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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Blechbauteilen gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Umformwerkzeug zum Umformen einer abgewalzten Blechplatine gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 14.
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Metallbauteile finden häufig in der Automobilindustrie Verwendung. Durch maßgeschneiderte Variation des Wanddickenprofils ist es möglich, Belastungen besser auf das Bauteil zu verteilen und ein optimiertes Crashverhalten herbeizuführen. Als Ausgangsmaterial für derartige Bauteile sind Platinen, die beispielsweise mit zusätzlichen Patches verstärkt werden oder aber aus mehreren miteinander verschweißten Einzelbauteilen bestehen, bekannt.
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Aus dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, durch einen entsprechend angepassten Walzprozess, Platinen mit variabler Blechdicke zu produzieren. Beispielsweise wird der Abstand von zwei Walzen während eines Walzprozesses derart kontrolliert verfahren, sodass eine definierte Dickenänderung des Metalls erreicht wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 22 45 650 A1 bekannt.
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Bei Platinen, die mit zuvor beschriebenen Walzprozessen hergestellt werden, verläuft die Dickenänderung symmetrisch zu einer Mittelebene des Metallbandes bzw. der Metallplatine. Der Abstand der Mittelebene ist somit zur Oberseite und Unterseite bei dem betrachteten Flächenbereich immer gleich. Die Dickenvariation kommt dann durch eine Variierung des Abstandes zustande, wobei der Abstand von der Mittelebene zur Oberseite und zur Unterseite immer gleichsam variiert. Bei einer Blechplatine mit 2 unterschiedlichen Blechdicken entsteht somit ein Dickensprung zwischen den beiden Bereichen unterschiedlicher Blechdicke.
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Für die Weiterverarbeitung derartig hergestellter Blechplatinen mit verschiedenen Dickenbereichen ist der Dickensprung insbesondere bei Koppelungsprozessen beispielsweise thermischem Fügen oder Kleben nur suboptimal. Entweder müssen die zu koppelnden Bauteile eine Oberflächengeometrie aufweisen, die der des Dickensprunges an einer Seite entspricht, oder aber es muss durch vermehrte Hinzugabe von Schweißzusatzwerkstoffen oder Klebstoffen der Dickensprung ausgeglichen werden. Dies führt jedoch zu einer nur suboptimalen Koppelung in diesen Bereichen. Bei einer Klebung leidet die Festigkeit der Klebeverbindung durch überschüssigen Klebstoff bzw. zu dick aufgetragenen Klebstoff, im Falle einer Schweißung ist durch Hinzugabe von den Dickensprung ausgleichenden Schweißzusatzwerkstoff ein erhöhter Wärmeeintrag und somit eine Festigkeitsänderung in diesem Bereich zu verzeichnen.
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Gerade unter Berücksichtigung der Ausbildung gezielt deformierbarer bzw. steifer Bereiche in Kraftfahrzeugstrukturbauteilen, beispielsweise in Kraftfahrzeugsäulen oder aber Fahrzeugtüren oder ähnlichem, ist es hier jedoch von besonderer Bedeutung, eine hohe Produktionsgenauigkeit bei gleichzeitiger Möglichkeit von gezielt einstellbaren Produkteigenschaften herzustellen.
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Ein hierzu bekannter Lösungsansatz ist etwa aus der
DE 100 41 280 A1 bekannt. Hierbei wird der Dickenübergang durch einen komplexen Walzprozess derart erzeugt, dass nur eine Seite der herzustellenden Blechplatine mit Bereichen von einander unterschiedlichen Blechdicken erzeugt wird. Ein komplexes und aufwändiges Steuerungs- und Regelungsverfahren steuert dabei den Abstand der Walzenpaare, die Walzgeschwindigkeit mit denen die Blechplatinen durch den Walzvorgang bearbeitet werden.
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Weiterhin ist aus der
DE 100 41 281 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem eine Blechplatine mit unterschiedlichen Blechdicken formtechnisch derart bearbeitet wird, dass an einer Außenseite der Blechplatine eine durchgehende Planfläche erzeugt wird. Dieses Verfahren erfordert hohe Umformkräfte und bildet im Bereich des Dickenübergangs eine starke Kornverschiebung und Gefügeumwandlung aus. Diese Umwandlung wirkt sich negativ auf die herzustellenden Festigkeitswerte eines solchen Bauteils aus. Das Verfahren ist weiterhin von einer hohen Produktionsgenauigkeit der walztechnisch hergestellten Blechplatine abhängig, da die Werkzeuge eine exakte Positionierung des Dickenüberganges erfordern. Erfolgt diese exakte Positionierung nicht, ist das aus der
DE 100 41 281 A1 bekannte Verfahren fehleranfällig und führt zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß bzw. beim Warmformen zu einer nicht optimalen Abkühlung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ausgehend vom Stand der Technik, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem es möglich ist, Blechplatinen umformtechnisch mit hoher Präzision unter Berücksichtigung von auftretenden Bauteiltoleranzen zu bearbeiten.
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Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Umformwerkzeug aufzuzeigen, mit dem es möglich ist, abgewalzte Blechplatinen umformtechnisch so zu bearbeiten, dass geringe Umformkräfte notwendig sind und eventuelle Bauteiltoleranzen der Blechplatine durch das Umformwerkzeug ausgeglichen werden.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen von Blechbauteilen mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird mit einem Umformwerkzeug zum Umformen einer abgewalzten Blechplatine gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 14 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Blechbauteilen ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- – Walztechnisches Bearbeiten einer Blechplatine, so dass die Blechplatine mindestens zwei Bereiche mit voneinander verschiedenen Materialdicken aufweist, nämlich einen Dickbereich und einen Dünnbereich, wobei ein Dickenprofil im Wesentlichen symmetrisch zu einer Mittelebene der Blechplatine verläuft;
- – Einlegen der Blechplatine in ein Umformwerkzeug mit einem Stempel und einer Matrize;
- – Anlegen des Stempels auf einer Stempelseite der Blechplatine, so dass ein an dem Stempel ausgebildeter Anpressnocken zur Anlage an der Stempelseite kommt;
- – Umformen der Blechplatine zu einem Blechbauteil.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eventuell auftretende Bauteiltoleranzen einer abgewalzten Blechplatine beim Einlegen der Blechplatine in das Werkzeug durch die umformtechnische Bearbeitung mittels Nocken auszugleichen. Im Rahmen der Erfindung besteht eine abgewalzte Blechplatine maßgeblich aus mindestens zwei Bereichen unterschiedlicher Dicke, wobei ein Dickbereich eine höhere Materialdicke gegenüber einem Dünnbereich aufweist. Die beiden Bereiche werden von einem Übergangsbereich miteinander verbunden. Ein solcher Übergangsbereich kann nur wenige Millimeter breit sein, kann jedoch auch bis zu mehreren hundert Millimeter betragen. Die Dickenabnahme im Übergangsbereich beträgt dabei unter Umständen nur 0,5 mm, sie kann jedoch auch bis zu mehreren Millimeter betragen.
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Bei Abwalzfehler behafteten Blechplatinen oder aber bei falsch eingelegten Blechplatinen sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass durch mindestens einen Anpressnocken zunächst die Blechplatine an die Matrize anpresst und beim weiteren Schließen des Umformwerkzeuges die Blechplatine an die zweite Werkzeughälfte angepresst wird. Hierdurch wird ein Verspannen des Bleches über den Nocken erreicht und gleichzeitig eine minimale Sicke ausgebildet.
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Vorzugsweise sind Hohlräume gegenüber dem Nocken eingebracht, so dass ein Ausgleich oder ein Verschieben des Bleches beim Einlegen möglich ist. Der Hohlraum bietet ebenfalls die Möglichkeit der Kompensation von Dickenfehlern, insbesondere wenn das Blech im Bereich des Nockens dicker als erwartet ist. Die Blechplatine in Verbindung mit dem Nocken folgt dabei dem Prinzip eines Kettenspanners, wodurch ein vollständiges Schließen des Umformwerkzeuges realisiert wird. Insbesondere ist ein Vorteil des Verfahrens, dass es beim Kaltformen zu einer kontrollierten Umformung im Bereich des Nockens kommt, ohne dass eine undefinierte Wellenbildung auftritt. Beim Warmformen hingegen ist immer ein mindestens einseitiger Kontakt zum Werkzeug gegeben, so dass die zum Presshärten notwendige Abkühlung des Bleches sichergestellt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stempel an die Matrize angepresst, so dass die dazwischen befindliche Blechplatine zu dem gewünschten Blechbauteil umgeformt wird, wobei ein Matrizennocken an der Matrize auf der Matrizenseite des Blechbauteils eine Sicke ausbildet. In diesem Fall sind zwei Nocken ausgebildet, zum einen ein Anpressnocken, zum anderen ein Matrizennocken, welche bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für eine doppelte Spannung des Bleches beim Schließen des Umformwerkzeugs führen. Es wird somit an dem Blech ein im Querschnittsverlauf S-förmiger oder Z-förmiger Spannbereich ausgebildet, der dafür sorgt, dass keine unkontrollierte Wellenbildung auftritt bzw. eventuelle Bauteillängentoleranzen oder aber Dickentoleranzen kompensiert werden.
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In einer weiteren erfindungsgemäß vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens wird bei geschlossenem Umformwerkzeug ein sich von dem Anpressnocken in Richtung Blechbauteilrand erstreckender Abschnitt vollständig an den Stempel angelegt, wobei auf der dem Abschnitt gegenüberliegenden Matrizenseite des Blechbauteils zumindestens abschnittsweise zwischen der Matrizenseite und der Matrize ein Hohlraum gebildet wird. Durch die Anlage an dem Stempel selber ergibt sich insbesondere hier die Möglichkeit der genauen Formgebung. Das herzustellende Blechbauteil erfährt dadurch die exakt durch das Werkzeug vorgegebene Geometrie auf der Stempelseite. Durch den vorgegebenen Hohlraum auf der Matrizenseite werden eventuelle Bauteiltoleranzen ausgeglichen, ohne sich nachteilig auf das herzustellende Blechbauteil auszuwirken. Weiterhin werden nur geringe Umformkräfte benötigt, da bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens stets ein vollständiges Schließen des Umformwerkzeugs sichergestellt ist.
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Vorzugsweise wird bei geschlossenem Umformwerkzeug ein sich von den Matrizennocken in Richtung Blechbauteilrand erstreckender Abschnitt vollständig an der Matrize angelegt, wobei auf der diesem Abschnitt gegenüberliegenden Stempelseite des Blechbauteils zumindest abschnittsweise zwischen der Stempelseite und dem Stempel ein Hohlraum gebildet wird. Hierzu ergeben sich die analogen Vorteile, wie bereits zuvor ausgeführt. Insgesamt ergeben sich somit nur geringe Betriebskosten bei der Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei gleichzeitig hoher Genauigkeit der herzustellenden Blechbauteile.
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Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren auf einem Warmformwerkzeug durchgeführt. Weiterhin besonders bevorzugt wird das umgeformte Blechbauteil in dem Umformwerkzeug durch Abschrecken pressgehärtet. Das Abschrecken kann bereits während des Umformens oder aber nach Abschluss des Umformens durchgeführt werden. Hierbei wird vorzugsweise eine auf über AC3-Temperatur erhitzte Blechplatine warmumgeformt und durch Abkühlen in dem Werkzeug pressgehärtet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich somit bei dem Einsatz von nur geringen Umformkräften, Blechbauteile hoher Genauigkeit und mit hohen Härteraten, bei gleichzeitig homogener Härtung des Blechbauteils, herstellen. Durch die zumindest immer einseitig sichergestellte Anlage an dem Umformwerkzeug ist eine optimale Wärmeabfuhr während des Abschreckens gegeben, weshalb die Taktzeiten bei der Herstellung von Blechbauteilen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gesenkt werden können, bei zumindest gleichbleibender oder steigender Produktqualität.
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Weiterhin besonders bevorzugt wird beim Umformen der Blechplatine zu dem Blechbauteil an dem Blechbauteil im Querschnittsverlauf durch einen Versatz des Matrizennockens zu dem Anpressnocken eine Wellenform ausgebildet. Diese Wellenform kann S-förmig, Z-Förmig oder ähnlich der Mischform ausgebildet werden. An dem Werkzeug selber sind die beiden Nocken in Blechebenenrichtung versetzt. Durch das Umformen selber wird somit über den Versatz eine Sicke an Stempelseite und Matrizenseite des herzustellenden Blechbauteils selbst ausgebildet. Der Querschnittsverlauf an diesem Sickenversatz selber hat eine wellenförmige, insbesondere Z- oder S-förmige Geometrie. Auch hier kommt wiederum ein Prinzip eines Federspanners zur Anwendung.
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Bevorzugt wird hierbei an der Matrizenseite eine Sicke ausgebildet und an der Stempelseite eine Sicke ausgebildet, wobei die Sicken aufgrund des Versatzes des Matrizennockens zu dem Anpressnocken einen Sickenversatz zueinander aufweisen.
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Besonders bevorzugt werden bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens Blechplatinen mit einer Materialdicke zwischen 0,5 und 5 mm, insbesondere zwischen 0,8 und 3,5 mm und besonders bevorzugt zwischen 1,2 und 2,5 mm verarbeitet.
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Während des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Abwalzgrad an der gewalzten Blechplatine von maximal 50% der Materialdicke selber hergestellt. Der nachfolgende Umformverfahrensschritt kompensiert hier optimal in Verbindung mit den zuvor genannten Blechdicken auftretenden Produktionstoleranzen des walztechnischen Bearbeitens. Insbesondere besitzt die Sicke eine Breite im Querschnitt von mindestens dem 0,75-fachen des Dünnbereichs an der Blechplatine. Vorzugsweise wird während des Umformens selber keine wesentliche Veränderung der Blechdicke erzeugt.
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Weiterhin besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren ergänzt durch ein fügetechnisches Weiterverarbeiten des hergestellten Blechbauteils. Hierbei wird insbesondere stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig gefügt. Beispielsweise wird ein Schweißprozess oder aber ein Klebeprozess und/oder ein Durchsetzfügen, beispielsweise Clinchen, angewendet. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere dazu, für die nachfolgende Fügeoperation herzustellende Fügeflächen mit besonders hoher Produktionsgenauigkeit herzustellen. Insbesondere werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Seiten des Blechbauteils präzise hergestellt, die für die anschließende Fügeoperation von wichtiger Bedeutung sind.
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Hierzu wird insbesondere die Sicke durch den Matrizennocken und/oder den Stempelnocken derart ausgebildet, dass die dadurch erzeugten schiefen Bereiche in Bereichen des Blechbauteils liegen, die nicht für eine spätere Fügeoperation benötigt werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Umformwerkzeug zum Umformen einer abgewalzten Blechplatine zu einem Blechbauteil, wobei das Umformwerkzeug eine Matrize und einen Stempel aufweist. Erfindungsgemäß ist das Umformwerkzeug dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel und/oder die Matrize einen Nocken in einem Dickenübergangsbereich der abgewalzten Blechplatine aufweist, wobei bei geschlossenem Umformwerkzeug auf der dem Nocken gegenüberliegenden Seite zwischen dem Blechbauteil und der Matrize und/oder Stempel zumindest abschnittsweise ein Hohlraum ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß können abgewalzte Blechplatinen mit dem Umformwerkzeug derart bearbeitet werden, dass bei Einsatz von nur geringen Umformkräften stets ein vollständiges Schließen des Umformwerkzeuges gegeben ist. Die Blechplatinen weisen dazu einen Dickbereich und einen Dünnbereich auf, wobei der Dickbereich und der Dünnbereich durch einen Dickenübergangsbereich miteinander gekoppelt ist. Durch den zumindest einen eingebrachten Hohlraum auf der gegenüberliegenden Seite des Nockens, ist ein Ausgleich bei einem Verschieben des Bleches beim Einlegen möglich. Ebenso ist ein Ausgleich von auftretenden Produktionstoleranzen der Blechdicke des abgewalzten Bleches möglich. Die Größe und die Länge des Hohlraums kann dabei entsprechend der zu erwartenden Einlegetoleranzen und/oder Produktionstoleranzen ausgelegt sein.
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Im Rahmen der Erfindung ist eine weitere Ausführungsvariante des Umformwerkzeuges dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken über eine komplette Werkzeughälfte zumindest bereichsweise ausgebildet ist und nur auf der dem Nocken gegenüberliegenden Seite ein Hohlraum bei eingelegter Blechplatine und geschlossenem Umformwerkzeug vorhanden ist. Beispielsweise kann der gesamte Stempel nockenförmig ausgebildet sein, so dass ein Hohlraum im Wesentlichen über einen großen Bereich der Matrize verläuft und somit eine zumindest einseitige Anlage der Blechplatine sichergestellt ist. Durch die einseitige vollständige Anlage besitzt die Blechplatine bzw. das hergestellte Blechbauteil auf dieser Seite eine entsprechend hohe Genauigkeit bezüglich der hergestellten Bauteilgeometrie.
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In einer weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist der Nocken im Wesentlichen mit einer Höhe ausgebildet, die der Blechdicke des Dickbereiches minus der Blechdicke des Übergangsbereichs an der Position des Nockens entspricht. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine entsprechende Spannung durch die Nocken hergestellt wird und ein entsprechend präzises Blechbauteil geformt ist. Weiterhin bevorzugt ist das erfindungsgemäße Umformwerkzeug als Warmformwerkzeug zum Warmumformen und Presshärten ausgebildet.
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Die einzelnen zuvor genannten Merkmale können für sich jeweils einzeln oder in Kombination angewandt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenfalls ist eine freie Kombination der zuvor und nachfolgend genannten Merkmale untereinander Bestandteil des erfindungsgemäßen Grundgedankens.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsformen sind in schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug und
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2 eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Umformwerkzeuges.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug 1 zum Umformen einer abgewalzten Blechplatine 2 zu einem Blechbauteil 2'. Die Blechplatine 2 weist dazu einen Dickbereich 3, einen Dünnbereich 4 und einen den Dickbereich 3 und den Dünnbereich 4 verbindenden Übergangsbereich 5 auf. Die Wanddicke W3 des Dickbereiches 3 ist damit größer als die Wanddicke W4 des Dünnbereiches 4. Von der Wanddicke W3 des Dickbereiches 3 aus nimmt die Wanddicke W5 des Übergangsbereiches 5 bis zur Wanddicke W4 des Dünnbereiches 4 ab. Die Abnahme kann dabei progressiv, degressiv oder aber linear verlaufen.
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Das erfindungsgemäße Umformwerkzeug 1 weist weiterhin einen Stempel 6 und eine Matrize 7 auf, die einen dazwischenliegenden Formhohlraum 8 bilden. An dem Stempel 6 ist ein Anpressnocken 9 ausgebildet und an der Matrize 7 ist ein Matrizennocken 10 ausgebildet. Zwischen dem Anpressnocken 9 und dem Matrizennocken 10 ist in Blechebene E ein Versatz 11 ausgebildet. Der jeweils gegenüberliegende Bereich 12 des Anpressnockens 9 bzw. des Matrizennockens 10 ist durch einen Hohlraum 13 gekennzeichnet, in dem die abgewalzte Blechplatine 2 mit der Matrizenseite 14 und/oder Stempelseite 15 jeweils nicht an der Matrize 7 und/oder an dem Stempel 6 anliegt. Durch die durchgeführte Umformoperation selber wird an dem Bauteil jeweils durch den Anpressnocken 9 und den Matrizennocken 10 eine Sicke 16 ausgebildet. Die Sicke 16 auf der Stempelseite 15 weist gegenüber der Sicke 16 auf der Matrizenseite 14 einen Sickenversatz 17 auf, der durch den Versatz 11 der beiden Nocken 9, 10 zueinander hergestellt wird.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Umformwerkzeuges 1, wobei hier der gesamte Stempel 6 zumindest abschnittsweise als Nocken ausgebildet ist und auf der gegenüberliegenden Matrizenseite 14 zwischen der Matrize 7 und dem Blechbauteil 2' ein Hohlraum 8 ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umformwerkzeug
- 2
- abgewalzte Blechplatine
- 2'
- Blechbauteil
- 3
- Dickbereich
- 4
- Dünnbereich
- 5
- Übergangsbereich
- 6
- Stempel
- 7
- Matrize
- 8
- Formhohlraum
- 9
- Anpressnocken
- 10
- Matrizennocken
- 11
- Versatz
- 12
- Bereich
- 13
- Hohlraum
- 14
- Matrizenseite
- 15
- Stempelseite
- 16
- Sicke
- 17
- Sickenversatz
- E
- Blechebene
- W3
- Wanddicke zu 3
- W4
- Wanddicke zu 4
- W5
- Wanddicke zu 5
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2245650 A1 [0003]
- DE 10041280 A1 [0007]
- DE 10041281 A1 [0008, 0008]
