DE102017223252A1

DE102017223252A1 - Pressenanordnung sowie Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils

Info

Publication number: DE102017223252A1
Application number: DE102017223252.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Opitz; Mathias Kotzian
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-06-19
Also published as: WO2019120857A1; EP3727715A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pressenanordnung zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils (7), mit einer Wärmebehandlungseinrichtung (1), in dem eine Stahlblechplatine (4) zumindest bereichsweise bis auf über eine werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird, und mit einer Umformwerkzeug (3), in der die wärmebehandelte Stahlblechplatine (4) mit einer Einlegetemperatur (ϑ) eingelegt und in einer Umform-Prozessstufe (U) umgeformt sowie auf eine Zwischentemperatur (ϑ) abgekühlt wird, die größer als eine Entnahmetemperatur (ϑ) ist, bei der das Stahlblechteil (7) aus der Pressenanordnung entnehmbar ist, und einer prozesstechnisch nachgeschalteten Kühl-Prozessstufe (K), in der das warmumgeformte Stahlblechteil (7) bis auf die Entnahmetemperatur (ϑ) abgekühlt wird. Erfindungsgemäß ist die Kühl-Prozessstufe (K) mit zumindest einem Kühlwerkzeug (5, 6) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pressenanordnung zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlblechteils nach dem Anspruch 14.
Ein Warmumformprozess kann in bekannter Weise in direkter Warmumformung oder in indirekter Warmumformung erfolgen. Bei der indirekten Warmumformung werden die Schneid-/Umformoperationen bereits vor der Wärmebehandlung und dem Härten des Stahlblechteils durchgeführt.
In Abgrenzung dazu werden bei der direkten Warmumformung die Schneid- und/oder Umformoperationen nach der Wärmebehandlung durchgeführt. Eine solche Warmumformung ist beispielhaft aus der DE 10 2009 012 940 A1 bekannt. Aus der DE 10 2009 050 533 A1 ist eine gattungsgemäße direkte Warmumformung bekannt, bei der zunächst eine zu formende Stahlblechplatine in einem Ofen auf über eine werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird. Die wärmebehandelte Stahlblechplatine wird mit einer Einlegetemperatur in ein Umformwerkzeug eingelegt und darin umgeformt sowie auf eine Zwischentemperatur abgekühlt, die größer als eine Entnahmetemperatur ist, bei der das Stahlblechteil aus der Pressenanordnung entnommen wird. Dem Umformwerkzeug ist eine Kühl-Prozessstufe nachgeschaltet, in der das warmumgeformte Stahlblechteil bis auf die Entnahmetemperatur abgekühlt wird.
In der DE 10 2009 050 533 A1 ist die nachgeschaltete Kühl-Prozessstufe einstufig mit einem Kühlwerkzeug ausgebildet, in dem das warmumgeformte Stahlblechteil bis auf die Entnahmetemperatur gekühlt wird. Eine solche einstufige Prozessführung ist im Hinblick auf Effizienzsteigerungen des Warmumformprozesses nachteilig. Zudem wird in der DE 10 2009 050 533 A1 in einer Aufnahme durch direkten Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium wenigstens partiell gehärtet. Der direkter Wärmeaustausch erfolgt in direktem Kontakt zwischen Bauteil und Kühlmedium.
Aus der EP 3 067 128 B1 ist ein weiteres mehrstufiges Verfahren bekannt, bei dem unter einer Transferpresse an einem gemeinsamen Stößel und an einem gemeinsamen Pressentisch unterschiedliche Werkzeuge montiert sind. In dem Verfahren wird im Unterschied zur Erfindung mit einer Plattenvorkühlung der Platine gearbeitet und wird die Platine temperiert, um die Platinentemperatur oberhalb der Martensit-Starttemperatur zu halten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Pressenanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise weitere Effizienzsteigerungen ermöglicht.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 14 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist die Kühl-Prozessstufe in der einfachsten Variante mit nur einem Kühlwerkzeug ausgebildet. Das warmumgeformte Stahlblechteil wird in dem Kühlwerkzeug bis auf die Entnahmetemperatur abgekühlt wird.
In einer weiteren Ausführungsvariante weist die Kühl-Prozessstufe nicht mehr nur ein einziges Kühlwerkzeug auf, sondern ist die Kühl-Prozessstufe vielmehr mehrstufig mit zumindest zwei oder mehr Kühlwerkzeuge ausgebildet. In einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante können die zumindest zwei Kühlwerkzeuge prozesstechnisch in Reihe hintereinander angeordnet sein. In einer ersten Ausführungsvariante kann das in dem Umformwerkzeug warmumgeformte Stahlblechteil in den in Reihe geschalteten Kühlwerkzeugen stufenweise bis auf die Entnahmetemperatur abgekühlt werden.
In einer zweiten Ausführungsvariante können dagegen die beiden Kühlwerkzeuge nicht in Reihe, sondern vielmehr in parallel zueinander angeordnet sein, etwa in einer Y-Anordnung bzw. einer sternförmigen Anordnung. In diesem Fall kann bei noch belegtem erstem Kühlwerkzeug ein Stahlblechteil-Transfer von dem Umformwerkzeug in das noch unbelegte zweite Kühlwerkzeug erfolgen. Das warmumgeformte Stahlblechteil kann somit entweder in dem ersten Kühlwerkzeug oder in dem parallel dazu positionierten zweiten Kühlwerkzeug auf die Entnahmetemperatur abgekühlt werden. Zykluszeitreduktion durch Aufteilen der Zuhaltezeit auf mehrere Stufen.
Im Gegensatz zur obigen DE 10 2009 050 533 A1 erfolgt erfindungsgemäß die Härtung nicht in einem direkten Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium. Vielmehr kann erfindungsgemäß auf einen direkten Wärmeaustausch verzichtet werden und anstelle dessen die Kühlung über die Backen erfolgen, die wiederum zum Beispiel wassergekühlt sind. Der Wärmeaustausch kann daher erfindungsgemäß über einen Kontaktdruck zwischen der Platine und den Backen erfolgen. Der Wärmeaustausch erfolgt erfindungsgemäß somit nicht in direktem Kontakt zwischen Bauteil und Kühlmedium, sondern unter wärmetechnischer Zwischenschaltung zum Beispiel einer Werkzeugbacke.
Die Hauptvorteile der Erfindung liegen im geringeren Werkzeugverschleiß der Kühlwerkzeuge durch eine Verringerung der Reibung an aktiven Radien sowie von thermischen Einflüssen im Vergleich zum Umformwerkzeug. Dadurch ergibt sich eine hohe Standzeit. Zudem kann erfindungsgemäß auf erwärmte Werkzeuge verzichtet werden, wodurch die Prozessrobustheit gesteigert wird. Zudem kann die Ausbringung durch gekoppelte bzw. entkoppelte Anordnung mehrerer Pressenstufen erhöht werden sowie die Qualität und Maßhaltigkeit der Bauteile erhöht werden. Ferner werden Instandhaltungsintervalle verlängert und werden homogene mechanische Bauteileigenschaften durch gleichmäßigen Kontaktdruck in den Kühlstufen erzielt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können speziell Vorteile im Hinblick auf verbesserte Werkstoffeigenschaften des Stahlbleichteils erzielt werden. Das heißt es wird im Vergleich zum Stand der Technik eine geringere Streuung der mechanischen Eigenschaften über das Stahlblechteil erzielt sowie eine höhere Duktilität und eine gleichmäßigere Härteausbildung erreicht.
Der Erfindungskern betrifft ein Aufteilen des Warmumformprozesses auf mehrere Stufen (zum Beispiel eine Umformstufe sowie mehrere Kühlstufen), wodurch die Prozesszeit signifikant verringert und die Ausbringung an Stahlblechteilen und damit die Wirtschaftlichkeit des Prozesses erhöht wird. Erfindungsgemäß kann im ersten Werkzeug (das heißt Umformwerkzeug) eine Umformung bis zum unteren Totpunkt nach Erwärmung auf eine Stahlblech-Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur stattfinden, wobei das umgeformte Werkstück im weiteren Prozessverlauf mittels einer Transfermimik in die Kühl-Prozessstufe überführt wird, in der eine Abkühlung auf Bauteilentnahmetemperatur erfolgt, die bevorzugt 220°C oder kleiner ist. Hierdurch wird die taktzeitbestimmende Haltezeit im Werkzeug auf zwei oder mehr Zeiteinheiten untergliedert und die Zykluszeit reduziert.
Die Stahlblechplatine bzw. das Stahlblechteil weist im Prozessverlauf, über die gesamte Bauteilfläche betrachtet, kein durchgängig konstantes Temperaturniveau auf. Vielmehr schwankt das Temperaturniveau über das Bauteil sehr stark. Vor diesem Hintergrund sind die im Anmeldungstext genannten Prozesstemperaturen des Stahlblechteils und/oder der Blechplatine als über die Bauteilfläche gemittelte Temperaturen zu verstehen.
Der Werkstoff der Stahlblechplatine ist in der Regel ein niedriglegierter Vergütungsstahl 22MnB5. Es kommen jedoch auch andere kohlenstoff- und manganhaltige Stähle in Frage zum Beispiel 20MnB8 oder 34MnB8 oder 22MnCrB8-2 oder 20MnCr9-3 dergleichen. Die Werkstoffe können unbeschichtet oder beschichtet eingesetzt werden. Hierbei kann zum Beispiel eine Aluminium-Silizium-Beschichtung AS150 oder AS80, bekannt unter dem Namen Usibor 1500 oder MBW 1500, eingesetzt werden. Alternativ sind auch andere Beschichtungen bzw. metallische Überzüge denkbar. Hierzu zählen sowohl Zn, ZnFe sowie ZnMg usw. als auch andere aluminiumhaltige Überzüge (zum Beispiel ohne Silizium oder mit kleinen Fe- bzw. Mg-Anteilen).
Bei der obigen Prozessanordnung sind die nachfolgend genannten Prozessparameter von wesentlicher Bedeutung, um erforderliche Bauteil- und Prozesseigenschaften zu erhalten: So muss zunächst die Einlegetemperatur, mit der die noch ungeformte Stahlblechplatine in das Umformwerkzeug eingelegt wird, oberhalb einer werkstoffspezifischen Martensitstarttemperatur Ms liegen, um eine Härtbarkeit der Stahlblechplatine zu gewährleisten. Zudem ist es bevorzugt, wenn die Zwischentemperatur, auf der das Stahlblechteil nach der Warmumformung abgekühlt worden ist, in einem Bereich von 250°C bis 600°C liegt. Zudem ist hervorzuheben, dass in dem Umformwerkzeug eine vollständige Umformung (das heißt Werkzeugschluss bis zum unteren Totpunkt) stattfindet und die nachgeschalteten Prozessstufen lediglich als Wärmesenke für die Energiedissipation im nachgelagerten Prozessverlauf bis zur Entnahmetemperatur fungieren.
In einer bevorzugten Prozessführung kann in dem Umformwerkzeug eine vollständige Umformung erfolgen, bei der die Stahlblechplatine bis auf eine Endkontur umgeformt wird. Die nachgeschalteten Kühlwerkzeuge wirken somit lediglich als Wärmesenke für die Energiedissipation bis zum Erreichen der Entnahmetemperatur. Bei einer solchen Prozessführung können die Kühlwerkzeuge als Kalibrierwerkzeuge wirken, in denen das warmumgeformte Stahlblechteil nachgeformt wird, und zwar für den Fall, dass aufgrund stark abrasiver Belastung des Umformwerkzeugs deren Maßhaltigkeit bei der Warmumformung beeinträchtigt ist.
Die Kühl- und Umformwerkzeuge können aus artgleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Im Hinblick auf die stark abrasive Belastung des Umformwerkzeugs ist es von Vorteil, wenn die formgebenden Bestandteile des Umformwerkzeugs aus einem hoch verschleißfesten Werkstoff bzw. Warmarbeitsstahl gefertigt sind, und zwar insbesondere mit hohem Chrom-, Vanadium-, Kohlenstoff-, Molybdän- und/oder Wolframanteil (im Vergleich zu den Kühlwerkzeuge). Demgegenüber sind die Kühlwerkzeuge einer weniger starken abrasiven Belastung ausgesetzt. Vor diesem Hintergrund können die mit dem warmumgeformten Stahlblechteil in Druckanlage kommenden Bestandteile der Kühlwerkzeuge im Vergleich zum Umformwerkzeug aus hochwärmeleitfähigen Werkstoffen gefertigt sein. Beispielhaft kann der Stempel und die Matrize aus artgleichen, wärmeleitfähigen Werkstoffen bestehen, während ein Blechhalter (aufgrund des größeren Blech-Materialflusses) aus einem abrasiv beständigen Werkstoff besteht, der weniger stark wärmeleitfähig ausgelegt ist.
Zur weiteren Effizienzsteigerung ist es bevorzugt, wenn das Umformwerkzeug und/oder die Kühlwerkzeuge so ausgelegt sind, dass Schneid- und/oder Lochoperationen an dem jeweiligen Stahlblechteil durchführbar sind.
Nachfolgend wird eine Prozessabfolge erläutert, die mit einer erfindungsgemäßen Pressenanordnung durchführbar ist: So erfolgt zunächst eine Wärmebehandlung einer noch unverformten Blechplatine auf eine Erwärmungstemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Blech-Werkstoffs. Dies kann konventionell in einem Gas oder elektrisch beheiztem Rollenherdofen geschehen. Alternativ kann jedoch auch auf eine Schnellerwärmungsmethode zurückgegriffen werden (induktiv, konduktiv, Kontakt). Dies wird besonders relevant, wenn die Zykluszeit durch Einführung des Prozesses sinkt und signifikant mehr Platinen pro Zeiteinheit angefordert werden. Anschließend erfolgt eine Transferphase, in der die Blechplatine in das Umformwerkzeug überführt wird. Die Transferphase soll bevorzugt innerhalb von weniger als 10s erfolgen, um einem zu starken Auskühlen entgegen zu wirken. Die Einlegetemperatur ist oberhalb der Martensitstarttemperatur des Werkstoffs gewählt, um eine Härtbarkeit sicherzustellen. Bevorzugt ist die Umformgeschwindigkeit in dem Umformwerkzeug bei größer als 60 mm/s, wobei eine minimale Flächenpressung am Bauteil (nach Umformung in UT) bei größer als 3 N/mm² liegt (ausgenommen sind steile Bereiche mit einem Öffnungswinkel von kleiner als 5°), um vollständig auszuformen. Die Zuhaltezeit in dem Umformwerkzeug kann im unteren Totpunkt bevorzugt zwischen 0.1s und 5 s liegen, während die Stößelrückgeschwindigkeit größer als 50 mm/s sein kann.
Die folgende Transferphase zum Überführen des warmumgeformten Stahlblechteils in die Kühl-Prozessstufe kann bei kleiner als 5s liegen, wobei sich die Transferzeit aus Greifen, Heben, Transfer und Ablegen zusammensetzt. In den Kühlwerkzeugen kann die Schließgeschwindigkeit bei größere als 20 mm/s liegen, während die Flächenpressung wie bei dem Umformwerkzeug eingestellt sein kann. Die Entnahmetemperatur kann bevorzugt bei kleiner als 220°C liegen. Es ist hervorzuheben, dass in dem ersten Kühlwerkzeug ein Zuhalten im unteren Totpunkt nicht zwingend erforderlich sein kann und dass gegebenenfalls ein Zuhalten in dem folgenden zweiten Kühlwerkzeug ausreichend ist.
Die Pressenanordnung kann sowohl als eine Pressenstraße als auch als eine Transferpresse realisiert sein. In der Pressenstraße können das Umformwerkzeug und die Kühlwerkzeuge als Einzelwerkzeuge mit dazwischen wirkenden Transfereinrichtungen angeordnet sein. Bei Ausführung als eine Transferpresse können dagegen sämtliche Ober- und Unterwerkzeuge auf einem gemeinsamen Pressenstößel sowie einem gemeinsamen Pressentisch befestigt sein.
Bei der Ausführung der Pressenanordnung als Transferpresse ergibt sich eine zwangsweise Aufteilung der Zuhaltezeiten durch die Taktzeitkopplung der einzelnen Operationen. Bei zum Beispiel drei aufeinanderfolgenden Pressen wäre dies eine Drittelung der Zuhaltezeit. In diesem Fall könnte daher eine Zuhaltezeit-Aufteilung von 6 Sekunden auf ca. 3x2 Sekunden vorgesehen werden.
Bei der Ausführung der Pressenanordnung als eine Pressenstraße mit Einzelpressen kann durch Variation der Pressenstufen (zum Beispiel bei der oben erwähnten Y-Anordnung oder sternförmigen Anordnung der Umform- und Kühlwerkzeuge) eine Taktzeit-Entkopplung erzielt werden. Hierdurch können Kühlstufen eine von der Umformstufe abweichende Zuhaltezeit ermöglichen, da die Werkzeuge autark voneinander agieren bzw. gesteuert werden können. Es ist ebenfalls möglich, einzelne Kühlstufen untereinander zu koppeln, ohne eine Kopplung zur Umformstufe herzustellen. Dies kann insbesondere durch die Anordnung der Umformstufe zu den Kühlstufen realisiert werden. In allen Fällen ist eine Abkühlung bei Luft selbstverständlich während des Teiletransfers vorhanden.
Nach oder im Wechsel mit den Kühlstufen können selbstverständlich auch Beschnitt-Lochstufen angeordnet werden (die wiederum an die Kühlstufen gekoppelt sein können). Bezüglich des Beschnittes kann ein Warmbeschnitt in der Umformstufe vorgesehen werden sowie ein Lochen bei 500 bis 550°C in der ersten Folgestufe vor den Kühlwerkzeugen bauteilbezogen vorgesehen werden. Zudem besteht die Möglichkeit der Abwicklung von Kantenbereichen oder Naturkanten.
Aufgrund der Aufteilung der Operationen auf mehrere Werkzeugstufen (das heißt Umform- und Kühlwerkzeuge), können diese belastungs- und anforderungsgerecht ausgelegt werden. Im Detail bedeutet dies, dass insbesondere für das abrasiv stark belastete Formwerkzeug ein hoch verschleißbeständiger Werkstoff bzw. Warmarbeitsstahl zum Einsatz kommen kann (insbesondere mit hohem Chrom-, Vanadium-, Kohlenstoff-, Molybdän- und/oder Wolframanteil). Hieraus resultiert eine hohe Maßbeständigkeit der Bauteile über einen langen Fertigungszyklus bis zur nächsten Nacharbeit. Die Verschleißfähigkeit korreliert invers mit der Wärmeleitfähigkeit, weshalb die weniger belasteten Abkühlstufen (das heißt Kühlwerkzeuge) aus entsprechend hoch wärmeleitfähigen Werkstoffen bestehen können, um die Wärme effektiv aus dem Bauteil abzuleiten und somit eine Verkürzung der Zuhaltezeit bei Erhöhung der Bauteilqualität sicherzustellen. Ein anderer Ansatz stellt die Art und Ausführung der eingesetzten Kühlung sowie Kühlkanalauslegung dar. Dieser kann ebenfalls an den Belastungsfall und die resultierende Bauteilform ausgelegt werden. Insbesondere die Kühlstufen könnten eine sehr oberflächennahe Kühlauslegung aufweisen, da der abrasive Verschleiß und der Nacharbeitungszyklus hier nicht kritisch sind. Dadurch, dass der Verschleiß in den Kühlstufen im Vergleich zur Referenz (einstufiger Prozess) erheblich geringer ausfällt, erhält man über Standzeit eine signifikant besseres Kontaktbild in den Kühlstufen, was zu einer Erhöhung der Bauteilqualität und besseren mechanischen Eigenschaften führt (homogene Härte, Dehnung, Festigkeit).
Als Blechwerkstoffe können konventionelles 22MnB5, niedriglegierter Mangan-Bor-Stahl verwendet werden, und zwar mit einer Aluminium-Silizium-Beschichtung AS150 oder AS80, bekannt unter dem Namen Usibor 1500 oder MBW 1500. Alternativ sind auch andere Grundwerkstoffe bzw. Blechwerkstoffe möglich. Hierzu zählen insbesondere 22MnB8 (als lufthärtende Variante) und 22MnSiB9-5 sowie höherfeste Werkstoffe wie Usibor 2000 oder MBW1900. Alternativ sind auch andere Beschichtungen bzw. metallische Überzüge denkbar. Hierzu zählen sowohl Zn, ZnFe sowie ZnMg usw. als auch andere aluminiumhaltige Überzüge (zum Beispiel ohne Silizium oder mit kleinen Fe- bzw. Mg-Anteilen).
Die verringerten Zykluszeiten des Prozesses resultieren in einer Erhöhung der Platinenanforderung aus dem Ofen und dies resultiert wiederum in einer deutlichen Ofenlängensteigerung. Daher sieht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel die Applikation einer Schnellerwärmungstechnologie vor. Diese kann sowohl einem Rollenherdofen vorgeschaltet oder aber auch alleinstehend vorgesehen werden. Zu den verschiedenen und potentiell denkbaren Schnellerwärmungstechnologien gehört sowohl die induktive Erwärmung im Längs- sowie im Querfeld als auch die Kontaktplattenerwärmung oder die Erwärmung mit Ofenzonen mit signifikanter Übertemperatur >1000°C.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 eine Anlagenskizze, anhand der die in der 2 angedeutete Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils veranschaulicht ist;
2 in einem Blockschaltdiagramm die Prozessabfolge zur Herstellung des Stahlblechteils;
3 ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Stahlblechteil-Temperatur in der in den 1 und 2 angedeuteten Prozessabfolge zeigt; und
4 bis 6 jeweils Ansichten entsprechend der 1 bis 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Es ist hervorzuheben, dass die Figuren lediglich zwei spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, bei denen die Kühl-Prozessstufe K zwei Kühlwerkzeuge 5, 6 aufweist, die in Reihe (1) oder parallel (4) geschaltet sind. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr die Kühl-Prozessstufe K auch nur ein einziges Kühlwerkzeug oder mehr als zwei Kühlwerkzeuge aufweisen kann.
In der 1 ist grob schematisch eine Pressenanlage skizziert, anhand der zunächst die grundsätzliche Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils 7 erläutert ist. Die Anlage weist beispielhaft als Wärmebehandlungseinrichtung 1 einen Durchlaufofen, eine Umformwerkzeug 3 zur Warmumformung und Presshärtung von Stahlblechbauteilen 7 sowie eine nachgeschaltete Kühl-Prozessstufe K auf, in der ein erstes und zweites Kühlwerkzeug 5, 6 in Reihe hintereinander angeordnet sind. Weiterhin ist eine Ablagestation 9 vorgesehen, in der die hergestellten Stahlblechbauteile 7 gelagert werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Wärmebehandlungseinrichtung 1 mit unterschiedlichen Technologien arbeiten kann, etwa mittels Induktion, Konduktion, Kontaktplattenerwärmung, Konvektion, Strahlung, etc.
In der 1 sind das Umformwerkzeug 3 sowie die beiden Kühlwerkzeuge 5 und 6 in einer Reihenschaltung prozesstechnisch hintereinander angeordnet, und zwar als eine Pressenstraße, bei der zwischen dem Umformwerkzeug 3 und den beiden Kühlwerkzeugen 5, 6 jeweils Transfereinrichtungen 11 wirken. Im Warmumformprozess wird gemäß der 1, 2 oder 3 zunächst eine noch unverformte Blechplatine 4 aus einem härtbaren Stahl in den Durchlaufofen 1 transferiert und dort in einer Wärmebehandlungsphase Δt₁ auf eine Prozesstemperatur zumindest partiell oder bereichsweise oberhalb der werkstoffspezifischen Austenitisierungstemperatur Ac3 des eingesetzten Stahls erwärmt (3), die beispielhaft bei 930 °C liegen kann. Die so erwärmte Blechplatine 4 wird im Heißzustand in einer Transferphase Δt₂ (3) zur Umformwerkzeug 3 transferiert und dort mit einer Einlegetemperatur ϑ_ein in die Umformwerkzeug 3 eingelegt wird. Die Einlegetemperatur ϑ_ein liegt mit einem Temperaturversatz oberhalb einer werkstoffspezifischen Martensitstarttemperatur Ms, um eine Härtbarkeit des zu formenden Stahlblechteils 7 zu gewährleisten.
Es ist hervorzuheben, dass die Stahlblechplatine bzw. das Stahlblechteil 7 im Prozessverlauf, über die gesamte Bauteilfläche betrachtet, kein durchgängig konstantes Temperaturniveau aufweist. Vielmehr schwankt das Temperaturniveau über das Bauteil sehr stark. Vor diesem Hintergrund sind die hier relevanten Prozesstemperaturen des Stahlblechteils und/oder der Blechplatine als über die Bauteilfläche gemittelte Temperaturen zu verstehen.
Zudem ist hervorzuheben, dass bei einer bereichsweisen oder partiellen Erwärmung (tailored tempering) der Platine unterschiedlich warme Platinenbereiche bzw .Platinenzonen erzeugt werden. In diesem Fall wird die Prozesstemperatur der Platine nicht über alle unterschiedlich warmen Platinenbereiche gemittelt, sondern wird vielmehr nur der heißeste Platinenbereich für die Mittelung der Prozessstemperatur der Platine herangezogen (das heißt gemittelte Prozesstemperatur nur über den heißesten Platinenbereich), während die kühleren Platinenbereiche unberücksichtigt bleiben.
Während der Warmumformphase Δt₄ erfolgt in dem Umformwerkzeug 3 eine Presshärtung bzw. Abkühlung des Stahlblechteils 7 bis auf eine Zwischentemperatur ϑ_Z, die in der 3 beispielhaft bei etwa 600 °C liegt. Das warmumgeformte Stahlblechteil 7 wird anschließend in einer weiteren Transferphase Δt₄ in dem ersten Kühlwerkzeug 5 transferiert und dort in einer ersten Kühlphase Δt_5.1 bis auf eine Kühltemperatur ϑ_K (3) abgekühlt wird. Danach wird das auf die Kühltemperatur Δ_K abgekühlte Stahlblechteil 7 in einer weiteren Transferphase Δt₆ in das zweite Kühlwerkzeug 6 transferiert und dort in einer zweiten Kühlphase Δt_5.2 bis auf die Entnahmetemperatur ϑ_E von ca. 220 °C abgekühlt.
Anhand der nachfolgenden 4 bis 6 ist gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eine weitere Pressenanlage skizziert, bei der die beiden Kühlwerkzeuge 5, 6 nicht linear hintereinander mit dem Umformwerkzeug 3 in Reihenschaltung positioniert sind, sondern vielmehr die Kühlwerkzeuge 5, 6 in Parallelschaltung zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann im Warmumformprozess bei noch belegtem erstem Kühlwerkzeug 5 ein Stahlblechteil-Transfer von dem Umformwerkzeug 3 in das noch unbelegte zweite Kühlwerkzeug 6 erfolgen.
Bei der in der 4 gezeigten Anlagenskizze ergibt sich somit eine Prozessabfolge, bei der nach der Warmumformphase Δt₃ in dem Umformwerkzeug 3 das geformte Stahlblechteil 7 in einer Transferphase Δt₄ entweder in das erste Kühlwerkzeug 5 oder in das zweite Kühlwerkzeug 6 transferiert wird. In dem ersten Kühlwerkzeug 5 oder in dem zweiten Kühlwerkzeug 6 erfolgt die Kühlphase Δt₅ , bei der das warmumgeformte Stahlblechteil 7 bis auf die Entnahmetemperatur ϑ_E abgekühlt wird.
Bezugszeichenliste

1: Wärmebehandlungseinrichtung
3: Umformwerkzeug
4: Blechplatine
5: erstes Kühlwerkzeug
6: zweites Kühlwerkzeug
7: Stahlblechteil
9: Ablagestation
11: Transfereinrichtung
Δt₁: Wärmehandlungsphase
Δt₂: Transferphase
Δt₃: Warmumformphase
Δt₄: zweite Transferphase
Δt₅, Δt_5.1, Δt_5.2: Kühlphasen
Δt₆: dritte Transferphase
K: Kühl-Prozessstufe
U: Umform-Prozessstufe
ϑ_ein: Einlegetemperatur
ϑ_E: Entnahmetemperatur
ϑ_K: Kühltemperatur
ϑ_Z: Zwischentemperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009012940 A1 [0003]
DE 102009050533 A1 [0003, 0004, 0011]
EP 3067128 B1 [0005]

Claims

Pressenanordnung zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils (7), mit einer Wärmebehandlungseinrichtung (1), in dem eine Stahlblechplatine (4) zumindest partiell bis auf über eine werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird, und mit einer Umformwerkzeug (3), in der die wärmebehandelte Stahlblechplatine (4) mit einer Einlegetemperatur (ϑ_ein) eingelegt und in einer Umform-Prozessstufe (U) umgeformt sowie auf eine Zwischentemperatur (ϑ_Z) abgekühlt wird, die größer als eine Entnahmetemperatur (ϑ_E) ist, bei der das Stahlblechteil (7) aus der Pressenanordnung entnehmbar ist, und einer prozesstechnisch nachgeschalteten Kühl-Prozessstufe (K), in der das warmumgeformte Stahlblechteil (7) bis auf die Entnahmetemperatur (ϑ_E) abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl-Prozessstufe (K) mit zumindest einem Kühlwerkzeug (5, 6) ausgebildet ist, und dass insbesondere das warmumgeformte Stahlblechteil (7) in dem Kühlwerkzeug (5, 6) bis auf die Entnahmetemperatur (ϑ_E) abgekühlt wird.
Pressenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlpressstufe mehrstufig mit zumindest zwei oder mehr Kühlwerkzeugen (5, 6) ausgebildet ist, und dass insbesondere die Kühlwerkzeuge (5, 6) prozesstechnisch in Reihe hintereinander angeordnet sind, und das warmumgeformte Stahlblechteil (7) in den Kühlwerkzeugen (5, 6) stufenweise bis auf die Entnahmetemperatur (ϑ_E) abgekühlt wird.
Pressenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Kühlwerkzeuge (5, 6) in der mehrstufigen Kühl-Prozessstufe (K) prozesstechnisch in Parallelschaltung dem Umformwerkzeug (3) nachgeschaltet sind, so dass bei einem noch belegten ersten Kühlwerkzeug (5) ein Stahlblechteil-Transfer in ein noch unbelegtes zweites Kühlwerkzeug (6) erfolgen kann.
Pressenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das warmumgeformte Stahlblechteil (7) entweder in dem ersten Kühlwerkzeug (5) oder in dem zweiten Kühlwerkzeug (6) bis auf die Entnahmetemperatur (ϑ_E) abkühlt.
Pressenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Umformwerkzeug (3) eine vollständige Umformung erfolgt, bei der die Stahlblechplatine (4) bis auf eine Endkontur umgeformt wird, und dass in der nachgeschalteten Kühl-Prozessstufe (K) die Kühlwerkzeuge (5, 6) zusätzlich auch als Kalibrierwerkzeuge wirken, in denen das warmumgeformte Stahlblechteil (7) nachgeformt wird, und zwar für den Fall, dass aufgrund stark abrasiver Belastung des Umformwerkzeugs (3) die Umform-Maßhaltigkeit bei der Warmumformung beeinträchtigt ist.
Pressenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Umformwerkzeug (3) eine definierte Flächenpressung erfolgt, so dass im Umformwerkzeug (3) nicht nur umgeformt wird, sondern auch mit einer Haltezeit gehalten wird, wobei sich die Haltezeit in Abhängigkeit von der Blechdicke der Blechplatine und/oder in Abhängigkeit von der Werkzeuganordnung ergibt, und/oder dass sich die Haltezeit in den unterschiedlichen Werkzeugstufen durch die Orientierung des Umformwerkzeuges (3) zu den Kühlwerkzeugen (5, 6) ergibt, und dass insbesondere bei einer Reihenanordnung von einem Umformwerkzeug (3) und einem Kühlwerkzeug (5) die Haltezeiten im Umformwerkzeug (3) und im Kühlwerkzeug (5) identisch sind.
Pressenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl- und Umformwerkzeuge aus artgleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, und/oder dass formgebenden Umformwerkzeug-Bestandteile aus einem hoch verschleißfesten Werkstoff bzw. Warmarbeitsstahl, insbesondere mit hohem Chrom-, Vanadium-, Kohlenstoff-, Molybdän- und/oder Wolframanteil gefertigt sind, und zwar im Vergleich zu den Kühlwerkzeugen (5, 6), und dass die mit dem warmumgeformten Stahlblechteil (7) in Druckanlage kommenden Bestandteile der Kühlwerkzeuge (5, 6) im Vergleich zum Umformwerkzeug (3) aus hoch wärmeleitfähigen Werkstoffen gefertigt sind.
Pressenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlegetemperatur (ϑ_ein), mit der die Stahlblechplatine (4) in das Umformwerkzeug (3) eingelegt wird, oberhalb einer werkstoffspezifischen Martensitstarttemperatur Ms liegt, um eine Härtbarkeit des Stahlblechteils (7) zu gewährleisten, und/oder dass die Zwischentemperatur (ϑ_Z), auf der das Stahlblechteil (7) nach der Warmumformung abgekühlt ist, in einem Bereich von 250 °C bis 600 °C liegt.
Pressenanordnung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (3) und/oder die Kühlwerkzeuge (5, 6) so ausgelegt sind, dass Schneid- und/oder Lochoperationen an dem Stahlblechteil (7) durchführbar ist, insbesondere in der ersten und/oder zweiten Operationsstufe.
Pressenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressenanordnung als eine Pressenstraße realisiert ist, bei der das Umformwerkzeug (3) und die Kühlwerkzeuge (5, 6) als Einzelwerkzeuge mit dazwischen wirkender Transfereinrichtungen (11) angeordnet sind.
Pressenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressenanordnung als eine Transferpresse realisiert ist, bei der sämtliche Ober- und Unterwerkzeuge der Umformwerkzeug (3) und der Kühlwerkzeuge (5, 6) auf einem gemeinsamen Pressenstößel und einem gemeinsamen Pressentisch befestigt sind.
Pressenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Werkstoff des Stahlblechteils (7) ein niedriglegierter, kohlenstoff- und manganhaltiger Vergütungsstahl mit einer metallischen Zunderschutzbeschichtung bzw. Überzug ist, der aluminium- oder zinkhaltig ist.
Pressenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (3) nicht zwangsweise, das heißt nicht unbedingt, gekühlt bzw. temperiert ist, und/oder dass das zumindest eine Kühlwerkzeug (5, 6) eine Kühleinrichtung zur Kühlung seiner Aktivflächen aufweist, und dass insbesondere die Kühlung über eine Bohrkühlung erfolgt, bei der Kühlkanäle unterhalb der Werkzeug-Aktivflächen kühlmitteldurchströmt sind und das Kühlmittel außer Kontakt mit der Platine bzw. dem Stahlblechteil (7) ist.
Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils (7) in einer Pressenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.