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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen von Stahlblechplatinen.
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Es ist bekannt, zum Erzeugen hochfester Stahlblechbauteile Stahlblech in Platinen zu schneiden, die Stahlblechplatinen anschließend auf eine Temperatur oberhalb AC3 des jeweiligen Stahlwerkstoffes aufzuheizen und damit den Stahlwerkstoff in ein teilweises oder vollständiges Austenitgefüge umzuwandeln und anschließend in einem Presshärtewerkzeug gleichzeitig in das Blechbauteil umzuformen und dabei mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit derart abzukühlen, dass sich ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge einstellt.
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Die hierfür verwendeten Stahlgüten sind Bor-Mangan-Stähle, z. B. 22MnB5.
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Es hat sich gezeigt, dass sich bei der Verwendung von derartigen presshärtenden Stählen dann Probleme ergeben, wenn diese zum Schutz vor Korrosion mit einer Zinkschicht versehen sind. Kommt ein austenitisches Gefüge beim Umformen mit flüssigem Zink in Kontakt, kann sich das als ”liquid metal embrittlement” bekannte Phänomen ergeben. Hierbei kommt es zu Rissen in der Oberfläche, die teilweise tief in das Stahlmaterial hineinragen können. Ein solches Stahlmaterial hat dann zwar eine hohe Härte, kann jedoch im Bereich der Risse schnell ermüden bzw. reißen.
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Um ein derartiges ”liquid metal embrittlement” zu vermeiden ist es vom Anmelder bekannt, einen sogenannten umwandlungsverzögerten Stahlwerkstoff einzusetzen, der noch bei Temperaturen presshärtbar ist, bei denen die peritektische Temperatur des Zink-Eisen-Diagramms bereits unterschritten ist, so dass keine flüssigen Zinkphasen mit dem Austenit während des Umformens in Berührung kommen.
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Hierfür ist es jedoch notwendig, dass das Stahlmaterial zunächst vom Coil abgezogen wird, anschließend in die vorbestimmten Platinen geschnitten wird, die geschnittenen Platinen anschließend auf eine Temperatur oberhalb AC3 erhitzt und damit zumindest teilweise in den austenitisierten Zustand gebracht werden und die Stahlplatinen nach dem Aufheizen oberhalb AC3 auf eine Temperatur unterhalb der peritektischen Temperatur des Zink-Eisen-Diagramms abgekühlt und erst anschließend umgeformt werden.
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Hierzu muss ein vorzugsweise auf das Stahlmaterial abgestimmter Kühlschritt vorgenommen werden, der jedoch eine sichere Prozessbeherrschung und damit eine noch ausreichende Temperatur für die Presshärtung gewährleistet.
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Aus der
EP 2 014 777 A1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Metallblech bekannt, wobei das Metallblech mittels Wärmeleitung thermisch behandelt wird, wobei das Blech in seiner Lage fixiert wird und mindestens eine erste Kontaktplatte mit mindestens einem ersten Flächenabschnitt des Blechs in Kontakt gebracht wird und mindestens eine zweite Kontaktplatte mit mindestens einem zweiten Flächenabschnitt des Blechs in Kontakt gebracht wird, wobei die Kontaktplatten flächig entsprechend der Kontur der Flächenabschnitte des Blechs ausgebildet sind und im Zustand der Kontaktierung mit dem Blech parallel zueinander verlaufend angeordnet sind und mindestens eine Kontaktplatte während der Kontaktierung des Blechs eine gegenüber dem Blech höhere oder niedrigere Temperatur besitzt, wobei mehrere Kontaktplatten untereinander mittels flexiblen Übergangselementen verbunden sein können.
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Bei dieser Vorrichtung ist von Nachteil, dass die Kühlung der entsprechenden Metallbleche nicht nachvollziehbar gleichmäßig erfolgt.
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Aus der
EP 2 182 082 A1 ist eine vergleichbare Vorrichtung bekannt, bei der zudem ebenfalls eine Erwärmungseinrichtung vorhanden sein kann, insbesondere eine induktive Erwärmungseinrichtung, um das zwischen den Kontaktplatten angeordnete Blech teilweise oder vollständig induktiv aufzuheizen.
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Aus der
DE 20 2013 103 764 U1 ist eine Temperierstation mit Induktorerwärmung bekannt, welche in eine Warmformlinie zum Warmumformen und Presshärten von Metallblechen eingebunden werden kann, wobei die Temperierstation einen Induktor als Wärmequelle besitzt und mittels der Temperierstation in dem Bauteil Bereiche mit voneinander verschiedenen Temperaturen einstellbar sind, wobei ein Unterwerkzeug und/oder ein Oberwerkzeug mindestens einen Flächeninduktor aufweisen und auf dem Flächeninduktor je eine Temperatierplatte zur Aufnahme des zu erwärmenden Bauteils angeordnet ist, wobei in der Temperierplatte mindestens ein Kühlkanal zur Durchleitung eines gasförmigen Kühlmediums angeordnet ist, so dass zwei Bereiche mit voneinander verschiedenen Temperaturen einstellbar sind, was letztlich dazu führt, dass ein Bauteil mit unterschiedlichen Härtebereichen erzeugt werden kann.
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Eine vergleichbare Vorrichtung ist aus der
DE 10 2012 110 649 B3 bekannt, mit der Blechbauteile mit partiell voneinander verschiedenen Festigkeitseigenschaften mit geringem Energiebedarf hergestellt werden sollen. Hierbei ist vorgesehen, dass in der Temperierstation durch den wärmeleitenden Kontakt des Blechs mit den anliegenden Temperierplatten Wärme in das Blech übertragen wird und das Blech hierbei aufgeheizt wird, insbesondere auf Temperaturen oberhalb des AC3-Punktes. Darüber hinaus können Bereiche der Blechplatine auch durch die Platten gekühlt werden. Bei einer Ausführungsform können Blechplatinen in einem gesonderten Ofen, insbesondere homogen, auf eine Temperatur vorerwärmt werden, beispielsweise auf eine Temperatur oberhalb von AC1, jedoch unterhalb von AC3, wobei dann die weitere Erwärmung innerhalb der Temperierstation von zumindestens Bereich erster Art auf eine Temperatur über AC3 erfolgt und Bereiche zweiter Art, welche weicher verbleiben sollen, auf einem Temperaturniveau zwischen AC1 und AC3 gehalten werden.
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Allen bisher bekannten Verfahren zur Direkterwärmung ist gemein, dass diese ausweislich des genannten Standes der Technik auch zum Abkühlen verwendet werden sollen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die genannten Vorrichtungen beim Abkühlen zu unterschiedlichen Bauteileigenschaften führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kühlen von Blechplatinen zu schaffen, welches einfach und sicher durchführbar ist und eine nachvollziehbare Abkühlung ergibt.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen.
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Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfinder haben herausgefunden, dass es beim Anlegen einer bereits auf oberhalb AC3 erhitzten Blechplatine in einem Temperier- bzw. Kühlwerkzeug dazu kommt, dass aufgrund der Wärmeausdehnung der Kühlplatten sich diese aufwölben. Durch diese Aufwölbung ist nicht in allen Bereichen der Stahlblechplatine mit einem vollflächigen Kontakt, zumindest einem vollflächig gleichmäßigen Kontakt, und einer vollflächig gleichmäßigen Pressung zu rechnen, so dass die Wärmeübergänge zwischen der Stahlblechplatine und den Kühlplatten uneinheitlich sind. Hierdurch kommt es zu unterschiedlichen Materialeigenschaften, welches – zumindest wenn es ungezielt erfolgt – unerwünscht ist.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch beseitigt, dass zwischen einer, den Druck auf die Platine ausübenden Werkzeugplatte bzw. beiden Werkzeugplatten und der jeweiligen Platine eine Arbeitsplatte angeordnet ist, welche mit einer Mehrzahl von schmalen Schlitzen ausgebildet ist, so dass die Wärmedehnungen nur in kleinen lokalen Bereichen auftreten und ausgeglichen werden, sodass die globale Verwölbung der Platte verhindert werden kann.
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Zwischen der Arbeitsplatte und der Werkzeugplatte kann optional eine Isolationsschicht vorhanden sein.
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Zudem kann die Arbeitsplatte mit Anschlüssen für eine Gas- und/oder Wasserdurchströmung und insbesondere Kühlmitteldurchströmung ausgebildet sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Arbeitsplatte zur Bearbeitung von Blechen unterschiedlicher Dicken (taylored blanks) mit entsprechende Stufen derart ausgebildet, dass auch taylored blanks, die eine oder mehrere Stufen bzw. Versätze aufweisen, sicher und einheitlich abgekühlt werden können.
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Bei der Verwendung einer geschlitzten Arbeitsplatte zwischen Werkzeugplatte und Platine ist von Vorteil, dass diese ohne Verzug und mit der entsprechenden Pressung eine einheitliche uniforme Abkühlung ermöglicht.
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Unter den folgenden Voraussetzungen
- x
- Tiefe der Schlitze
- D
- Dicke der Arbeitsplatte
- d
- Dicke des zu kühlenden Bleches
- b
- Schlitzbreite
- a
- Schlitzabstand
- α
- linerarer Wärmeausdehungskoeffizient [1/K]
- T_Start
- Ausgangstemperatur der Arbeitsplatte (Umgebungstemperatur)
- T_Blech
- Ausgangstemperatur des zu kühlernen Bleches
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hatte sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, die nachfolgenden Bedingungen einzuhalten:
- 1. 0,1 <= x/D <= 0,9
insbesondere
0,25 <= x/D <= 0,8
insbesondere
0,5 <= x/D <= 0,75
- 2. d/D <= 0,2 insbesondere 0,1
- 3. b/a >= α·(T_Blech – T_Start)/2
d. h. bei z. B.: 800 T_Blech – 20 T_Start (RT)/2 = 390°C
Dies mal α, bei Stahl ca. 1·10 ^–5 [1/K]
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Da im Bereich des Schlitzes selbst keine Abkühlung erfolgt, darf b hier nicht zu breit werden. Eine zweite Bedingung ist daher, dass b < d/2.
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Bei einer Verwendung von geschlitzten Arbeitsplatten auf beiden Flächenseiten einer Platine ist es zudem vorteilhaft, die Schlitze gegeneinander in beiden Richtungen der Kühlebene um die halbe Schlitzbreite zu versetzen.
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Vorzugsweise sind die Schlitze oberhalb bzw. in Bearbeitungsrichtung fluchtend mit den Kühlkanälen angeordnet.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Schlitze, um die Reinigung zu verbessern, im Bereich ihrer plattenoberseitigen Mündung breiter als im Fußbereich, um das Herausfällen von Verschmutzungen oder das Austreiben von Verschmutzungen zu erleichtern.
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Bei der Erfindung kann vorteilhafterweise die geschlitzte Arbeitsplatte an einer wassergekühlten Werkzeugplatte angeordnet sein.
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Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß möglich, dass entsprechende Kühlschlangen bzw. Kühlleitungen auch in der Arbeitsplatte selbst angeordnet werden.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
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1: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus mit einer Werkzeugplatte, einer geschlitzten Arbeitsplatte und einer abzukühlenden Platine;
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2: ein Diagramm zeigend den Härte- bzw. Festigkeitsverlauf über die Plattenlänge bei einer Arbeitsplatte ohne Einschnitte;
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3: ein Diagramm mit dem Härte- bzw. Festigkeitsverlauf über die Arbeitsplattendicke und die erzielbare Vergleichmäßigung bei Verwendung von geschlitzten Platten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Temperieren und insbesondere kühlen einer Stahlblechplatine 2 besitzt zumindest eine massive Werkzeugplatte 3, welche mit einer Bearbeitungsseite 4 voran auf eine Platine 2 zu (Pfeilrichtung 5) und von dieser weg beweglich ist. Die Werkzeugplatte 3 besitzt dabei eine Ausdehnung, die vorzugsweise der räumlichen Ausdehnung einer Platine 2 entspricht oder etwas größer ist, so dass eine Platine 2 zum Zwecke der Temperierung und insbesondere Kühlung vollständig wärmeleitend kontaktierbar ist.
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Zum Zwecke des Temperierens kann über die Fläche 4 eine zusätzliche Arbeitsplatte 6 angeordnet.
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Die Platten 3, 6 können hierbei aus entsprechenden Warmarbeitsstählen oder anderen üblicherweise eingesetzten Metallen und Metalllegierungen ausgebildet sein.
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Die Werkzeugplatte 3 oder Arbeitsplatte 6 kann mit an sich bekannten Leitungen und/oder Bohrungen (nicht gezeigt) durchzogen sein, durch die ein gasförmiges oder flüssiges Temperiermedium und insbesondere ein kühlendes Gas oder eine kühlende Flüssigkeit durchleitbar ist. Dementsprechend verfügt die Arbeitsplatte 6 über zumindest einen Zulaufanschluss und einen Ablaufanschluss (nicht gezeigt).
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Arbeitsplatte 6 besitzt diese eine Mehrzahl von unterschiedlichen Leitungs- und/oder Bohrungsanordnungen, so dass die Platine 2 im direkten Kontakt mit einer Arbeitsfläche 7 der Arbeitsplatte 6 zonal unterschiedlich abgekühlt wird.
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Die Arbeitsplatte 6 ist mit einer Druckfläche 8 ausgebildet, welche zur Arbeitsfläche 7 parallel verläuft und hin zur Werkzeugplatte 3 gerichtet ist und insbesondere mit der Fläche 4 der Werkzeugplatte 3 in vorzugsweise wärmeleitendem Kontakt steht.
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Bei einer insbesondere wärmeleitenden Kontaktierung von Arbeitsplatte 6 und Werkzeugplatte 3 kann auch die Werkzeugplatte 3 eine aktiv gekühlte und insbesondere wassergekühlte Platte sein.
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Ist lediglich die Arbeitsplatte 6 gekühlt, kann zwischen der Arbeitsplatte 6 und der wassergekühlten Platte auch eine thermische Isolation (nicht gezeigt) vorgesehen sein.
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Um die Schlitze 9 in die Werkzeugplatte 3 oder Arbeitsplatte 6 einzubringen, werden die Platten 3, 6 von einer Arbeitsseite 4, 7 her schlitzförmig erodiert, so dass sich die eingeschlitzten Bereiche bilden. Hierbei kann die Tiefe der Schlitze stark variieren von etwa 10 bis fast 90 der Plattendicke. Die Breite ist hierbei relativ schmal gehalten, wobei sich die Breite grundsätzlich über die Wärmedehnung des Bereichs definiert. Die Schlitze haben hierbei einen leicht abfallenden Verlauf, um Verunreinigungen, z. B. durch Eisen- oder Zinkoxid, durch eine Reinigungsflüssigkeit (z. B. Säuren) effizient entfernen zu können.
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Zudem sind die Schlitze vorzugsweise derart erodiert eingebracht, dass die Schlitzmündung 10 breiter ist als der Schlitzboden 11, so dass auch in dieser Weise eine leichte Reinigung gegeben ist.
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Unter der Voraussetzung, dass:
- x
- Tiefe der Schlitze
- D
- Dicke der Arbeitsplatte
- d
- Dicke des zu kühlenden Bleches
- b
- Schlitzbreite
- a
- Schlitzabstand
- α
- linearer Wärmeausdehungskoeffizient [1/K]
- T_Start
- Ausgangstemperatur der Platte (Umgebungstemperatur)
- T_Blech
- Ausgangstemperatur des zu kühlenden Bleches
ist es vorteilhaft, wenn die nachfolgenden Bedingungen eingehalten werden: - 1. 0,1 <= x/D <= 0,9
insbesondere
0,25 <= x/D <= 0,8
insbesondere
0,5 <= x/D <= 0,75
- 2. d/D <= 0,2 insbesondere 0,1
- 3. b/a >= a·(T_Blech – T_Start)/2
d. h. bei z. B.: 800 T_Blech – 20 T_Start (RT)/2 = 390°C
dies mal α, bei Stahl ca. 1·10 ^–5 [1/K]
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Da im Bereich des Schlitzes keine Abkühlung erfolgt, ist als weitere Bedingung vorgesehen, dass b < d/2.
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Für den Fall, dass zwei geschlitzte Platten 3, 6 eingesetzt werden, kann in vorteilhafter Weise eine Versetzung der Schlitze der Platten gegeneinander in beide Richtungen der Kühlebene erfolgen und zwar bevorzugt um die halbe Schlitzbreite, um eine gute Kühlung bzw. Temperierung zu ermöglichen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (nicht gezeigt) verfügen die Platten 3, 6 über zumindest eine Stufe oder einen Absatz. Hierbei ist die Platine 2 als sogenannte taylored blank ausgebildet, d. h. aufgrund unterschiedlicher Materialgüten und/oder unterschiedlicher gewünschter Eigenschaften besitzt das Blech über seine Erstreckung unterschiedliche Dicken. Um diese unterschiedlichen Blechdicken bezüglich der Höhe zu kompensieren und trotz unterschiedlicher Höhen einen gleichmäßigen Kontakt der Arbeitsflächen 4, 7 auf der Platine 2 zu gewährleisten ist die Stufe im Bereich des Dickensprungs der Platine vorgesehen.
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Selbstverständlich ist dies auch bei komplexeren Formen und komplexer verlaufenden Dickensprüngen möglich.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann selbstverständlich auch über zwei gegenüberliegende Werkzeugplatten 3 und/oder zwei gegenüberliegende Arbeitsplatten 6 verfügen, welche entsprechend der Pfeilrichtung 5 aufeinander zu führbar und voneinander weg bewegbar sind, so dass eine Platine 2 zwischen den entsprechenden Arbeitsplatten 6 im Formschluss mit Druck gehalten wird, um einen Wärmeübergang von beiden Seiten zu ermöglichen.
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Auch bei einer entsprechenden Ausführungsform mit einem Dickensprung oder mehreren Dickensprüngen bei taylored blanks und den entsprechenden Stufen in den Arbeitsplatten 6 können gegenüberliegende Arbeitsplatten mit den entsprechend verlaufenden Stufen ausgebildet sein.
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Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass eine globale Verformung der bislang eingesetzten Arbeitsplatten durch Kompensation der Spannung in den Schlitzen der Arbeitsplatte vermieden wird.
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Bei der Erfindung ist weiter von Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperieren und insbesondere kühlen von durch Abschreckhärtung härtbaren Stahlplatinen einen vollflächigen, nachvollziehbaren Formschluss und dabei einen vollflächigen, nachvollziehbaren Wärmeübergang ohne Verzug der Arbeitsflächen ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Stahlblechplatine
- 3
- Werkzeugplatte
- 4
- Bearbeitungsseite
- 5
- Pfeilrichtung
- 6
- Arbeitsplatte
- 7
- Arbeitsfläche
- 8
- Druckfläche
- 9
- Schlitze
- 10
- Schlitzmündung
- 11
- Schlitzboden
