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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vorkühlen 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 Stahlgefüge 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, könnte 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 Vorkühlschritt 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 einem 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 Vorkühlen von Blechplatinen zu schaffen, welches ein den Prozessanforderungen für entsprechend rasches, möglichst homogenes Abkühlen im Sinne einer homogenen Temperaturverteilung über die gesamte Platine nach dem Vorkühlen erlaubt, 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 4 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. Vorkühlwerkzeug dazu kommt, dass aufgrund der Wärmeausdehnung der Vorkühlplatten 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, was – 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 an der Werkzeugplatte so schwimmend gelagert ist, dass sie Wärmedehnungen ausgleichen kann.
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Zwischen der Arbeitsplatte und der Werkzeugplatte kann optional eine Isolations- und/oder Gleitschicht, die die Wärmedehnungsbewegung erleichtert, vorhanden sein. Gleichzeitig soll der Wärmeübertrag von der Arbeitsplatte auf die Werkzeugplatte vermieden werden, um eine Wärmeausdehnung der Werkzeugplatte zu unterbinden.
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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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Insbesondere ist die Arbeitsplatte an der Werkzeugplatte umfänglich in einer Nut derart gelagert, dass die Nuttiefe eine Bewegung der Arbeitsplatte in x- und y-Richtung ermöglicht, insbesondere durch eine Nuttiefe, die die Wärmedehnung übersteigt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Arbeitsplatte zur Bearbeitung von Blechen unterschiedlicher Dicken (tailored blanks) mit entsprechenden Dickenschwankungen derart ausgebildet, dass auch tailored blanks, die eine oder mehrere Stufen bzw. Versätze oder andere Dickenübergänge aufweisen, sicher und einheitlich abgekühlt werden können.
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Bei der Verwendung einer zusätzlichen Arbeitsplatte zwischen Werkzeugplatte und Platine ist von Vorteil, dass diese bei einer entsprechenden schwimmenden Lagerung ohne Verzug und mit der entsprechenden Pressung eine einheitliche uniforme Abkühlung ermöglicht. Die Arbeitsplatte wird dabei durch den Druck der ebenen bzw. entsprechend geformten Werkzeugplatte derart verformt, dass ein vollflächiger Kontakt zwischen Arbeitsplatte und Platine ermöglicht wird. Der Wärmeverzug der Arbeitsplatte wird dadurch ausgeglichen.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert.
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Es zeigen dabei:
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1: den erfindungsgemäßen Aufbau mit einer Werkzeugplatte, einer Arbeitsplatte, die an der Werkzeugplatte schwimmend gelagert angeordnet ist, und einer Blechplatine, die anliegend temperiert werden soll;
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2: die Anordnung nach 1 in einem temperierenden Zustand;
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3: eine Anordnung nach 1 für Stahlblechplatinen mit unterschiedlicher Dicke;
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4: die Anordnung nach 3 in einer geschlossenen temperierenden Stellung;
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5: eine Anordnung mit einer Werkzeug- und Arbeitsplatte nach dem Stand der Technik in geöffnetem Zustand;
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6: die Anordnung nach 5 ein geschlossenem, durch Wärmeeinleitung verzogenem Zustand.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Temperieren und insbesondere Vorkühlen 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 Vorkühlung vollständig wärmeleitend kontaktierbar ist.
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Zum Zwecke des Temperierens ist über die Fläche 4 eine Arbeitsplatte 6 angeordnet, welche bezüglich ihrer Ausdehnung vorzugsweise der Ausdehnung der Werkzeugplatte 3 entspricht, jedoch eine dünnere, deformierbare Arbeitsplatte 6 ist.
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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 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 zumindest in geschlossenem, d. h. kontaktierendem, Zustand der Arbeitsplatte 6 mit der Platine 2 und der Werkzeugplatte 3 in Kontakt steht. In Randbereichen 9 ist die Arbeitsplatte 6 in geeigneter Weise an der Werkzeugplatte 3 angeordnet.
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Um die Arbeitsplatte 6 an der Werkzeugplatte 3 anzuordnen sind Halterungen 10 entlang der Längskanten der Werkzeugplatte 3 und/oder der Arbeitsplatte 6 derart angeordnet, dass die Arbeitsplatte 6 an der Werkzeugplatte 3 zumindest in drei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen der Aufspannebene beweglich ist. Dies bedeutet, dass, wenn die Arbeitsplatte 6 in kühlem Zustand mit einer heißen Platine 2 in Kontakt gerät, sich die Arbeitsplatte 6 in zumindest derartiger Weise frei ausdehnen kann, dass es zu keiner Aufwölbung und zu keinem Verzug der Arbeitsplatte 6 kommt.
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Hierzu ist es insbesondere vorgesehen, dass bei einer quadratischen oder rechteckigen Grundform der Werkzeugplatte 3 und/oder der Arbeitsplatte 6 entlang einer Kante 9 die Arbeitsplatte 6 an der Werkzeugplatte 3 fest angeordnet ist, um die geometrische Lage der Arbeitsplatte 6 an der Werkzeugplatte 3 zu sichern, und entlang der übrigen Längskanten, insbesondere durch geeignete Nut- und Federeingriffe, die Arbeitsplatte 6 zwar in vertikaler Richtung, d. h. entsprechend der Pfeilrichtung 5, an der Werkzeugplatte 3 gesichert ist, jedoch in horizontaler Richtung ein derartiges Spiel besteht, dass die Arbeitsplatte 6 sich an der Werkzeugplatte 3 anliegend noch ausdehnen kann.
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Hierzu kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung zwischen der Werkzeugplatte 3 und der Arbeitsplatte 6 und insbesondere zwischen den Flächen 4, 8 eine Isolationsschicht 11 vorgesehen sein.
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Die Isolationsschicht 11 kann beispielsweise aus einer Keramik oder anderen gegenüber Metallen schlechter wärmeleitenden Materialien ausgebildet sein.
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Darüber hinaus kann die Schicht 11 auch als Gleitschicht ausgebildet sein, um das Gleiten und damit die Wärmeausdehnung der Arbeitsplatte 6 an der Werkzeugplatte 3 zu erleichtern. Hierzu kann die Schicht 11 auch insbesondere aus einer Lagerbronze und/oder einer Lagerbronze mit Graphiteinsätzen oder anderen Gleitmitteln versehen sein.
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Darüber hinaus ist es auch möglich, die Schicht 11 zwei- oder mehrlagig auszubilden und insbesondere arbeitsplattenseitig eine Gleitschicht vorzusehen und zwischen der Gleitschicht und der Werkzeugplatte 3 eine Isolationsschicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (3, 4) sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei bei dieser Ausführungsform die Arbeitsplatte 6 über zumindest eine Stufe oder einen Absatz oder eine sonstiges Profil 12 verfügt. Hierbei ist die Platine 2 als sogenannte tailored blank ausgebildet, d. h. aufgrund unterschiedlicher Materialgüten und/oder unterschiedlicher gewünschter Eigenschaften besitzt das Blech über seine Erstreckung unterschiedliche Dicken d1 und d2. Um diese unterschiedlichen Blechdicken d1 und d2 bezüglich der Höhe zu kompensieren und trotz unterschiedlicher Höhen einen gleichmäßigen Kontakt der Arbeitsfläche 7 auf der Platine 2 zu gewährleisten ist die Stufe 12 im Bereich des Dickensprungs von d1 zu d2 vorgesehen.
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Selbstverständlich ist dies auch bei komplexeren Formen und komplexer verlaufenden Dickensprüngen möglich.
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Um zu gewährleisten, dass durch die Verschieblichkeit der Arbeitsplatte 6 an der Werkzeugplatte 3 die Platine mit unterschiedlichen Dicken und die Arbeitsplatte mit der Stufe 12 einen sicheren Formschluss erreichen, ist die Arbeitsplatte 6 auch in diesem Fall zumindest teilbereichsweise an der Werkzeugplatte 3 derart fixiert, dass die Lage der Stufe 12 immer auch der Lage des Dickensprungs einer eingelegten Platine entspricht.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann selbstverständlich auch über zwei gegenüberliegende Werkzeugplatten 3 und 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 tailored 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 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperieren und insbesondere Vorkühlen 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
- Randbereiche
- 10
- Halterungen
- 11
- Isolationsschicht
- 12
- Absatz, Stufe
- d1
- Blechdicke
- d2
- Blechdicke
