus der erwärmten Platine an das Warmformwerkzeug abgegeben. Aus diesem Grund muss das Warmformwerkzeug eine sehr gute Kühlung zur Wärmeabfuhr besitzen. Diese Kühlung ist sehr aufwendig und vor allem auch kostenintensiv.
Der Erfindung liegt, ausgehend vom Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von zumindest partiell gehärteten Formbauteilen durch eine effizientere Kühlstrategie zu verbessern, so dass auch kostengünstigere Warmformwerkzeuge zum Einsatz gelangen können.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach Anspruch 1 in einem Verfahren, bei dem eine Platine aus ungehärtetem, warm umformbaren Stahlblech erwärmt und in einem Pressenwerkzeug zum Formbauteil warm umgeformt wird, wobei das Formbauteil nach einer Zuhaltezeit des Pressenwerkzeug von 0,1 sec bis maximal 3 sec aus dem Pressenwerkzeug entnommen und durch zumindest partiellen Kontakt mit einem Kühlmittel abgekühlt und gehärtet wird.
Resultierend aus der sehr kurzen Zuhaltezeit werden die Formbauteile auf einem sehr hohen Temperaturniveau entnommen. Aufgrund der kurzen Zuhaltezeit geben die Formbauteile nur einen geringen Teil der Wärmeenergie an das Pressenwerkzeug ab, wodurch die Kühlung in dem Pressenwerkzeug deutlich vereinfacht werden kann. Dies führt sowohl anlagentechnisch als auch fertigungstechnisch zu einer deutlichen Kostenreduktion.
Bei einem konventionellen Warmformprozess wird ca. 90% der Wärmeenergie der Formbauteile in das Pressenwerkzeug abgegeben (Einlegetemperatur ca. 850°C, Entnahmetemperatur ca. 100°C). Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorgehensweise werden in Folge der kurzen Zuhaltezeit nur ca. 15% der Wärmeenergie in das Pressenwerkzeug eingetragen. Der Rest der Wärmeenergie wird über das anschließende Abkühlen abgeführt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6.
Vorzugsweise erfolgt die Abkühlung des Formbauteils in einem Kühlmittelbad. Hierbei werden die Formbauteile unterhalb der Martensit-Starttemperatur abgekühlt und gehärtet. Als Kühlmittel kommt insbesondere Wasser zur Anwendung, dessen hohe Verdampfungsenthalpie den Kühlvorgang begünstigt.
Die Effizienz des Wärmeübergangs und damit der Kühlvorgang kann dadurch gesteigert werden, dass die Formbauteile bei der Abkühlung bewegt werden. Dies kann im Kühlmittelbad erfolgen oder an Luft, während die Formbauteile mit Kühlmittel beaufschlagt werden.
Durch Variation der Zuhaltezeit im Bereich von 0,1 sec bis 3 sec können in den Formbauteilen Zwischenstufengefüge eingestellt werden. Durch eine Variation der Zuhaltezeit lässt sich die Bauteilentnahmetemperatur aus dem Pressenwerkzeug steuern. Durch diese Variation der Temperaturführung lassen sich in den Formbauteilen verschiedenste Gefüge-, Bauteil- und Festigkeitseigenschaften einstellen.
Eine weitere Möglichkeit, um Zwischenstufengefüge in den Formbauteilen zu erzeugen, besteht darin, die Transferzeit von der Entnahme des Formbauteils aus dem Pressenwerkzeug bis zur Abkühlung zu steuern und definiert zu variieren, um so den Austenitzerfall im Stahlwerkstoff des Formbauteils zu steuern.
Die Formbauteile können komplett gehärtet oder partiell gehärtet hergestellt werden. Zur partiellen Härtung werden die Formbauteile nach der Entnahme aus dem Pressenwerkzeug nur in Teilbereichen mit Kühlmittel beaufschlagt. Die Teilbereiche werden mit einer kritischen Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt und gehärtet. Demzufolge ergeben sich in den hergestellten Formbauteilen mindestens zwei unterschiedliche Festigkeitsbereiche.
Vorzugsweise kann das Pressenwerkzeug mit geeigneten Mitteln wie Wasser oder Öl temperiert werden. Durch eine Temperierung ist es beispielsweise möglich, nach einer Produktionsstörung direkt mit stabilen Parametern die Produktion fortzusetzen. Weiterhin kann auf diese Weise der Temperaturunterschied zwischen dem Pressenwerkzeug und dem Formbauteil so gering wie möglich gehalten werden, um nach dem Abpressen die Temperaturgradienten im Formbauteil klein zu halten. Ferner kann durch ein temperiertes Pressenwerkzeug die Zuhaltezeit im Werkzeug in Richtung von 3 sec verlängert werden. Dies ist vorteilhaft, wenn beispielsweise das Warmformen nicht auf einer mechanischen Presse erfolgt, sondern auf einer hydraulischen Presse, die höhere Umschaltzeiten zwischen der Aufwärts- und der Abwärtsbewegung aufweist.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert, dabei zeigt:
1 schematisch den Verfahrensablauf bei der Herstellung eines gehärteten Kraftfahrzeug-Formbauteils.
Zur Herstellung eines Formbauteils 1 wird eine Platine 2 aus ungehärtetem warmformbaren Stahlblech bereitgestellt. Die Platine 2 ist entsprechend der Kontur des herzustellenden Formbauteils 1 fertigungsgerecht geschnitten.
Die Platine 2 wird in einem Ofen 3 auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt. Die erwärmte Platine 2 wird dann mittels eines Manipulators 4 aus dem Ofen 3 genommen und in ein Pressenwerkzeug 5 (Warmformwerkzeug) überführt. Das Pressenwerkzeug 5 umfasst im Wesentlichen ein Oberwerkzeug 6 und ein Unterwerkzeug 7, die relativ zueinander verlagerbar sind. Zwischen dem Oberwerkzeug 6 und dem Unterwerkzeug 7 ist ein Formraum 8 ausgebildet. Über einen Kühl-Heizkreislaufes 9 mit integriertem Wärmetauscher 10 ist das Pressenwerkzeug 5 temperierbar. Die Zu- bzw. Abfuhr von Wärmetauschermedium ist durch die Pfeile WM1 und WM2 gekennzeichnet.
Die Schließbewegung des Pressenwerkzeugs 5 ist durch den Pfeil P gekennzeichnet. Die Umformung der Platine 2 im Formraum 8 des Pressen Werkzeugs 5 erfolgt beim Schließen des Pressenwerkzeugs 5. Bereits nach einer Zuhaltezeit des Pressenwerkzeugs 5 von 0,1 sec bis maximal 3 sec wird das Formbauteil 1 mittels eines Manipulators 11 aus dem Pressenwerkzeug 5 entnommen und mittels einer Kühleinrichtung 12 zumindest partiell mit einem Kühlmittel KM beaufschlagt und herbei abgekühlt und gehärtet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Formbauteil 1 in der Kühleinrichtung 12 von einem Greifer 13 aufgenommen und durch ein Kühlmittelbad 14 bewegt. Die rotierende Bewegung ist durch den Pfeil B gekennzeichnet. Die Abkühlgeschwindigkeit des Formbauteils 1 im Kühlmittelbad 14 ist größer als die kritische Abkühlgeschwindigkeit des Werkstoffs, so dass das Formbauteil 1 auf eine Temperatur unterhalb der Martensit-Starttemperatur abgekühlt wird und vollständig härtet. Nach dem Abkühlen wird das fertige Formbauteil 1 durch einen weiteren Manipulator 15 aus der Kühleinrichtung 11 entnommen und der Weiterverarbeitung zugeführt.
Aufgrund der kurzen Zuhaltezeit werden die Formbauteile 1 auf einem sehr hohen Temperaturniveau dem Pressenwerkzeug 5 entnommen. Die Formbauteile 1 geben in Folge der kurzen Zuhaltezeit nur einen geringen Teil der Wärmeenergie an das Pressenwerkzeug 5 ab. Hierdurch kann die Kühlung des Pressenwerkzeugs 5 vereinfacht werden.
Die Kühlung des Formbauteils 1, bei der der wesentliche Teil der Wärmeenergie abgeführt wird, erfolgt in der Kühleinrichtung 12. Die Wärmeenergie wird durch das Kühlmittelbad 14 aufgenommen. Durch die Kühlung der Formbauteile 1 im Kühlmittelbad 14 erfolgt eine Gefügeumwandlung des Werkstoffs. Das austenitische Gefüge geht in ein martensitisches Gefüge über, das sich durch große Härte und hohe Zugfestigkeit auszeichnet.
Durch Variation der Zuhaltezeit im Pressenwerkzeug 5 im Bereich zwischen 0,1 sec und 3 sec lassen sich Zwischenstufengefüge in den Formbauteilen 1 einstellen. Des Weiteren kann die Transferzeit von der Entnahme der Formbauteile 1 aus dem Pressenwerkzeug 5 bis zur Abkühlung in der Kühleinrichtung 12 variiert werden, wodurch wiederum Zwischenstufengefüge in den Formbauteilen 1 erzeugt werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Formbauteilen aus einer Platine aus ungehärtetem, warm umformbaren Stahlblech, wobei die Platine erwärmt, in einem Pressenwerkzeug zum Formbauteil warm umgeformt und anschließend zumindest partiell gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Formbauteil (1) nach einer Zuhaltezeit des Pressenwerkzeug (5) von 0,1 sec bis maximal 3 sec aus dem Pressenwerkzeug (5) entnommen und anschließend durch zumindest partiellen Kontakt mit einem Kühlmittel (KM) abgekühlt und gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Formbauteil (1) durch Variation der Zuhaltezeit Zwischenstufengefüge eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferzeit von der Entnahme des Formbauteils (1) aus dem Pressenwerkzeug (5) bis zur Abkühlung steuerbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressenwerkzeug (5) temperiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Formbauteils (1) in einem Kühlmittelbad (KM) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Formbauteil (1) bei der Abkühlung bewegt wird.