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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die Herstellung stark deformierter Teile aus
Aluminiumlegierung, insbesondere aus Al-Mg-Legierung (Serie 5000
gemäß der EN-Norm
573-3), die insbesondere für
den Kraftfahrzeugbau bestimmt sind, durch Warmtiefziehen, d. h.
bei einer Temperatur von 150 bis 350°C.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, dass die Bruchdehnung der Aluminiumlegierungen oberhalb
150°C zunimmt,
wobei dieser Effekt um so markanter ist, je geringer die Deformationsgeschwindigkeit
ist. Im Gegensatz zur superplastischen Formgebung, die bei Temperaturen über 450°C erfolgt
und Legierungen erfordert, die ein besonderes, sehr feinkörniges Mikrogefüge aufweisen,
kann durch die Warmformgebung bei einer Temperatur von 150 bis 350°C die Duktilität der konventionellen
Legierungen, insbesondere solcher der Serie 5000, erhöht werden.
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Die
ersten Warmtiefziehversuche von Aluminiumlegierungen in der Kraftfahrzeugindustrie
wurden in den Vereinigten Staaten in den 1970iger Jahren mit dem
Ziel durchgeführt,
Stahl durch Aluminium zu ersetzen, ohne die Werkzeuge zu modifizieren. Das
1976 angemeldete
US-Patent 4090889 von Chrysler
beschreibt ein Verfahren zum Tiefziehen von Kraftfahrzeugteilen
aus verschiedenartigen Legierungen, darunter die Legierung 5252-H25,
bei einer Temperatur von 100 bis 315°C. Die Erwärmung der Zuschnitte, die mit
einem Schmiermittel auf Graphitbasis überzogen sind, erfolgt dabei
vorzugsweise durch Infrarot. Seit dieser Zeit fand keine industrielle Anwendung
statt, vermutlich wegen der fehlenden thermischen Kontrolle des
Verfahrens und aufgrund der Schwierigkeit, ähnliche Stückzahlen wie beim konventionellen
Kalttiefziehen zu erzielen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen
und das Warmtiefziehen von Kraftfahrzeugteilen aus Aluminiumlegierung, insbesondere
aus Al-Mg-Legierung, mit einer Produktivität zu ermöglichen, die mit den Anforderungen der
Kraftfahrzeugindustrie vereinbar ist, um entweder Teile zu gewinnen,
die sich nicht kalt herstellen lassen, oder um ihre Herstellung
zu erleichtern, indem insbesondere die Zahl der Tiefziehschritte
verringert wird, oder indem wirtschaftlichere, aber schlecht kalt umformbare
Legierungen eingesetzt werden.
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Gegenstand der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Tiefziehteilen
aus Aluminiumlegierung mit folgenden Schritten:
- – das Herstellen
eines 0,5 bis 5 mm dicken Bandes aus einer Legierung mit der Zusammensetzung
(Gew.-): Mg: 1–6
Mn < 1,2 Cu < 1 Zn < 1 Si < 3 Fe < 2 Cr < 0,4 Zr < 0,3 weitere Elemente
jeweils < 0,1 und
insgesamt < 0,5,
Rest Al,
- – das
Ausstanzen eines Zuschnitts aus diesem Band,
- – das örtliche
oder komplette Erwärmen
des Zuschnitts auf eine Temperatur zwischen 150 und 350°C und für eine Dauer < 30 s,
- – das
Tiefziehen des erwärmten
Zuschnitts mit einem zumindest teilweise auf eine Temperatur zwischen
150 und 350°C
erwärmten
Werkzeugs in Anwesenheit eines mit den späteren Arbeitsgängen kompatiblen
Schmiermittels.
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Das
Schmiermittel kann entweder vorher auf den ausgestanzten Zuschnitt
aufgetragen oder auch unmittelbar vor dem Tiefziehen des Zuschnitts
auf das Tiefziehwerkzeug aufgespritzt werden. Das Tiefziehen erfolgt
vorzugsweise in einem einzigen Schritt.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist Tiefziehteil, hergestellt
aus einem Zuschnitt aus Aluminiumlegierung mit der vorherigen Zusammensetzung,
mit wenig oder nicht deformierten Bereichen und stark deformierten
Bereichen, bei dem die am wenigsten deformierten Bereiche eine mindestens 30%
höhere Elastizitätsgrenze
R0,2 (bzw. eine mindestens 20% höhere Vickershärte) als
die am meisten deformierten Bereiche aufweisen.
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Beschreibung der Figuren
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Figur
zeigt in perspektivischer Ansicht eine mit dem in Beispiel 1 beschriebenen
Verfahren hergestellte Kraftfahrzeugtürverkleidung.
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2 zeigt
den vorgewärmten
Bereich des in den Beispielen 1 und 2 eingesetzten Zuschnitts.
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3 ist
eine Schnittansicht der eckseitigen Einwölbung des Teils aus Beispiel
2.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung findet Anwendung bei der Herstellung von Tiefziehteilen
aus Aluminiumlegierungen mit 1 bis 6% und vorzugsweise 3,5 bis 5%
Magnesium. Mg trägt
zur mechanischen Festigkeit der Legierung bei, ebenso wie Cu, Mn
oder Zn, die mit einem Anteil von bis zu 1% vorliegen können, was
Cu und Zn betrifft, und bis zu 1,2%, was Mn betrifft. Diese Legierungen
sind im Wesentlichen Legierungen der Serie 5000, zum Beispiel Legierungen
5052, 5083, 5182 oder 5754, können
aber auch zur Serie 4000 gehören,
wenn der Si-Gehalt
höher ist
als der Mg-Gehalt, oder auch zur Serie 3000, wenn der Mn-Gehalt geringfügig höher ist
als der Mg-Gehalt. Solche Legierungen 3000 oder 4000 können durch
Einarbeitung eines Teils von aufgearbeitetem Herstellungsabfall hergestellt
worden sein, so dass sie kostengünstige Legierungen
darstellen.
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Die
Bänder
können
in herkömmlicher
Weise durch Gießen
von Platten, Warmwalzen und Kaltwalzen hergestellt werden, aber
auch durch kontinuierliches Stranggießen von Bändern, entweder zwischen zwei
Metallbändern
(„belt
casting") mit anschließendem Warm-
und eventuell Kaltwalzen oder zwischen zwei gekühlten Gießwalzen („roll casting") mit anschließendem Kaltwalzen.
Beim Gießen
zwischen Metallbändern
kann es sowohl in technischer als auch wirtschaftlicher Hinsicht
interessant sein, wenn warmgewalzte Bänder verwendet werden, falls
die zu erzielende Dicke dies erlaubt.
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Beim
herkömmlichen
Gießen
ist Fe auf 0,8% begrenzt, kann aber bei Stranggusslegierungen bis zu
2% betragen. Auch der Siliziumgehalt kann höher sein, bis zu 3% beim Strangguss,
während
er beim herkömmlichen
Gießen
auf 2% begrenzt werden sollte.
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Der
letzte Walzstich kann mit einer texturierten Gießwalze durchgeführt werden,
zum Beispiel durch Elektronenstrahl-(EBT), Funkenerosions-(EDT)
oder Laserstrahlbehandlung, was die Formbarkeit und das Oberflächenaussehen
des geformten Teils nach dem Lackieren verbessert. Die Bänder können geglüht werden
(Zustand O), wenn sehr starke Dehnungen gewünscht sind, um stark deformierte,
komplexe Tiefziehteile herzustellen, und wenn geringere Anforderungen
an die mechanische Endfestigkeit gestellt werden. Aber eins der
Interessen des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass von einem kaltverfestigten oder teilweise erholungsgeglühten Zustand
ausgegangen werden kann (Zustände
H1x oder H2x). Denn außer
dem wirtschaftlichen Vorteil, den ein Nichtglühen mit sich bringt, wird auch
das Auftreten von Lüderslinien
beim Tiefziehen vermieden, was der Fall ist, wenn vom geglühten Zustand
ausgegangen wird. Dies ist ein wichtiger Vorteil, denn außer einer
unzureichenden Eindruckfestigkeit bedingt durch den geglühten Zustand verhinderte
die Gefahr von Lüderslinien
bisher die Verwendung von Al-Mg-Legierungen
für zu
lackierende Karosserieaußenhautteile,
wohingegen sie für nicht
sichtbare Versteifungsteile weiten Einsatz finden. Es ist anzumerken,
dass die gleichen Schönheitsfehler
auch bei der Warmformgebung von Blechen im geglühten Zustand verschwinden,
was für Anwendungen
interessant ist, die eine gute Formbarkeit und ein schönes Aussehen,
aber keine besonders große
mechanische Festigkeit erfordern, wie zum Beispiel sichtbare Türverkleidungen.
Schließlich wird
durch die Verwendung der gleichen Legierungsart für Haut und
Versteifungen die Wiederverwertung erleichtert.
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Aus
den Bändern
werden anschließend
Zuschnitte ausgestanzt, deren Form an das herzustellende Teil angepasst
ist. In diesem Stadium können die
Zuschnitte mit einem Schmiermittel überzogen werden, das relativ
beständig
gegen die Tiefziehtemperatur ist und bei dieser Temperatur keine
giftigen Rauchgase abgibt. Das Schmiermittel muss sich zudem bei
der Entfettung leicht entfernen lassen und ohne zusätzliche
Oberflächenaufbereitung
mit den späteren
Arbeitsgängen
wie Schweißen
und Kleben sowie mit der Kataphorese kompatibel sein. Es können zum
Beispiel Schmiermittel auf Basis von synthetischen Estern mit hohem
Siedepunkt und hohem Flammpunkt verwendet werden, die als Schmierzusätze Zink-,
Natrium- oder Lithiumstearate enthalten, oder auch feste Schmiermittel
vom Typ Bornitrid.
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Die
Zuschnitte werden sodann auf eine Temperatur von 150 bis 350°C vorgewärmt. Diese
Vorwärmung
muss schnell genug sein – weniger
als 30 s, vorzugsweise weniger als 20 s und sogar weniger als 10
s – um
das Tiefziehwerkzeug im gewünschten Takt
zu beschicken. Bei Bedarf können
mehrere Vorwärmstationen
zur Beschickung desselben Werkzeugs vorgesehen sein. Die Vorwärmung kann
in homogener Weise auf dem gesamten Zuschnitt erfolgen, aber auch
in selektiver Weise, so dass zwischen einzelnen Bereichen des Zuschnitts
ein Temperaturgradient entsteht. Durch diese lokale Vorwärmung können die
Festigkeitseigenschaften optimiert werden, indem entweder die Formgebung
durch bessere Verteilung der Deformationen erleichtert wird oder sich
ein Fertigteil mit heterogenen Festigkeitseigenschaften ergibt,
die an die Funktion jedes Bereichs des geformten Teils angepasst
sind. So kann man zum Beispiel selektiv diejenigen Bereiche vorwärmen, die
am meisten deformiert werden sollen. Bei gefügten Zuschnitten kann man die
Vorwärmung
auf die Umgebung des Fügebereichs
konzentrieren, um beim Tiefziehen einen Bruch in diesem Bereich
zu vermeiden.
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Ausgehend
von einem Zuschnitt aus einer stark kaltverfestigten Legierung kann
auch der Randbereich örtlich
erwärmt
werden, um nach abgeschlossener Formgebung ein Teil zu erhalten,
dessen nicht erwärmter
Mittenbereich eine hohe Dehngrenze bewahrt und dessen Randbereich
während der
Formgebung geglüht
wurde und sich dadurch später
gut einpressen lässt.
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Ein
geeignetes Mittel zur Erzielung einer schnellen und falls nötig örtlichen
Erwärmung
besteht darin, auf eine Kontakterwärmung mit einem an den Zuschnitt
angelegten Heizschuh zurückzugreifen,
der die Form des oder der zu erwärmenden
Bereiche hat. Eine solche Vorrichtung stellt eine Erwärmung von
20 auf 300°C
in weniger als 15 s sicher, wodurch eine Tiefziehstraße mit hoher
Geschwindigkeit mit einer reduzierten Zahl von Vorwärmgeräten versorgt
werden kann. Für
den Fall, dass von einem kaltverfestigten Zuschnitt ausgegangen
wird, der temperaturempfindlicher ist und stärker auf die Erwärmungsdauer
reagiert, ermöglicht
diese Vorrichtung außerdem
eine präzise
Kontrolle und eine gute Reproduzierbarkeit der erzielten Temperaturen
und eine gute Kontrolle der Zykluszeit.
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Befindet
sich in der Mitte des Bauteils ein stark deformierter Bereich wie
zum Beispiel eine Einwölbung,
so stellte die Anmelderin überraschenderweise
fest, dass die Vorwärmzone
des Zuschnitts nicht im zu formenden Bereich, sondern in dessen Umgebung
liegen muss, um einen Bruch beim Tiefziehen zu vermeiden. Die Wärmezufuhr
kann dabei nur von der Vormärmung
des Zuschnitts und nicht von der Vorwärmung des Werkzeugs kommen,
da in einem solchen Fall der Kontakt zwischen Werkzeug und Zuschnitt
zu rapide ist, um genügend
stark zu erwärmen.
Die Vorwärmung
des Zuschnitts wird zum Beispiel mit einem Heizkeil durchgeführt, der
vorzugsweise in einem Abstand von mehr als 5 mm von demjenigen Bereich
des Zuschnitts angeordnet ist, der dem sehr stark deformierten Bereich
des Teils entspricht.
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Der
Zuschnitt wird anschließend
dem Ziehwerkzeug zugeführt,
wobei zur Erzielung der gewünschten
Temperatur unter der Presse die eventuelle Abkühlung des Zuschnitts zwischen
dem Ofenaustritt und der Presse berücksichtigt werden muss, was
dazu führt,
dass der Zuschnitt im Verhältnis
zur Temperatur des Werkzeugs geringfügig überhitzt wird.
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Der
vorgewärmte
Zuschnitt wird sodann tiefgezogen. Ein Merkmal der Erfindung besteht
darin, dass auch das Ziehwerkzeug zumindest teilweise auf eine Temperatur
von 150 bis 350°C
erwärmt
wird. Dies geschieht durch Einbau elektrischer Heizwiderstände in das
Werkzeug. Es können
nur bestimmte Bereiche des Werkzeugs erwärmt werden, vorzugsweise eher
die Matrize und der Niederhalter als der Stempel. Eine besonders
vorteilhafte Anordnung besteht aus einer Matrize aus zwei geheizten
Teilen, die durch einen Luftspalt getrennt sind. Dadurch hat man einen
warmen Matrizenrand unter der Mantelfläche des Zuschnitts, der eine
Querschnittsverminderung erfährt,
und einen kälteren
Matrizenboden, um die mechanische Festigkeit des Zuschnitts auf
den Ziehkanten zu optimieren.
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Es
können
auch andere Mittel eingesetzt werden, um einen kalten Teil des Werkzeugs
in der Nähe
eines warmen Teils zu halten, zum Beispiel ein Geblasen mit Druckluft
zur Ableitung der Wärme
auf dem kalt zu haltenden Teil bzw. eine Kühlmittelzirkulation innerhalb
dieses Teils. Die Temperatur der einzelnen Werkzeugteile wird regelgesteuert.
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Für den Fall,
dass der Zuschnitt zuvor nicht mit einer Schmiermittelschicht überzogen
wurde, wie oben erwähnt,
kann das Schmiermittel direkt auf das Tiefziehwerkzeug aufgetragen
werden, zum Beispiel durch Aufsprühen eines Schmiermittelnebels.
Auf diese Weise wird das Schmiermittel nur für kurze Zeit hohen Temperaturen
ausgesetzt, wodurch seine frühzeitige
Degradation beim Vorwärmen
vermieden wird.
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Bei
der Werkzeugkonzeption muss die bei nicht homogener Temperatur ungleichförmige Dehnung
des Werkzeugs berücksichtigt
werden. Das Werkzeug kann oberflächenbehandelt
werden, damit es sich nicht festfrisst. Der Formgebungszyklus umfasst
vorzugsweise nur einen Tiefziehschritt, gefolgt von Feinarbeitsgängen zum
Abfräsen
oder Beseitigen der Ränder.
Die Tiefziehleistung beträgt
mindestens sechs Zyklen pro Minute.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann für die
Herstellung von Teilen mit stark deformierten Bereichen eingesetzt
werden, insbesondere Teilen für den
Kraftfahrzeugbau, seien es Karosserieaußenhautteile oder auch Struktur-
oder Versteifungsteile.
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Durch
die optimale Kombination einer Vorwärmung der Zuschnitte in bestimmten
Bereichen und der Erwärmung
des Werkzeugs mit einem Wärmegradienten
zwischen einzelnen Werkzeugteilen können Karosserieaußenhautteile
gewonnen werden, wie zum Beispiel Türhäute oder Autodächer, hergestellt
aus 0,6 bis 1,5 mm dicken Zuschnitten, die eine ganz ungewöhnliche
Ausgestaltung der mechanischen Eigenschaften je nach den gewünschten Eigenschaften
für die
verschiedenen Bereiche des geformten Teils aufweisen, wie zum Beispiel
Eindruckfestigkeit und Crashverhalten.
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Bei
dem klassischen Kalttiefziehverfahren stellen die am stärksten deformierten
Bereiche die am stärksten
verfestigten und damit härtesten
Bereiche dar. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen, ausgehend
von einem kaltverfestigten Zustand, befinden sich die gewöhnlich am
Rand am stärksten
deformierten Bereiche beim Tiefziehen im teilentfestigten Zustand
aufgrund der Erwärmung
des diesen Bereichen gegenüberliegenden
Werkzeugs, was ein gutes Fließen
des Metalls im Werkzeug ermöglicht.
Diese Bereiche werden also nicht hart, während die wenig deformierten,
kälteren
Bereiche ihre hohe Ausgangsfestigkeit bewahren.
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So
kann man für
diese wenig deformierten Bereiche eine Dehngrenze R0,2 > 250 MPa bzw. eine Vickershärte > 97 Hv erzielen, die
insbesondere eine gute Eindruckfestigkeit und darüber hinaus
ein exzellentes Oberflächenaussehen
sowie eine geringe Rückfederung
gewährleistet.
Demgegenüber
sind die während
dem Vorwärmen
und Tiefziehen teilentfestigten Bereiche weicher und lassen sich
dadurch später
gut einpressen. Die Kombination aus guter Eindruckfestigkeit in
der Mitte und guter Pressbarkeit am Rand eignet sich besonders gut
für Karosserieaußenbleche
wie Motorhauben, Türen
und Dächer.
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Für Dächer aus
Aluminiumlegierung, die auf einen Stahlrahmen montiert werden können, kann mit
dem Verfahren unter Verwendung einer Legierung mit hoher Dehngrenze
vor dem Kataphoreseschritt das Auftreten von bleibenden Deformationen aufgrund
der bei diesem Arbeitsgang stattfindenden unterschiedlichen thermischen
Ausdehnung vermieden werden. Für
Struktur- und Versteifungsteile, zum Beispiel Stoßfängerträger, Bodenverbindungen, Längsträger, Montagegestelle
und Türversteifungen, die
aus 2 bis 5 mm dicken Zuschnitten gefertigt werden, kann man Ziehtiefen erzielen,
die auf kaltem Wege nicht realisierbar sind, sowie eine geringe Reckfederung
und eine erhöhte
mechanische Festigkeit.
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In
bestimmten Fällen,
insbesondere bei Türverkleidungen,
kann sich die hohe Festigkeit schwach deformierter Teile, wie zum
Beispiel der Blende unter dem Scheibenrahmen, als günstig beim Frontalaufprall
erweisen, so dass die profilierte Versteifung dieses Bereichs dünner ausgebildet
werden kann.
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So
bietet das erfindungsgemäße Verfahren durch
den Einsatz von Blechen im kaltverfestigten Zustand einen großen Einstellspielraum
zur Erzielung der Endform mit den gewünschten Merkmalen. Wird ein
intermediärer
Werkstoffzustand mit einer Erwärmung
des Zuschnitts und geeigneten Werkzeugen kombiniert, kann die Dehngrenze
während
der Formgebung vorübergehend
herabgesetzt werden. Nach erfolgter Abkühlung erlangt das Teil wieder
eine hohe Festigkeit, die verglichen mit der des zugrundegelegten
Zuschnitts nur wenig beeinträchtigt
ist. Diese Wahl ist dann von großem Nutzen, wenn man einem
Teil für
Außenanwendungen
Einzelheiten aufprägen
will und dabei eine hohe Dehngrenze nach erfolgter Formgebung bewahrt
werden soll.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die Beschickung einer Tiefziehpresse in einem Rhythmus von
mindestens 6 Teilen pro Minute gewährleistet werden. Es ermöglicht im
Vergleich zum Kalttiefziehen eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften
im Hinblick auf die Formgebung und führt auf den geformten Erzeugnissen
zu mechanischen Eigenschaftsgradienten, die dazu beitragen, die
Einsatzfunktion des Fertigteils (zum Beispiel seine Crash- oder
Eindruckfestigkeit) zu verbessern oder spätere Fügevorgänge des geformten Bauteils (zum
Beispiel Einpressen) zu vereinfachen.
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Schließlich sorgt
der Vorwärmschritt
des Zuschnitts im erfindungsgemäßen Verfahren
für eine gute
Wärmestabilität des Verfahrens,
indem die Wärmeaustausche
zwischen Zuschnitt und Werkzeug begrenzt werden, die Vorrichtung
zum Erwärmen
der Werkzeuge vereinfacht werden kann und diese Werkzeuge bei der
Formgebung in hohen Stückzahlen
unempfindlicher werden gegenüber
Temperaturschwankungen.
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Beispiele
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Beispiel 1 (Tiefziehen einer Türverkleidung)
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wurde in einem einzigen Ziehschritt die in 1 dargestellte
Türverkleidung
mit einem integrierten Scheibenrahmen hergestellt, dessen Kastentiefe
mindestens 100 mm beträgt.
Die in diesem Teil vorliegenden Biegeradien sind eng (bis zu 6 bis
8 mm). Das Abfräsen
und Ausstanzen der Aussparungen erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt
mit herkömmlichen
Stanzwerkzeugen.
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Ausgegangen
wird von einem 1 mm dicken, parallelogrammförmigen Zuschnitt aus der Legierung 5754-O,
vorgeschmiert mit einer wässrigen
Emulsion, welche nach Verdunstung einen Trockenfilm auf Mineralölbasis (Paraffine
C14 bis C28) zurücklässt.
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Dieses
Teil ist mit dem konventionellen Tiefziehverfahren (auf kaltem Wege)
in einem einzigen Schritt nicht herstellbar: Es kommt zu Brüchen auf dem
Stempelradius, dort, wo das Metall durch Recken bei ebener Verformung
stark biegebeansprucht wird. Das Metall hat dann nicht mehr genug
Festigkeit, um das im Niederhalter eingepresste Material anzutreiben.
Eine Verminderung des Niederhalterdrucks führt zur Faltenbildung.
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Bei
der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Rand des Zuschnitts, der dem unter dem Niederhalter zum
Liegen kommenden Bereich (1) von 2 entspricht,
erwärmt,
um seine Dehngrenze herabzusetzen und dadurch auch bei hohen Niederhalterdrücken das
Fließen
des Metalls im Werkzeug zu erleichtern. Die Mitte des Zuschnitts hingegen,
insbesondere der auf dem Stempelradius durch Recken gebogene Bereich
bleibt kalt, um seine Festigkeit nicht zu beeinträchtigen.
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Der
Zuschnitt wird während
10 s durch Kontakt vorgewärmt.
Um eine örtliche
Erwärmung
durchzuführen,
wird ein Heizkeil, der die Form des zu erwärmenden Bereichs hat, unter
eine Heizplatte geschraubt. Der Zuschnitt wird sodann an diesen
Heizkeil gepresst und so auf eine Temperatur von 250°C erwärmt. 2 stellt
die Form des unter die Heizplatte geschraubten Heizkeils dar. Die
rapide Anheizzeit (10 s) ermöglicht
es, die Presse im Takt zu beschicken und einen Wärmegradienten im Zuschnitt
zu bewahren.
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Der
Zuschnitt wird unter der Tiefziehpresse, einer hydraulischen 900
Tonnen Presse, ausgestoßen.
Das Tiefziehwerkzeug besteht aus vier Elementen: einem Stempel,
einem Niederhalter und einer Matrize aus zwei Teilen. Der erste
Teil, der sog. Matrizenring, liegt dem Niederhalter gegenüber. Der zweite,
der sog. Matrizenboden, liegt dem Stempel gegenüber. Lediglich der Matrizenring
und der Niederhalter werden erwärmt,
und zwar über
U-förmige Heizwiderstände, die
an der Einzugslinie der Matrize entlang laufen. Der Matrizenboden,
der vom Matrizenring durch einen Luftspalt getrennt ist, und der Stempel
bleiben während
der gesamten Dauer des Versuchs bei einer Temperatur unterhalb 130°C.
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Der
Zuschnitt wird mit einer Stempelgeschwindigkeit von 200 mm/s tiefgezogen.
Das geformte Teil wird sodann aus der Presse ausgestoßen. Die
erreichbare Ziehleistung beträgt
6 bis 10 Zyklen pro Minute, was der Leistung einer klassischen Tiefziehstraße für Stahltürverkleidungen
entspricht. Durch die Kombination von örtlicher Vorwärmung des Zuschnitts
und Erwärmung
des Werkzeugs lassen sich die Wärmeaustausche
zwischen Zuschnitt und Werkzeug klein halten, so dass die thermische
Stabilität
des Verfahrens gewährleistet
ist.
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Beispiel 2: Türverkleidung mit Einwölbung
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- 2a – Es
wird ein ähnliches
Teil wie in Beispiel 1 hergestellt, das jedoch in einer Scheibenecke eine
besonders kritische Einwölbung
(3) aufweist, deren Geometrie in 2 dargestellt
ist. Bei Anwendung der gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1, d.
h. der Zuschnitt wird nur in dem in 2 dargestellten
Randbereich (1) vorgewärmt,
erscheint ein Bruch in der Endlage beim Ausbilden der Einwölbung (3).
Um zu versuchen, diesen Bruch zu verhindern, wurde die Vorwärmung des Zuschnitts
modifiziert und unter dem Heizschuh ein Heizkeil (2) hinzugefügt, um außer dem
Randbereich einen Eckbereich auf 300°C zu erwärmen, wie in 2 dargestellt.
Dabei wird festgestellt, dass das Metall zu welch wird, wenn der
Keil den gesamten Eckbereich bedeckt, und das Teil ohne Bruch nicht
herausgenommen werden kann. Wird dagegen nur im Nahbereich erwärmt, beiderseits
des für
die Einwölbung
(2) vorgesehenen Bereichs in 5 mm Entfernung davon, kann
das Teil ohne Bruch entnommen werden. In einem solchen Fall wäre es nicht
möglich
gewesen, diesen Bereich mit Hilfe des Werkzeugs zu erwärmen, da die
Kontaktzeit für
eine Erwärmung
auf 300°C
zu kurz ist. Es wird weiterhin eine starke Empfindlichkeit gegenüber der
Lage des Keils (2) festgestellt. Bei Verschieben der zusätzlichen
Heizzone um 2 cm in Richtung Rand wird ein Bruch im Einwölbungsradius
festgestellt. Wird sie um 2 cm nach innen verschoben, wird ein Bruch
innerhalb des durchsichtigen Scheibenbereichs festgestellt.
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Durch
die Kombination zwischen optimierter Vorwärmung des Zuschnitts und Erwärmung des Werkzeugs
kann dieses komplexe Teil in einer Zahl von 6 Stück pro Minute tiefgezogen und
dabei die thermische Stabilität
des Verfahrens gewährleistet werden.
- 2b – Es
werden die gleichen Arbeitsgänge
wie in Beispiel 2a durchgeführt,
jedoch mit einer Legierung 5052-O, die aus einem kontinuierlichen Stranggießen von
Bändern
zwischen Gießwalzen („twin roll
casting") hervorgeht.
Es entsteht mit den gleichen Verfahrensparametern ein bruchlos geformtes
Werkstück,
was mit diesem Werkstoff auf kaltem Wege unmöglich ist.
- 2c – Die
gleichen Arbeitsgänge
wie in Beispiel 2b werden erneut durchgeführt, jedoch mit einer Legierung
5052 im Warmwalzzustand, die aus einem kontinuierlichen Stranggießen von
Bändern zwischen
zwei Metallbändern
(„twin
belt casting") hervorgeht.
Das Ergebnis ist identisch.
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Beispiel 3: Türverkleidung, hergestellt aus
einem kaltverfestigtem uschnitt
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Es
wird das gleiche Teil wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch ausgehend
von einem Zuschnitt vom Typ 5182-H18 mit einer Dehngrenze oberhalb
300 MPa und einer Vickershärte
oberhalb 110 Hv. Der Zuschnitt wird mit einer gesättigten
Emulsion aus Lithiumstearat vorgeschmiert.
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Der
Zuschnitt ist zu hart, um geformt werden zu können. Die Aufgabe der Vorwärmung besteht
darin, die Umformung in den Bereichen, die stark deformiert werden,
d. h. den Randbereichen zu erleichtern. Diese Bereiche werden also
mit der gleichen Vorrichtung wie vorher vorgewärmt, allerdings auf eine Temperatur
von 350°C.
Durch die rapide örtliche Vorwärmung kann
im Zuschnitt ein starker Temperaturgradient aufrechterhalten werden
(250°C auf
10 cm).
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Die
Werkzeuge werden auf 300°C
erwärmt. Eine
einfache Regulierung ermöglicht
es, die Werkzeuge auf 300°C
zu halten, da der Wärmeaustausch mit
dem etwas wärmeren
Zuschnitt geringer ist. Während
der Formgebung führt
die Erwärmung
der deformierten Bereiche eine Herabsetzung der Fließspannung
herbei, wodurch sich das Tiefziehen ordnungsgemäß durchführen lässt, da das entfestigte Metall im
Werkzeug fließen
und geformt werden kann.
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Dagegen
behält
der wenig deformierte, nicht erwärmte
Bereich der Scheibenblende eine hohe mechanische Festigkeit bei
(Rm > 340
MPa bzw. Vickershärte > 105 Hv), die bei einem
Frontalaufprall günstig
ist. Das Versteifungsprofil in diesem Bereich kann deshalb ohne
allgemeinen Leistungsverlust dünner
ausgebildet werden.
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Beispiel 4 (Karosserieaußenhautteil:
Dach)
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Durch
Warmtiefziehen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Dach
aus der Legierung 5182 hergestellt. Eine der Gebrauchseigenschaften dieser
Art von Bauteil ist seine Eindruckfestigkeit, die in direktem Zusammenhang
mit der Dehngrenze steht. Da nun aber die Legierungen 5000 keine
aushärtenden
Legierungen sind im Gegensatz zu den Legierungen 6000, die beim
Einbrennen der Lacke aushärten,
muss das Teil nach erfolgter Formgebung eine ausreichend große Dehngrenze
aufweisen, um der Leistungsbeschreibung zu genügen. Ausgegangen wird deshalb
von einem 1 mm dicken Zuschnitt aus einer stark kaltverfestigten
Legierung 5182 im Zustand H14 mit einer Dehngrenze oberhalb 240 MPa,
d. h. einer Vickershärte > 95 Hv. Ein solcher
Zuschnitt kann mit dem herkömmlichen
Kalttiefziehverfahren nicht geformt werden.
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Es wird das gleiche Schmiermittel wie
in Beispiel 3 verwendet.
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Der
Zuschnitt wird 10 s unter einem Heizeisen vorgewärmt, das mit dem gesamten Zuschnitt
in Kontakt kommt. Denn im Gegensatz zu Beispiel 1 wird hier bevorzugt
der gesamte Zuschnitt auf 275°C erwärmt, um
die Endgeometrie besser in den Griff zu bekommen und die Linien
des Teils gut zu markieren. Das Werkzeug besteht aus drei Elementen:
einem Stempel, einem Niederhalter und einer Matrize. In die Elemente
werden Heizpatronen eingeführt,
um sie gleichmäßig auf
275°C zu
erwärmen.
Das Tiefziehen wird auf der gleichen 900 t Hydraulikpresse wie in den
vorhergehenden Beispielen mit einer Stempelgeschwindigkeit von 200
mm/s durchgeführt.
Die Tiefziehleistung beträgt
6 Stück
pro Minute.
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Dem
geformten Teil werden Proben entnommen, die zur Simulierung eines
Lackeinbrennzyklus in einen Ofen überführt werden (Halten auf 180° während 20
min). Ziehversuche zeigen, dass eine Dehngrenze von mehr als 220
MPa, d. h. eine Härte > 90 Hv erhalten bleibt,
was für
ein 1 mm starkes Blech ausreicht, um eine befriedigende Eindruckfestigkeit zu
erhalten.
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Schließlich kann
durch diese hohe Dehngrenze das Auftreten permanenter Fehler vermieden werden,
die beim Einbrennen der Lacke entstehen können. Denn obwohl das Teil
auf einem Stahlrahmen fixiert ist, kommt es durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zu einer größeren Dehnung
des Daches und damit zu einer Ausknickgefahr. Ist die Dehngrenze
des Daches gering, kann dieses Ausknicken zu irreversiblen Deformationen führen (Plastifikation),
aber mit einer hohen Dehngrenze verschwindet diese Gefahr.
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Beispiel 5 – Karosserieaußenhautteil:
Außenblech
für Motorhaube
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Wie
in Beispiel 4 wird eine kaltverfestigte Legierung 5182 zur Herstellung
eines Außenblechs
für ein
aufklappbares Fahrzeugteil (Motorhaube) verwendet. Die Kriterien
hinsichtlich Aussehen und Eindruckfestigkeit sind die gleichen wie
vorstehend. Allerdings muss das Außenblech auf ein Verkleidungsteil
gepresst werden. Die Konturen des Blechs müssen sich also einpressen lassen
können,
so dass an dieser Stelle eine formbarer Zuschnitt notwendig ist. Die
einzupressenden Bereiche befinden sich beim ersten Tiefziehschritt
unter dem Niederhalter.
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Es
wird also von einem stark kaltverfestigten Zustand H18 ausgegangen,
der sehr empfindlich gegenüber
der Formgebungstemperatur ist.
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Es
wird eine örtliche
Vorwärmung
auf 300°C im
Randbereich des Zuschnitts durchgeführt, um sowohl das Tiefziehen
zu erleichtern wie auch denjenigen Bereich zu entfestigen, der später eingepresst werden
soll. Wie in Beispiel 3 kann durch die rapide Kontakterwärmung ein
starker Temperaturgradient innerhalb des Teils aufrechterhalten
werden.
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Die
Tiefziehwerkzeuge werden gleichmäßig auf
300°C erwärmt. Der
Niederhalter führt
auf seiner Auflagefläche
die beim Vorwärmen
initiierte Entfestigung der einzupressenden Bereiche fort, während die
Erwärmung
im Stempelbereich dazu beiträgt,
die Dehngrenze vorübergehend
herabzusetzen und die Formen des Teils gut auszuprägen.
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Das
Enderzeugnis ist also ein Blech, das in seinem Mittenbereich aufgrund
seiner sehr kurzen Erwärmungszeit
auf 300°C
(nur während
des Tiefziehens) seine mechanischen Eigenschaften kaum verloren
hat: es ergibt sich folglich eine Dehngrenze R0,2 > 250 MPa bzw. eine
Vickershärte > 97 Hv. Dieser Bereich
weist somit eine gute Eindruckfestigkeit auf. Der Randbereich hingegen
weist eine geringere Dehngrenze, R0,2 < 160 MPa, bzw. eine
Vickershärte < 75 Hv auf. Er lässt sich
somit sehr gut umformen und auf ein Verkleidungsteil aufpressen.