EP2155917B1 - Verfahren zur herstellung eines lokal gehärteten profilbauteils - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines lokal gehärteten profilbauteils Download PDF

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EP2155917B1
EP2155917B1 EP08758760.6A EP08758760A EP2155917B1 EP 2155917 B1 EP2155917 B1 EP 2155917B1 EP 08758760 A EP08758760 A EP 08758760A EP 2155917 B1 EP2155917 B1 EP 2155917B1
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EP
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sheet metal
semifinished product
metal semifinished
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process according
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Eike Gerhard GÜCKER
Michael Ohlwein
Marco Abel
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D5/00—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves
    • B21D5/06—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves by drawing procedure making use of dies or forming-rollers, e.g. making profiles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D53/00—Making other particular articles
    • B21D53/88—Making other particular articles other parts for vehicles, e.g. cowlings, mudguards
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0221—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the working steps
    • C21D8/0226—Hot rolling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/005—Ferrite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/008—Martensite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a profile component, which has a structurally increased strength, at least in sections, from a sheet metal semifinished product.
  • Profile members having high structural strength are used, for example, in the automotive industry for the manufacture of structural parts, such as side impact beams, bumpers or reinforcements for the A, B or C pillars of a motor vehicle. Since such profile components very high demands are made in terms of their strength, are used for their production frequently acid-, higher and highest strength steels.
  • different forming processes can be used. By way of example, at this point bending processes, in particular roll forming, should be mentioned.
  • the European patent EP 1 052 295 B1 discloses a process for the production of structural parts in the automotive industry, which at least partially have a high strength and a minimum ductility of 5% to 10%.
  • the structural part by a soft state forming of boards, steel strip (in particular by roll profiling) or pipes configured and then brought by means of one of the structural part contour following, movable to the structural part, component encompassing inductor at least partially brought to the Austenitmaschinestemperatur required for curing and then cooled with a the inductor in the direction of movement tracking cooling unit.
  • the method known from the cited document is characterized primarily by the fact that the structural part is positioned substantially vertically and the inductor is displaced from top to bottom along the structural part, wherein the inductor and the cooling unit are relatively adjustable relative to each other and with a be displaced tool carriage connected.
  • the starting material is first deformed in a still soft state into a profile component with a defined profile cross-section.
  • the profile component is hardened in a subsequent process step by heating it to the austenitizing temperature and subsequently cooling it again.
  • a defined cooling then causes the desired hardening of the profile component.
  • the starting material must always be brought into a soft state before it can be profiled and cured.
  • the DE 101 20 063 A1 and the WO 92/16665 A disclose processes for the production of profile components, in which the flat starting material (semi-finished sheet metal) is first brought by cold forming in its final contour.
  • From the DE 101 20 063 A1 is another variant of a method for producing a profile component is known in which the starting material (sheet metal semi-finished product) is during molding at elevated temperature and therefore has a higher formability.
  • the starting material sheet metal semi-finished product
  • the present invention is based on the object to provide a method for producing a profile component available, which allows the production of profiled structures with defined zones of different, tailored to subsequent processing and / or application material and geometry properties.
  • a sheet metal semi-finished product is formed in an at least one-stage bending process and the bending process and subsequent separation and cutting operations of the sheet semifinished product are performed with a thermal treatment of at least one spatially limited area of the sheet semifinished product , which comprises at least one heating step and a subsequent cooling step, combined in such a way that the at least one spatially limited area after cooling has a structurally increased strength.
  • the sheet metal semifinished product can be provided as a coil to the process described above, for example in strip form.
  • a targeted removal of the introduced at least in a spatially limited area of the sheet metal semifinished heat can be achieved by a phase change during cooling advantageously in this area an increase in strength.
  • materials for the semi-finished sheet metal to prefer those which are at a sufficient Austenitmaschine above a transition temperature (Austenitmaschinestemperatur) A r3 during which the transformation of austenite to ferrite begins during cooling, are capable of sufficiently fast cooling rates a martensitic microstructure to develop.
  • a martensitic microstructure is characterized by high strength. This advantageous behavior, for example, 22MnB5 tempered steels, from which the semi-finished sheet can consist.
  • the heat removal from the at least one preheated area can be carried out at least partially by direct contact of the sheet metal semifinished product with the bending tool, which can also be operated cooled if necessary.
  • the use of liquid or gas-based cooling devices is possible in order to cool the semi-finished sheet media-based.
  • profile components can be produced with specifically adapted hardness properties.
  • the cured areas can be partially cured, fully cured or even partially hardened in sections and fully cured in sections.
  • the sheet metal semi-finished product is bent stationary.
  • the stationary bending of the sheet semifinished product can be done by swaging.
  • the bending of the sheet metal semifinished product in a roll forming device takes place by roll forming with a number of successive rolling steps.
  • the sheet metal semi-finished product is continuously bent in the roll profiling in a plurality of successive profile rolling passes and thus brought into the desired profile shape.
  • roll forming in particular, comparatively complex profile shapes and profile cross sections can also be produced.
  • a superimposition of thermal and mechanical mechanisms can be achieved in profile production in a continuous roll forming process in a particularly advantageous manner.
  • the gradual combination of local heat generation, shaping including any necessary cutting and separating operations and cooling can be precisely adjusted in their arrangement and microstructural design certain zones of increased strength.
  • a local spatial heating of the sheet metal semifinished product can be advantageously achieved by an inductive generation of an electromagnetic field or by a conductive current flow by means of the electrical resistance (or by a combination of these two methods) - ie by dissipation of electrical energy.
  • the possibility that the heat by one or more Laser light sources is introduced by an infrared radiation source or by means of a gas burner in defined areas of the sheet metal semi-finished product.
  • Laser light sources have the advantage that the laser light generated by them can be focused, for example, by simple means on a comparatively small spatially limited area of the sheet metal semifinished product in order to bring about a local heating in this area to the desired temperature.
  • the heating preferably does not take place exclusively by means of heating devices integrated on an inductive or else conductive basis in the process sequence (for example by inductors or conductive contact elements), but by means of electrical resistance heating in the form of contact with the shaping tools (rolling rollers) anyway for the purpose of transmitting the shaping force.
  • the cooling is advantageously carried out not only by direct heat removal by exposure to fluid coolants (preferably water) and / or gaseous coolants (preferably compressed air), but also by conduction through the contact of the sheet metal semi-finished with the forming forming tools (for example, with rollers of a roll forming ).
  • fluid coolants preferably water
  • gaseous coolants preferably compressed air
  • the rolling rolls can be equipped for this purpose with an internal cooling, in which the heat dissipation via a cooling medium by appropriate introduced into the interior of the tool cooling channels in a circulating system.
  • the cooling of the sheet metal semifinished product can in a particularly advantageous embodiment by heat conduction through the contact with the forming tools (rolling rollers) in combination with a direct cooling of the sheet semifinished product - for example by means of an (optionally supercooled) gas or with particulate ice (preferably dry ice) - take place.
  • the gas or dry ice is blasted with a high pressure in the outlet of the roll stand on both sides of the sheet semifinished product surface (Walzgutober Design).
  • Walzgutober Diagram a high pressure in the outlet of the roll stand on both sides of the sheet semifinished product surface
  • the particulate ice advantageously removes additional surface contaminants and / or oxidation residues, scale or the like from the surface of the rolling stock (sheet metal semifinished product) and / or the surfaces of the rolls.
  • the controllability of heat dissipation in terms of a targeted microstructure adjustment is significantly improved again. This can not be achieved by a pure quench cooling by means of fluid or gaseous cooling media, as used in the prior art.
  • the heating of at least one portion of the sheet semifinished product takes place prior to bending.
  • This embodiment is particularly preferred for stationary bending of the sheet metal semifinished product.
  • the production of a profile component with simultaneous exposure to heat can improve the processing properties during the molding in a particularly advantageous manner, since the deformation resistance can be reduced directly before each caused locally via the bending tools shape change or caused by special cutting tools material separation.
  • An at least partially preheated sheet metal semi-finished has advantages in these areas a reduced resistance to the desired shape change during the bending process.
  • a plurality of regions of the sheet metal semifinished product to be heated are preheated successively, wherein each heating step is followed by a bending and cooling step.
  • the semi-finished sheet metal is first bent in several bending steps into the desired geometric shape of the profile component and then heated at least in sections.
  • the desired for subsequent processing and / or application of the profile component strength properties can be adjusted.
  • the heating of the profile component thus takes place only after completion of molding and also after the implementation of a possibly necessary Bauteilbeitess.
  • the heat dissipation from the preheated areas of the sheet metal semifinished product can in this case via appropriate cooling media, which are connected downstream of the actual forming process.
  • the hardness properties of a profile component which is produced by single or multi-stage bending of a sheet semifinished product, can be adapted specifically to different later uses of the profile component.
  • An advantage of the method presented here is that the deformation of previously thermally treated, hardened areas of the sheet semifinished product is avoided due to their low formability, the resulting failure risk and beyond also due to the expected high forming forces. In other words, only such areas of the flat starting material are subjected to a partial thermal treatment by heating and cooling, which are not subject to direct forming during the subsequent roll forming.
  • the partial heating of the sheet metal semifinished product is not solely the initiation of a heat treatment with the aim of setting a defined structure state, but also to to increase the forming capacity of the base material of which the sheet metal semifinished product, to the extent that the process forces available in each individual forming step, a defect-free deformation to the desired extent is achieved.
  • This increase is based on the one hand on the higher processing temperature per se, on the other hand on simultaneously running thermally induced Entfest Trentsvorêtn. This can and should be done not only before the entry of the starting material in the sequence of Walzprofilier suitsen, but preferably also between the individual molding steps during roll forming.
  • the profile component may be produced by a method according to one of claims 1 to 14 and at least one partially cured area and / or at least one through-hardened area and / or at least one area which is partially cured and partially cured in sections. There is also the possibility that the profile component over its profile length at least partially having different profile cross-sections. Furthermore, in one embodiment, the profiled component can have different (changing) strength properties at least in sections over its profile length.
  • At least one profile member is used to make a component that is suitable for guiding and absorbing power of moving components and devices of a vehicle.
  • the use of the produced according to the method described above, at least partially cured profile components is particularly advantageous.
  • a guide rail for a safety belt with an increased deformation resistance can be produced, so that in particular Advantageously, a detachment of a substantially slid-shaped Gurtbefest Trent from the guide rail can be effectively prevented.
  • the profile component can also be used in an advantageous embodiment, a guide rail for a safety belt with an increased resistance to contact-bound wear when adjusting the carriage-shaped Gurtbestrien be prepared.
  • Another preferred example of use of the profile component forms the production of seat mounting rails with an increased deformation resistance, so that a detachment of the vehicle seat from its vehicle-mounted attachment can be advantageously prevented.
  • seat mounting rails with increased resistance to contact-related wear when adjusting the seating position can also be produced from the profile component.
  • Another advantageous example of using the profile member is to fabricate a sidewall guide rail for a sidewall sliding door of a motor vehicle, the sidewall guide rail having increased resistance to contact wear when opening and closing the door.
  • a side wall guide rail for a sliding door can be produced which has an increased resistance to deformation compared with the solutions known from the prior art, in order to be able to do so To prevent structural failure and the detachment of the sidewall sliding door in the event of an accident.
  • At least one profile member is used to make a structural member that has increased resistance to intrusion and is capable of receiving and degrading applied energy via a material or component deformation. Even with such components, the use of the at least partially hardened profile components produced by the method described above is particularly advantageous, which allows the strength properties of the profile components to be adjusted gradually.
  • a profile component provides the production of a part of a module cross member for a cockpit with an increased deformation resistance in order to prevent a structural failure in an accident by the force of an airbag module in a particularly advantageous manner.
  • the module cross member may in particular be an instrument panel carrier.
  • a further advantageous use of the profiled construction consists in the production of a module cross member (in particular a dashboard support) with an optimized Natural frequency behavior to avoid unwanted vibrations and thus improve the acoustics in the interior of the vehicle.
  • a carrier (longitudinal or transverse carrier) with an increased deformation resistance can also be produced from a profile component in order to cause structural failure in the region of the A, B and C pillars of the motor vehicle in the event of a front or side impact to prevent.
  • the profile component can also be used, for example, for producing a bumper support with an increased deformation resistance in order to advantageously prevent structural failure in the area of the crash boxes of the motor vehicle.
  • side impact beams with an increased deformation resistance can be produced from the profile component.
  • Such side impact beams are integrated into the body in order to increase the body rigidity and thereby improve the protection and the stability of the passenger compartment, in particular in the event of a side impact.
  • a partially hardened profile component By using a partially hardened profile component, a structural failure in the connection region to the door structure and thus in the mainly crash-loaded area can be prevented in an advantageous manner.
  • thermomechanical processes in a combined heating and shaping of the sheet semifinished product 2 for the production of the profile component 1 in a particularly preferred according to the present invention Walzprofilier vide which is carried out in a roll forming, shown schematically.
  • the three preferred embodiments shown here differ in particular by different process sequences in the at least partially heating of the sheet semifinished product 2 before, during or after the forming. Shown in each case is the time-dependent course of the temperature, which prevails in defined (spatially limited) areas A, B, C, D of the sheet semifinished product 2 before, during and after the individual forming steps.
  • the geometric shape of the sheet metal semifinished product 2 to produce a desired profile cross section to illustrate, in the upper part of the figures, respectively, the shaping of the sheet metal blank 2 is shown in the corresponding rolling step in the roll forming.
  • the bending of the sheet metal semifinished product 2, which may consist of a hardenable steel - for example of 22MnB5 - and optionally may also be at least partially coated, for forming a profile component 1 with defined geometric properties takes place in the in Fig. 1 to 3 shown process variants in a roll forming process with a number n consecutive rolling steps, in each of which a rolling pass is performed.
  • Fig. 1 to 3 only profile components 1 with an open. Profile cross-section are shown, it should be noted at this point that with the method presented here differently shaped profile components 1 of different complexity can be made with an open, with a partially open or even with a completely closed profile cross-section.
  • the profile components 1 over their entire profile length at least partially different (ie changing) profile cross-sections, so that in principle profile components 1 with an arbitrarily complex profile shape and mif an arbitrarily complex profile cross section can be produced.
  • non-inventive embodiment of the method for producing a profile component 1 is carried out a heating of the sheet metal semi-finished product 2 in defined, spatially limited areas A, C and D already immediately before the first, designated 1st roll pass in Walzprofiliervorraum.
  • the sheet metal blank 2 is heated locally before the first rolling pass in a central region A and two outer regions C and D to a temperature T which is greater than the transformation temperature A r3 , during which - during the cooling - the conversion from austenite to ferrite begins.
  • the remaining areas B of the sheet semifinished product 2 are not heated in contrast to the profiling and thus not specifically influenced thermally.
  • the sheet semifinished product 2 is in the defined areas A, C and D by an inductive generation of an electromagnetic field or by a conductive current flow by means of the electrical resistance or alternatively by a combination of these two methods - and therefore by dissipation of electrical energy - locally controlled on the Temperature T> A r3 heated.
  • other methods and corresponding devices for heat input into the localized areas A, C and D of the sheet semifinished product 2 can be used.
  • the controlled heat input by applying the sheet semifinished product 2 with laser light, which is generated by at least one laser light source, or with infrared radiation, which is generated by at least one infrared radiation source, or by the use of a gas burner.
  • the sheet metal blank 2 is formed in a first rolling pass with decreasing temperature after the maximum temperature has been reached in the areas A, C and D.
  • the first rolling pass takes place at a temperature which is still above the transformation temperature A r3 .
  • the for setting a desired microstructure in the locally preheated areas A, C and D of the sheet semifinished product 2 from this during the cooling necessary heat dissipation can be done in the first pass of Walzprofiliervoniervones, for example by conduction of heat in contact with the rolls of the roll forming. If necessary, the rolls of the roll forming device can also be operated cooled.
  • the heat dissipation from the preheated areas A, C and D of the sheet semifinished product 2 can also be effected by a media-based cooling, in which the sheet semifinished product is subjected to a liquid or gaseous coolant.
  • the rolling passes 2... N subsequent to the first rolling pass which are required for further shaping of the sheet semifinished product 2 to produce the final geometry of the profile component 1, take place in this exemplary embodiment at temperatures which are always below the transformation temperature A r1 in which the austenite to ferrite transformation is completed during the cooling:
  • the last (nth) rolling pass required for configuring the profile component 1 takes place in this embodiment at a temperature which is less than the transformation temperature M s is that during a rapid cooling abruptly the conversion of austenite to martensite occurs.
  • the final rolling pass may also be carried out at a temperature which is greater than the transformation temperature M s .
  • a so-called calibration pass which is carried out by means of a suitable calibration tool, also follows.
  • the change in the geometry of the profile component 1, which possibly occurs due to the formation of thermally induced residual stresses, can occur advantageously be compensated in a final rolling pass, the calibration pass, immediately after the simultaneous heat dissipation from the workpiece.
  • the profile component 1 is brought to the desired length by means of a separating and cutting device.
  • the method variant described here is particularly advantageous when, as a result of the heat influence in the defined areas A, C and D of the sheet metal semifinished product 2, a significant increase in strength has come about due to a so-called transformation hardening.
  • the locally defined regions A, C and D then have a drastically increased resistance to a further change in shape in a subsequent rolling step. This therefore means that preferably only those regions of the sheet metal semifinished product 2 should undergo such a heat treatment, which are no longer subject to any noticeable change in shape in the further process sequence.
  • a transformation of previously hardened areas A, C and D of the sheet semifinished product 2 is due to their low formability, the resulting failure risk and beyond also due to the expected high forming forces thus not.
  • a second embodiment of a method for producing a profile component 1 from a sheet metal semi-finished product 2 is explained in more detail below.
  • a heating of the sheet metal semifinished product 2 takes place in the defined areas A, C and D successively during roll profiling, in each case between the individual rolling steps.
  • a first (middle) region A of the sheet metal semifinished product 2 is locally heated to a temperature T which is greater than the transformation temperature A r3 (austenitizing temperature) prior to the first rolling pass.
  • the first rolling pass is performed in the roll forming device.
  • the area A of the sheet metal semifinished product 2 is again cooled to a temperature which is lower than the transformation temperature M s .
  • the cooling can in turn be effected by heat conduction in a contact of the sheet metal semifinished product 2 with the optionally cooled rolls of the rolling device and / or media-based by acting on the sheet semifinished product 2, in particular the locally preheated area, with a liquid or gaseous coolant.
  • a second (near-edge) region C of the sheet semifinished product 2 is locally heated to a temperature T which is greater than the transformation temperature A r3 .
  • the remaining areas, in particular the areas A and B of the sheet metal semifinished product 2, in contrast, are not specifically heated in this method step.
  • a second roll pass is performed to further profile the sheet semifinished product 2.
  • the preheated area C of the sheet semifinished product 2 is cooled again after the rolling pass to a temperature which is lower than the transformation temperature M s .
  • a further heating step which may optionally have been preceded by further rolling passes in which no local heating of the sheet semifinished product 2 is carried out
  • another (near-edge) region D is locally heated to a temperature T, which in turn is greater than the transformation temperature A. r3 is.
  • the other areas, in particular the areas A, B and C of the sheet metal semifinished product 2 are in contrast not specifically heated locally.
  • a further rolling pass is performed in order to further profile the sheet semifinished product 2. As in Fig. 2 to recognize the area C of the sheet semifinished product 2 is cooled after this rolling pass again to a temperature which is lower than the transformation temperature M s .
  • a calibration stitch in a calibration device can also be connected in this embodiment before the profile component 1 is then cut to its desired length by means of a separating and cutting device.
  • Fig. 2 shown method variant is particularly advantageous if it is on the one hand targeted to reduce the resistance to a desired in the immediate subsequent rolling step change in the geometric shape of the sheet metal blank 2, and if it is desirable on the other hand, these areas after the previous in the previous rolling passes already made local to adjust geometrical shape in their microstructure.
  • the targeted modification of the microstructure also increases the strength while simultaneously increasing the deformation resistance
  • only those areas of the flat sheet semifinished product 2 are subjected to a partial thermal treatment by heating and cooling, which are not subjected to direct forming during the subsequent roll forming steps.
  • Fig. 3 shows a third not belonging to the invention embodiment of a method for producing a profile component 1 from a sheet metal semi-finished product 2.
  • the heating in the locally defined areas A, C and D of the sheet semifinished product 2 only after completion of the generation of the final geometry of the profile component 1 in a previous sequence of n rolling passes in the roll forming.
  • the profiling of the Blechhaibzeugs 2 thus takes place at an ambient temperature which is substantially lower than the transformation temperature M s . It becomes clear that the defined areas A (central) and C and D (near the edge) of the sheet metal semifinished product 2 are simultaneously heated to a temperature T which is greater than the transformation temperature A r3 after the forming.
  • the local heating of the regions A, C and D after the final shaping of the sheet-metal semifinished product 2 to form a profile component 1 serves in this embodiment exclusively for the purpose of a thermally induced increase in the strength of the profile component 1 by a transformation hardening.
  • the change in the geometry of the profile component 1 which may occur as a result of the formation of thermally induced residual stresses can advantageously be compensated for in a final rolling pass, the so-called calibration pass, immediately after the heat removal taking place here simultaneously.
  • the locally deliberately heated areas A, C, and D are thus cooled again, so that in the calibration tool the calibration engraving can be carried out at a temperature which is slightly higher than the transformation temperature M s .
  • the targeted local heating and subsequent cooling of the spatially limited areas A, C and D of the sheet metal semifinished product 2 can be carried out in the manner described above with reference to Fig. 1 and 2 detailed.
  • the targeted local heating of the sheet semifinished product 2 does not take place exclusively by means of heating means integrated in the process sequence on an inductive or else conductive basis (for example by inductors or conductive contact elements), but by means of electrical resistance heating in any case for the purpose of transmitting the shaping force ongoing contact with the forming tools (rolling rollers).
  • the cooling of the sheet semifinished product 2 is advantageously carried out in all the process variants presented here not exclusively via direct heat removal by exposure to fluid coolants (preferably water) and / or gaseous coolants (preferably compressed air), but also by heat conduction via the contact of the sheet metal semifinished product 2 with the shaping Forming tools (here: rolling rolls).
  • the rolling rolls can be equipped for this purpose with an internal cooling, in which the heat dissipation via a cooling medium via appropriately introduced in the interior of the tool cooling channels in a circulating system.
  • the cooling of the sheet semifinished product 2 for example, by heat conduction via the contact with the forming tools (rolling rollers) in combination with a direct cooling of the sheet semifinished product 2 - for example by means of an optionally supercooled gas or with particularized ice (preferably dry ice) - done.
  • the gas or dry ice is blasted with a high pressure in the outlet of the roll stand on both sides of the sheet semifinished product surface (Walzgutober Design). It can by the irradiation into the roll gap in a particularly advantageous manner, a cooling of the rolling rolls done simultaneously.
  • the particulate ice advantageously removes additional surface contaminants and / or oxidation residues, scale or the like from the surface of the rolling stock and / or the surfaces of the rolls.
  • a first embodiment of a profile component 1 is shown, which can be produced by means of one of the methods presented here.
  • the profile component 1 has an open profile cross-section and has three regions 10, 11, 12 which, compared to the other regions, have a structurally increased strength induced by local heating and subsequent cooling.
  • a first region 10 with a structurally increased strength is formed in the profile sole of the profile component 1.
  • the two remaining regions 11, 12 with structurally increased strength are formed at the inwardly directed ends of the profile flanks.
  • Such a profile component 1 with three defined, spatially limited areas 10, 11, 12, which have a structurally increased strength can be used for example for producing a guide rail for a safety belt with an increased deformation resistance, so that a detachment of a substantially slid-shaped Gurtbefestrien can be effectively prevented from the guide rail.
  • the profile component 1 can also be used to a guide rail for a safety belt with a raised Resistance to contact wear when adjusting the carriage-shaped Gurtbefest Trent produce.
  • Fig. 5a and 5b show a second embodiment of a profile component 1, which has been produced by means of one of the methods presented here, and which also for producing a guide rail for a safety belt with the above with reference to Fig. 4a and 4b described properties can be used.
  • the profile component 1 has an open profile cross-section and has three regions 10, 11, 12 which, compared to the other regions, have a structurally increased strength induced by local heating and subsequent controlled cooling.
  • a first region 10 with a structurally increased strength is again formed in the profile sole of the profile component 1.
  • the two remaining regions 11, 12 with structurally increased strength are formed approximately in the middle of the profile flanks oriented substantially perpendicular to the profile sole.
  • profile components 1 which consist of the material 22MnB5 will be explained in more detail.
  • the hardness measured in accordance with DIN EN ISO 6507-1 (Vickers hardness HV1) is plotted over the distance from the outer edge of the contour development a.
  • the maximum local heating temperature in the production of profile components 1 was 900 ° C.
  • profile component 1 shown. III additionally designates the force-displacement profile of a fully hardened profile component 1 '.
  • a comparison of the measurement results shows that the two only partially cured profile components 1, which have been produced by one of the methods described herein, a lower tensile strength and a higher elongation at break than the fully cured profile component 1 '.
  • a guide rail 30 is shown, which is suitable for example for a door, a seat or a belt of a motor vehicle.
  • the guide rail 30 was produced by using a partially hardened profile component 1.
  • the profile component 1 from which the guide rail 30 has been produced has, in this exemplary embodiment, a first and a second partially hardened region 10, 10 ', which are arranged opposite one another, and a completely hardened region 11.
  • the at least partially hardened regions 10, 10 ', 11 enhance the resistance to deformation from dislodging a substantially slid-shaped strap attachment from the guide rail 30, and also provide increased resistance to contact wear when adjusting the strap attachment.
  • FIGS. 12 and 13 Another example of use for the profile components 1, 1 'presented here is in FIGS. 12 and 13 shown.
  • This is a basic profile 31 of an instrument panel support, which in this example is made of two closed and interconnected profile components 1, 1 'with different profile cross sections.
  • the first profile component 1 has approximately in its center a flattened region 10, which is partially hardened and is provided for a connection of the steering column of the motor vehicle.
  • the second profile component 1 ' has in this embodiment, a through-hardened area 11, which is provided for the airbag area.
  • the basic profile of the instrument panel support 31 can also be produced in other advantageous embodiments by using a single profile component 1, 1 'or by using more than two profile components 1, 1'.
  • a further advantageous use of the profile components 1, 1 ' consists in the production of a module cross member - in particular a (part of) an instrument panel carrier - with an optimized natural frequency behavior to avoid unwanted vibrations and thus to improve the acoustics in the interior of the vehicle
  • Fig. 14 finally shows a trained as an open structure profile side rail 32 of a motor vehicle.
  • the longitudinal member 32 has been produced from a profile component 1, which has a first partially hardened region 10, a second through-hardened region 11 and a third region 12, which is through-hardened in sections and partly hardened in sections.
  • the longitudinal member 32 further has three mounting portions 320, 321, 322, which may be part of the profile component 1 (but need not be mandatory), for connecting the longitudinal member 32 to the A-pillar, B-pillar or C-pillar of a vehicle.
  • the first mounting portion 320 for the A pillar, the second mounting portion 321 for the B pillar, and the third mounting portion for the C pillar are provided.
  • Fig. 15a to 15c Finally, three different patterns 40, 41, 42 of a heating zone are shown, in which the sheet semifinished product 2 can be heated at least in sections. In principle, various, freely selectable courses and forms of the heating zone pattern are conceivable.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils, das zumindest abschnittsweise eine strukturell erhöhte Festigkeit aufweist, aus einem Blechhalbzeug.
  • Profilbauteile, die eine hohe strukturelle Festigkeit aufweisen, werden beispielsweise im Automobilbau zur Herstellung von Strukturteilen, wie zum Beispiel Seitenaufprallträgern, Stossfängern oder Verstärkungen für die A-, B- oder C-Säulen eines Kraftfahrzeugs verwendet. Da an derartige Profilbauteile sehr hohe Anforderungen im Hinblick auf ihre Festigkeit gestellt werden, werden zu deren Herstellung häufg hoch-, höher- und höchstfeste Stähle verwendet. Zur Profilierung der Profilbauteile können unterschiedliche Umformverfahren eingesetzt werden. Beispielhaft sollen an dieser Stelle Biegeverfahren, insbesondere Walzprofilierverfahren, genannt werden.
  • Das europäische Patent EP 1 052 295 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Strukturteilen im Automobilbau, die zumindest bereichsweise eine hohe Festigkeit und eine Mindestdehnbarkeit von 5% bis 10% aufweisen. Bei diesem Verfahren wird das Strukturteil durch ein im weichen Zustand erfolgendes Umformen von Platinen, Bandstahl (insbesondere durch Rollprofilieren) oder Rohren konfiguriert und dann mittels eines der Strukturteilkontur folgenden, zu dem Strukturteil verfahrbaren, bauteilumgreifenden Induktor wenigstens partiell auf die zum Härten erforderliche Austenitisierungstemperatur gebracht und anschließend mit einer dem Induktor in Bewegungsrichtung nachgeführten Kühleinheit abgekühlt. Das aus der vorstehend genannten Druckschrift bekannte Verfahren zeichnet sich in erster Linie dadurch aus, dass das Strukturteil im Wesentlichen senkrecht positioniert wird und der Induktor von oben nach unten entlang des Strukturteils verlagert wird, wobei der Induktor und die Kühleinheit zueinander relativ verstellbar sind und mit einem verlagerbaren Werkzeugsschlitten verbunden werden.
  • Bei dem in der vorstehend genannten Druckschrift offenbarten Verfahren wird also das Ausgangsmaterial zunächst in einem noch weichen Zustand zu einem Profilbauteil mit definiertem Profilquerschnitt umgeformt. Um die gewünschte Festigkeit zu erlangen, wird das Profilbauteil in einem nachfolgenden Verfahrensschritt gehärtet, indem es auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend wieder abgekühlt wird. Eine definierte Abkühlung bewirkt dann die gewünschte Härtung des Profilbauteils. Ein Nachteil dieses aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens besteht darin, dass das Ausgangsmaterial stets in einen weichen Zustand gebracht werden muss, bevor es profiliert und gehärtet werden kann.
    Die DE 101 20 063 A1 und die WO 92/16665 A offenbaren Verfahren zur Herstellung von Profilbauteilen, bei denen das flache Ausgangsmaterial (Blechhalbzeug) zunächst durch Kaltumformen in seine Endkontur gebracht wird. Erst danach erfolgt eine Härtung (durch Erwärmen und anschließendes Abkühlen) zumindest partieller Bereiche des Profilbauteils. Den Erwärmungs- und Abkühlungsschritten wird dann allenfalls noch ein Kalibrierschritt nachgeschaltet, der jedoch nicht mehr der eigentlichen Herstellung der Profilgeometrie dient. Dadurch werden lediglich allfällige Geometrieabweichungen, die durch den thermischen Prozesseingriff entstanden sind, nachträglich korrigiert. Wenn in der WO 92/16665 A die Rede davon ist, dass nach dem Härten weitere Formgebungsoperationen folgen, dann sind damit keine weiteren Waizprofiiierschritte gemeint, sondern gänzlich alternative Umformoperationen (zum Beispiel stationäre Biege- oder Stanzoperatlonen).
  • Aus der DE 101 20 063 A1 ist eine weitere Variante eines Verfahrens zur Herstellung eines Profilbauteils bekannt, bei der sich das Ausgangsmaterial (Blechhalbzeug) während der Formgebung auf erhöhter Temperatur befindet und daher ein höheres Umformvermögen aufweist. Es bleibt jedoch unklar, wie bei diesem Verfahren eine Wärmeabfuhr und damit ein unerwünschtes Aufhärten des Werkstoffes im Kontakt mit den Umformwerkzeugen praktisch vermieden werden kann.
  • In der DE 103 39 1 19 B3 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils offenbart, das eine partielle oder vollständige Härtung durch Erwärmen und anschließendes Abkühlen vor der eigentlichen Formgebung vorsieht. Dabei werden die gehärteten Bereiche in jedem Fall nach dem Härten umgeformt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils zur Verfügung zu stellen, welches die Herstellung von Profilbautellen mit definierten Zonen unterschiedlicher, auf die spätere Weiterverarbeitung und/oder Anwendung maßgeschneiderten Werkstoff- und Geometrieeigenschaften ermöglicht.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils, das zumindest abschnittsweise eine strukturell erhöhte Festigkeit aufweist, wird ein Blechhalbzeug in einem mindestens einstufigen Biegeprozess umgeformt und der Biegeprozess sowie nachfolgende Trenn- und Schneidoperationen des Blechhalbzeugs werden mit einer thermischen Behandlung mindestens eines räumlich begrenzten Bereichs des Blechhalbzeugs, die mindestens einen Aufheizschritt und einen sich daran anschließenden Abkühlschritt umfasst, derart kombiniert, dass der mindestens eine räumlich begrenzte Bereich nach der Abkühlung eine strukturell erhöhte Festigkeit aufweist. Das Blechhalbzeug kann dem vorstehend beschriebenen Prozess beispielsweise in Bandform als Coil zur Verfügung gestellt werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Profilbauteile mit einem offenen, mit einem teilweise offenen oder auch mit einem vollständig geschlossenen Profilquerschnitt hergestellt werden. Es besteht ferner die Möglichkeit, dass die Profilbauteile über die gesamte Profillänge zumindest abschnittsweise unterschiedliche (sich ändernde) Profilquerschnitte aufweisen, so dass im Prinzip Profilbauteile mit beliebig komplexen Konfigurationen und Querschnittsformen hergestellt werden können.
  • Durch eine gezielte Abfuhr der zumindest in einen räumlich begrenzten Bereich des Blechhalbzeugs eingebrachten Wärme kann in vorteilhafter Weise in diesem Bereich eine Festigkeitssteigerung durch eine Phasenumwandlung beim Abkühlen erreicht werden. Dabei sind als Werkstoffe für das Blechhalbzeug solche zu bevorzugen, die bei einer hinreichenden Austenitisierung oberhalb einer Umwandlungstemperatur (Austenitisierungstemperatur) Ar3, bei der während des Abkühlens die Umwandlung von Austenit zu Ferrit beginnt, in der Lage sind, bei hinreichend schnellen Abkühlgeschwindigkeiten eine martensitische Gefügestruktur zu entwickeln. Eine martensitische Gefügestruktur ist durch höchste Festigkeiten gekennzeichnet. Dieses vorteilhafte Verhalten weisen zum Beispiel Vergütungsstähle vom Typ 22MnB5 auf, aus denen das Blechhalbzeugs bestehen kann.
  • Die Wärmeabfuhr aus dem mindestens einen vorerwärmten Bereich kann zumindest teilweise durch einen unmittelbaren Kontakt des Blechhalbzeugs mit dem Biegewerkzeug erfolgen, welches bei Bedarf auch gekühlt betrieben werden kann. Zusätzlich ist der Einsatz flüssigkeits- oder gasbasierter Kühleinrichtungen möglich, um das Blechhalbzeug medienbasiert zu kühlen.
  • Der besondere Vorteil der hier vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass Profilbauteile mit gezielt angepassten Härteeigenschaften hergestellt werden können. So ist es zum Beispiel möglich, ein Profilbauteil herzustellen, das abschnittsweise gehärtete und abschnittsweise nicht gehärtete Bereiche aufweist. Die gehärteten Bereiche können teilgehärtet, vollständig gehärtet oder auch abschnittsweise teilgehärtet und abschnittsweise vollständig gehärtet sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass das Blechhalbzeug stationär gebogen wird. Beispielsweise kann das stationäre Biegen des Blechhalbzeugs durch Gesenkbiegen erfolgen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Biegen des Blechhalbzeugs in einer Walzprofiliervorrichtung durch Walzprofilieren mit einer Anzahl aufeinander folgender Walzschritte erfolgt. Das Blechhalbzeug wird dabei in der Walzprofiliervorrichtung kontinuierlich in einer Mehrzahl aufeinander folgender Profilwalzstiche gebogen und so in die gewünschte Profilform gebracht. Durch Walzprofilieren können insbesondere auch vergleichsweise komplexe Profilformen und Profilquerschnitte erzeugt werden. Eine Überlagerung thermischer und mechanischer Mechanismen lässt sich bei der Profilherstellung in einem kontinuierlichen Walzprofilierprozess in besonders vorteilhafter Weise erreichen. Durch die schrittweise Kombination von lokaler Wärmegenerierung, Formgebung einschließlich der gegebenenfalls notwendigen Schneid- und Trennoperationen und Abkühlung können exakt in ihrer Anordnung und mikrostrukurellen Gestaltung bestimmte Zonen erhöhter Festigkeit eingestellt werden.
  • Eine lokale räumliche Erwärmung des Blechhalbzeugs kann vorteilhaft durch eine induktive Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes oder durch einen konduktiven Stromdurchfluss mittels des elektrischen Widerstands (oder durch eine Kombination dieser beiden Verfahren) - also durch Dissipation elektrischer Energie - erreicht werden. Es besteht in weiteren vorteilhaften Ausführungsformen auch die Möglichkeit, dass die Wärme durch einen oder mehrere Laserlichtquellen, durch eine Infrarotstrahlungsquelle oder mittels eines Gasbrenners in definierte Bereiche des Blechhalbzeugs eingebracht wird. Laserlichtquellen haben den Vorteil, dass das von ihnen erzeugte Laserlicht zum Beispiel mit einfachen Mitteln auch auf einen vergleichsweise kleinen räumlich begrenzten Bereich des Blechhalbzeugs fokussiert werden kann, um in diesem Bereich eine lokale Erwärmung auf die gewünschte Temperatur zu bewirken. Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung nicht ausschließlich mittels eigens hierfür in den Verfahrensablauf integrierter Erwärmungseinrichtungen auf induktiver oder auch konduktiver Basis (zum Beispiel durch Induktoren oder konduktive Kontaktelemente), sondern mittels elektrischer Widerstandserwärmung beim ohnehin zwecks Übertragung der Formgebungskraft stattfindenden Kontakt mit den formgebenden Werkzeugen (Walzrollen).
  • Die Abkühlung erfolgt vorteilhaft nicht ausschließlich über eine direkte Wärmeabfuhr durch eine Beaufschlagung mit fluiden Kühlmitteln (vorzugsweise Wasser) und/oder gasförmigen Kühlmitteln (vorzugsweise Druckluft), sondern auch durch Wärmeleitung über den Kontakt des Blechhalbzeugs mit den formgebenden Umformwerkzeugen (zum Beispiel mit Walzrollen einer Walzprofiliervorrichtung). Die Walzrollen können zu diesem Zweck mit einer Innenkühlung ausgestattet sein, bei der der Wärmeabtransport über ein Kühlmedium durch entsprechende in das Innere des Werkzeugs eingebrachte Kühlkanäle in einem Umlaufsystem erfolgt. Damit wird die Wärmeabfuhr im Sinne einer gezielten Gefügeeinstellung in besonders vorteilhafter Weise wesentlich exakter kontrollierbar als es mit einer reinen Medienkühlung überhaupt denkbar ist.
  • Die Abkühlung des Blechhalbzeugs kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform durch Wärmeleitung über den Kontakt mit den formgebenden Werkzeugen (Walzrollen) in Kombination mit einer direkten Kühlung des Blechhalbzeugs - beispielsweise mittels eines (gegebenenfalls unterkühlten) Gases oder mit partikularisiertem Eis (vorzugsweise Trockeneis) - erfolgen. Dabei wird das Gas beziehungsweise Trockeneis mit einem hohen Druck in den Auslauf des Walzgerüstes beidseitig auf die Blechhalbzeugoberfläche (Walzgutoberfläche) gestrahlt. Dabei kann durch das Einstrahlen in den Walzspalt in besonders vorteilhafter Weise gleichzeitig eine Kühlung der Walzrollen erfolgen. Durch das partikularisierte Eis werden vorteilhaft zusätzliche Oberflächenverschmutzungen und/oder Oxidationsrückstände, Zunder oder dergleichen von der Oberfläche des Walzguts (Blechhalbzeugs) und/oder den Oberflächen der Walzen entfernt. Damit wird die Kontrollierbarkeit der Wärmeabfuhr im Sinne einer gezielten Gefügeeinstellung nochmals wesentlich verbessert. Dies ist durch eine eine reine Abschreckkühlung mittels fluider oder gasförmiger Kühlmedien, wie sie im Stand der Technik eingesetzt wird, so überhaupt nicht erreichbar.
  • Es kann in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Erwärmung mindestens eines Bereichs des Blechhalbzeugs vor dem Biegen erfolgt. Diese Ausführungsform ist insbesondere beim stationären Biegen des Blechhalbzeugs bevorzugt.
  • Die Herstellung eines Profilbauteils unter gleichzeitiger Wärmeeinwirkung kann die Verarbeitungseigenschaften während der Formgebung in besonders vorteilhafter Weise verbessern, da der Formänderungswiderstand unmittelbar vor der jeweils lokal über die Biegewerkzeuge bewirkten Formänderung beziehungsweise der über spezielle Schneidwerkzeuge bewirkten Werkstofftrennung gezielt herabgesetzt werden kann. Ein zumindest bereichsweise vorerwärmtes Blechhalbzeug weist in diesen Bereichen vorteilhaft einen verminderten Widerstand gegen die angestrebte Formänderung während des Biegeprozesses auf.
  • Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform werden mehrere zu erwärmende Bereiche des Blechhalbzeugs nacheinander vorerwärmt, wobei auf jeden Erwärmungsschritt ein Biege- und Abkühlschritt folgt.
  • Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Variante des Herstellungsverfahrens wird das Blechhalbzeug zunächst in mehreren Biegeschritten in die gewünschte geometrische Form des Profilbauteils gebogen und anschließend mindestens abschnittsweise erwärmt. Bei dieser Variante können die für die spätere Weiterverarbeitung und/oder Anwendung des Profilbauteils gewünschten Festigkeitseigenschaften eingestellt werden. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Erwärmung des Profilbauteils somit erst nach abgeschlossener Formgebung und auch nach der Durchführung eines gegebenenfalls nötigen Bauteilbeschnitts. Die Wärmeabfuhr aus den vorerwärmten Bereichen des Blechhalbzeugs kann in diesem Fall über entsprechende Kühlmedien, die dem eigentlichen Umformprozess nachgeschaltet sind, erfolgen.
  • Bei der Abkühlung kann es unter Umständen zu einem unerwünschten Bauteilverzug kommen. Im Falle ausgeprägter Temperaturgradienten kann es darüber hinaus auf Grund lokal unterschiedlicher Volumenausdehnungen im Werkstück zu einem Bauteilversagen durch Rissbildung kommen. Beide Effekte können in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform durch die Überlagerung mechanischer Spannungen in einem Kalibrierwerkzeug und durch eine entsprechende Wärmeabfuhr über Wärmeleitung unterdrückt werden. Es kann dabei zweckmäßig sein, einen eventuell notwendigen Profilbauteilbeschnitt bei dieser Variante des Verfahrens bereits vor der thermisch induzierten Härtung durchzuführen.
  • Mit Hilfe des im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgestellten Verfahrens können die Härteeigenschaften eines Profilbauteils, das durch ein- oder mehrstufiges Biegen eines Blechhalbzeugs hergestellt wird, gezielt an unterschiedliche spätere Verwendungen des Profilbauteils angepasst werden.
  • Es hat sich gezeigt, dass nahezu jede Variante der Einbringung festigkeitsgesteigerter Bereiche in das Profilbauteil durch gezielten lokalen Wärmeeintrag während des Profilierens zu einer Verbesserung des Funktionsverhaltens des Profilbauteils führt. Darüber hinaus kann auf der Grundlage dieses verbesserten Funktionsverhaltens in besonders vorteilhafter Weise eine Gewichtsreduzierung durch eine im Vergleich zu einem thermisch nicht beeinflussten Bauteil verringerte Blechdicke ohne Einbußen im Anwendungsverhalten erreicht werden
  • Ein Vorteil des hier vorgestellten Verfahrens besteht darin, dass die Umformung zuvor thermisch behandelter, gehärteter Bereiche des Blechhalbzeugs aufgrund ihrer geringen Umformbarkeit, des daraus resultierenden Versagensrisikos und darüber hinaus auch aufgrund der zu erwartenden hohen Umformkräfte vermieden wird. Mit anderen Worten werden also nur solche Bereiche des flachen Ausgangsmaterials einer partiellen thermischen Behandlung durch Erwärmen und Abkühlen unterzogen, die während des nachfolgenden Walzprofilierens keiner direkten Umformung unterliegen.
  • Vorliegend dient die partielle Erwärmung des Blechhalbzeugs nicht alleine der Initiierung einer Wärmebehandlung mit dem Ziel der Einstellung eines definierten Gefügezustandes, sondern auch dazu, das Umformvermögen des Grundwerkstoffes, aus dem das Blechhalbzeug besteht, in dem Maße zu erhöhen, dass mit den in jedem einzelnen Umformschritt verfügbaren Prozesskräften eine defektfreie Umformung im gewünschten Umfang erreicht wird. Dabei basiert diese Erhöhung einerseits auf der höheren Verarbeitungstemperatur an sich, andererseits auf gleichzeitig ablaufenden thermisch induzierten Entfestigungsvorgängen. Dies kann und sollte nicht nur vor dem Einlauf des Ausgangsmaterials in die Folge von Walzprofilierschritten geschehen, sondern vorzugsweise auch zwischen den einzelnen Ausformungsschritten während des Walzprofilierens.
  • Bei dem hier vorgestellten Verfahren besteht die Möglichkeit, dass die Wärmebehandlung des Blechhalbzeugs nicht vor dem Beginn der eigentlichen Profilherstellung durch Walzprofilieren beziehungsweise nach erfolgter Profilausformung stattfindet, sondern vielmehr gezielt in mehreren Zwischenschritten erfolgt. Dabei erfolgt die Positionierung dieser Wärmebehandlungszwischenschritte nach klaren methodischen Grundsätzen:
    • Positionierung der lokalen Wärmebehandlung nach der Notwendigkeit einer gleichzeitigen Erhöhung des lokalen Umformvermögens.
    • Positionierung der lokalen Wärmebehandlung immer dann, wenn die in den vorhergehenden Kaltumformschritten erfolgte Kaltverfestigung zu einem für die weitere Umformung nicht hinreichenden Restumformvermögen geführt hat, das durch eine thermisch induzierte Entfestigung im für die nachfolgende Umformung notwendigen Umfang wieder erhöht werden kann,
    • Positionierung der lokalen Wärmebehandlung immer dann, wenn die betreffenden Geometriebereiche des Blechhalbzeugs keiner nennenswerten Umformung in der weiteren Prozessfolge ausgesetzt sind.
  • Das Profilbauteil kann durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt sein und mindestens einen teilgehärteten Bereich und/oder mindestens einen durchgehärteten Bereich und/oder mindestens einen Bereich, der abschnittsweise durchgehärtet und abschnittsweise teilgehärtet ist, aufweisen. Es besteht zudem die Möglichkeit, dass das Profilbauteil über seine Profillänge zumindest abschnittsweise unterschiedliche Profilquerschnitte aufweist. Des Weiteren kann das Profilbauteil in einer Ausführungsform über seine Profillänge zumindest abschnittsweise unterschiedliche (sich ändernde) Festigkeitseigenschaften aufweisen.
  • Bei einer Verwendung wird mindestens ein Profilbauteil zur Herstellung eines Bauteils, das zur Führung und Energieaufnahme von beweglichen Komponenten und Vorrichtungen eines Fahrzeugs geeignet ist, verwendet. Gerade bei derartigen Bauteilen ist die Verwendung der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten, zumindest partiell gehärteten Profilbauteile besonders vorteilhaft.
  • Beispielsweise kann aus einem derartigen Profilbauteil eine Führungsschiene für einen Sicherheitsgurt mit einem erhöhten Deformationswiderstand hergestellt werden, so dass in besonders vorteilhafter Weise ein Herauslösen einer im Wesentlichen schlittenförmigen Gurtbefestigung aus der Führungsschiene wirksam verhindert werden kann.
  • Das Profilbauteil kann in einer vorteilhaften Ausführungsform auch dazu verwendet werden, eine Führungsschiene für einen Sicherheitsgurt mit einem erhöhten Widerstand gegen kontaktgebundenen Verschleiß beim Verstellen der schlittenförmigen Gurtbestigung hergestellt werden.
  • Ein weiteres bevorzugtes Verwendungsbeispiel der Profilbauteil bildet die Herstellung von Sitzbefestigungsschienen mit einem erhöhten Deformationswiderstand, so dass ein Herauslösen des Fahrzeugsitzes aus seiner fahrzeugseitigen Befestigung vorteilhaft verhindert werden kann.
  • Aus dem Profilbauteil können beispielsweise auch Sitzbefestigungsschienen mit einem erhöhten Widerstand gegen kontaktgebundenen Verschleiß beim Verstellen der Sitzposition hergestellt werden.
  • Ein weiteres vorteilhaftes Beispiel einer Verwendung des Profilbauteils besteht in der Herstellung einer Seitenwandführungsschiene für eine Seitenwandschiebetür eines Kraftfahrzeugs, wobei die Seitenwandführungsschiene einen erhöhten Widerstand gegen einen kontaktgebundenem Verschleiß beim Öffnen und Schließen der Tür aufweist.
  • Des Weiteren kann aus dem Profilbauteil eine Seitenwandführungsschiene für eine Schiebetür hergestellt werden, die einen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen erhöhten Deformationswiderstand aufweist, um damit ein Strukturversagen und das Herauslösen der Seitenwandschiebetür bei einem Unfall zu verhindern.
  • Bei einer anderen Verwendung wird mindestens ein Profilbauteil zur Herstellung eines Strukturbauteils verwendet, das einen erhöhten Widerstand gegen Intrusion aufweist und zur Aufnahme sowie zum Abbau von einwirkender Energie über eine Werkstoffbeziehungsweise Bauteildeformation geeignet ist. Auch bei derartigen Bauteilen ist die Verwendung der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten, zumindest partiell gehärteten Profilbauteile besonders vorteilhaft, das sich die Festigkeitseigenschaften der Profilbauteile graduell einstellen lassen.
  • Beispielsweise kann aus dem Profilbauteil ein Teil eines Modulquerträgers für ein Cockpit eines Kraftfahrzeugs mit einem erhöhten Deformationswiderstand hergestellt werden, so dass ein Strukturversagen im Falle eines Unfalls durch die Krafteinwirkung auf die Lenksäule wirksam vermieden werden kann.
  • Ein weiteres Verwendungsbeispiel eines Profilbauteils liefert die Herstellung eines Teils eines Modulquerträgers für ein Cockpit mit einem erhöhten Deformationswiderstand, um ein Strukturversagen bei einem Unfall durch die Krafteinwirkung eines Airbagmoduls in besonders vorteilhafter Weise zu verhindern.
  • Der Modulquerträger kann insbesondere ein Instrumententafelträger sein.
  • Eine weitere vorteilhafte Verwendung des Profilbautells besteht In der Herstellung eines Modulquerträgers (insbesondere eines Instrumententafelträgers) mit einem optimierten Eigenfrequenzverhalten, um unerwünschte Schwingungen zu vermeiden und damit die Akustik im Innenraum des Fahrzeugs zu verbessern.
  • Aus einem Profilbauteil kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beispielsweise auch ein Träger (Längs- oder Querträger) mit einem erhöhten Deformationswiderstand hergestellt werden, um ein Strukturversagen im Bereich der A-, B- und C-Säule des Kraftfahrzeugs im Falle eines Front- beziehungsweise Seitenaufpralls zu verhindern.
  • Ferner kann das Profilbauteil zum Beispiel auch zur Herstellung eines Stoßfängerträgers mit einem erhöhten Deformationswiderstand verwendet werden, um vorteilhaft ein Strukturversagen im Bereich der Crashboxen des Kraftfahrzeugs zu verhindern.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Verwendung kann aus dem Profilbauteiliein Seitenaufprallträger mit einem erhöhten Deformationswiderstand hergestellt werden. Derartige Seitenaufprallträger werden in die Karosserie integriert, um die Karosseriesteifigkeit zu erhöhen und dadurch insbesondere bei einem Seitenaufprall den Schutz und die Stabilität der Fahrgastzelle zu verbessern. Durch die Verwendung eines bereichsweise gehärteten Profilbauteils kann in vorteilhafter Weise ein Strukturversagen im Anbindungsbereich zur Türstruktur und damit im hauptsächlich crashbelasteten Bereich verhindert werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
    • Fig. 1
    schematisch die thermischen und mechanischen Prozessabläufe bei der Herstellung eines Profilbauteils aus einem Blechhalbzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines nicht zur Erfindung gehörenden Verfahrens;
    Fig. 2
    schematisch die thermischen und mechanischen Prozessabläufe bei der Herstellung eines Profilbauteils aus einem Blechhalbzeug gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 3
    schematisch die thermischen und mechanischen Prozessabläufe bei der Herstellung eines Profilbauteils aus einem Blechhalbzeug gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel eines nicht zur Erfindung gehörenden Verfahrens;
    Fig. 4a
    ein erstes Ausführungsbeispiel eines Profilbauteils, das mittels des hier vorgestellten Verfahrens hergestellt worden ist und mehrere Zonen mit definiert erhöhter Festigkeit aufweist;
    Fig. 4b
    eine perspektivische Darstellung des Profilbauteils gemäß Fig. 4a;
    Fig. 5a
    ein erstes Ausführungsbeispiel eines Profilbauteils, das mittels des hier vorgestellten Verfahrens hergestellt worden ist und mehrere Zonen mit definiert erhöhter Festigkeit aufweist;
    Fig. 5b
    eine perspektivische Darstellung des Profilbauteils gemäß Fig. 5a;
    Fig. 6
    ein Härteprofil über die Abwicklung der Bauteilkontur des Profilbauteils gemäß Fig. 4a und 4b;
    Fig. 7
    ein Härteprofil über die Abwicklung der Bauteilkontur des Profilbauteils gemäß Fig. 5a und 5b;
    Fig. 8
    die Kraft-Weg-Vertäufe der in Fig. 4a, 4b und 5a, 5b dargestellten Profilbauteile bei einer Zugbeanspruchung;
    Fig. 9
    die Kraft-Weg-Verläufe der in Fig. 4a, 4b und 5a, 5b dargestellten Profilbauteile bei einem Dreipunkt-Biegeversuch;
    Fig. 10
    eine perspektivische Darstellung einer Führungsschiene für eine Tür, einen Sitz oder dergleichen eines Kraftfahrzeugs;
    Fig. 11
    eine Darstellung des Profilquerschnitts der Führungsschiene gemäß Fig. 10;
    Fig. 12
    eine perspektivische Darstellung eines Grundprofils eines Instrumententafelträgers mit einem geschlossenen Profilquerschnitt;
    Fig. 13
    eine Darstellung des Profilquerschnitts eines Profilbauteils des Instrumententafelträgers gemäß Fig. 12;
    Fig. 14
    eine perspektivische Ansicht eines Trägerbauteils eines Kraftfahrzeugs;
    Fig. 15a
    eine schematische Darstellung eines ersten Aufheizmusters zum Aufheizen des Blechhalbzeugs;
    Fig. 15b
    eine schematische Darstellung eines zweiten Aufheizmusters zum Aufheizen des Blechhalbzeugs;
    Fig. 15b
    eine schematische Darstellung eines dritten Aufheizmusters zum Aufheizen des Blechhalbzeugs.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 sollen nachfolgend drei verschiedene vorteilhafte Ausführungsbeispiele -eines Verfahrens zur Herstellung eines Profilbauteils 1 aus einem vorzugsweise bandartigen Blechhalbzeug 2 näher erläutert werden. In Fig. 1 bis 3 sind zu diesem Zweck die thermomechanischen Prozessabläufe bei einer kombinierten Erwärmung und Formgebung des Blechhalbzeugs 2 zur Herstellung des Profilbauteils 1 in einem gemäß der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugten Walzprofilierverfahren, das in einer Walzprofiliervorrichtung durchgeführt wird, schematisch dargestellt.
  • Die drei hier gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich insbesondere durch verschiedene Prozessabläufe bei der zumindest bereichsweisen Erwärmung des Blechhalbzeugs 2 vor, während beziehungsweise nach dem Umformen. Dargestellt ist jeweils der zeitabhängige Verlauf der Temperatur, die in definierten (räumlich begrenzten) Bereichen A, B, C, D des Blechhalbzeugs 2 vor, während und nach den einzelnen Umformschritten herrscht. Um neben dem Temperaturverlauf auch die geometrische Formgebung des Blechhalbzeugs 2 zur Erzeugung eines gewünschten Profilquerschnitts zu veranschaulichen, ist im oberen Bereich der Figuren jeweils die Formung des Blechhalbzeugs 2 beim entsprechenden Walzschritt in der Walzprofiliervorrichtung dargestellt.
  • In Fig. 1 bis 3 bezeichnen ferner:
    1. 1. Ar3 die Umwandlungstemperatur, bei der - während der Abkühlung - die Umwandlung von Austenit zu Ferrit beginnt. Bei Bor-Mangan-legierten Vergütungsstählen, wie zum Beispiel 22MnB5, liegt die Umwandlungstemperatur Ar3 typischerweise bei 850°C ± 100°C;
    2. 2. Ar1 die Umwandlungstemperatur, bei der - während der Abkühlung - die Umwandlung von Austenit zu Ferrit beendet ist Bei Bor-Mangan-Iegierten Vergütungsstählen, wie zum Beispiel 22MnB5, liegt die Umwandlungstemperatur Ar1 typischerweise bei 650°C ± 100°C;
    3. 3. Ms die Umwandlungstemperatur, bei der - während einer raschen Abkühlung - die Umwandlung von Austenit zu Martensit schlagartig erfolgt. Bei Bor-Mangan-Iegierten Vergütungsstählen, wie zum Beispiel 22MnB5, liegt diese Umwandlungstemperatur typischerweise bei ca. 400 °C ± 100 °C.
    4. 4. α: Ferrit (bei schneller Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb von Ms bildet sich eine Gefügevariante aus, die als Martensit bezeichnet wird und sich durch ein gehärtetes Gefüge mit hoher Festigkeit auszeichnet);
    5. 5. α+γ: Ferrit und Austenit liegen gleichzeitig vor. Je weiter die Temperatur unter die Umwandlungstemperatur Ar3 absinkt desto größer ist der Anteil an Ferrit und desto geringer ist der Anteil an Austenit.
    6. 6. y: Austenit
  • Das Biegen des Blechhalbzeugs 2, welches aus einem härtbaren Stahl - beispielsweise aus 22MnB5 - bestehen kann und gegebenenfalls auch zumindest teilweise beschichtet sein kann, zur Formung eines Profilbauteils 1 mit definierten geometrischen Eigenschaften erfolgt bei den in Fig. 1 bis 3 gezeigten Verfahrensvarianten in einem Walzprofilierprozess mit einer Anzahl n aufeinander folgender Walzschritte, in denen jeweils ein Walzstich ausgeführt wird. Obwohl in Fig. 1 bis 3 nur Profilbauteile 1 mit einem offenen. Profilquerschnitt dargestellt sind, soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass mit dem hier vorgestellten Verfahren verschieden geformte Profilbauteile 1 unterschiedlicher Komplexität mit einem offenen, mit einem teilweise offenen oder auch mit einem vollständig geschlossenen Profilquerschnitt hergestellt werden können. Es besteht dabei auch die Möglichkeit, dass die Profilbauteile 1 über ihre gesamte Profillänge zumindest abschnittsweise unterschiedliche (also sich ändernde) Profilquerschnitte aufweisen, so dass im Prinzip Profilbauteile 1 mit einer beliebig komplexen Profilform ünd mif einem beliebig komplexen Profilquerschnitt hergestellt werden können.
  • Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten ersten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Profilbauteils 1 erfolgt eine Erwärmung des Blechhalbzeugs 2 in definierten, räumlich begrenzten Bereichen A, C und D bereits unmittelbar vor dem ersten, mit 1. bezeichneten Walzstich in der Walzprofiliervorrichtung. Wie in Fig. 1 zu erkennen, wird das Blechhalbzeug 2 vor dem ersten Walzstich in einem mittleren Bereich A und zwei weiter außen liegenden Bereichen C und D lokal auf eine Temperatur T erwärmt, die größer als die Umwandlungstemperatur Ar3 ist, bei der - während der Abkühlung - die Umwandlung von Austenit zu Ferrit beginnt. Die übrigen Bereiche B des Blechhalbzeugs 2 werden demgegenüber bei der Profilierung nicht erwärmt und damit auch nicht gezielt thermisch beeinflusst.
  • Vorzugsweise wird das Blechhalbzeug 2 in den definierten Bereichen A, C und D durch eine induktive Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes oder durch einen konduktiven Stromdurchfluss mittels des elektrischen Widerstands oder alternativ durch eine Kombination dieser beiden Verfahren - mithin also durch Dissipation elektrischer Energie - lokal kontrolliert auf die Temperatur T > Ar3 erwärmt. Alternativ können auch andere Verfahren und entsprechende Vorrichtungen zur Wärmeeinbringung in die lokal begrenzten Bereiche A, C und D des Blechhalbzeugs 2 eingesetzt werden. Beispielsweise kann der kontrollierte Wärmeeintrag durch eine Beaufschlagung des Blechhalbzeugs 2 mit Laserlicht, das von mindestens einer Laserlichtquelle erzeugt wird, oder mit Infrarotstrahlung, das von mindestens einer Infrarotstrahlungsquelle erzeugt wird, oder durch die Verwendung eines Gasbrenners erfolgen.
  • Wie in Fig. 1 zu erkennen, wird das Blechhalbzeug 2 in einem ersten Walzstich bei sinkender Temperatur umgeformt, nachdem die maximale Temperatur in den Bereichen A, C und D erreicht worden ist. Der erste Walzstich erfolgt bei einer Temperatur, die noch über der Umwandlungstemperatur Ar3 liegt. Die für eine Einstellung einer gewünschten Gefügestruktur in den lokal vorerwärmten Bereichen A, C und D des Blechhalbzeugs 2 aus diesem während des Abkühlens notwendige Wärmeabfuhr kann im ersten Walzstich des Walzprofilierprozesses zum Beispiel durch Wärmeleitung im Kontakt mit den Walzen der Walzprofiliervorrichtung erfolgen. Die Walzen der Walzprofiliervorrichtung können gegebenenfalls auch gekühlt betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmeabfuhr aus den vorerwärmten Bereichen A, C und D des Blechhalbzeugs 2 auch durch eine medienbasierte Abkühlung, bei der das Blechhalbzeug mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel beaufschlagt wird, erfolgen.
  • Ferner ist zu erkennen, dass die sich an den ersten Walzstich anschließenden Walzstichen 2...n, die zur weiteren Formung des Blechhalbzeugs 2 zur Erzeugung der Endgeometrie des Profilbauteils 1 erforderlich sind, in diesem Ausführungsbeispiel bei Temperaturen erfolgen, die stets unterhalb der Umwandlungstemperatur Ar1 liegen, bei der während der Abkühlung die Umwandlung von Austenit zu Ferrit beendet ist: Der letzte (n-te) Walzstich, der zur Konfigurierung des Profilbauteils 1 erforderlich ist, erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel bei einer Temperatur, die kleiner als die Umwandlungstemperatur Ms ist, bei der während einer raschen Abkühlung schlagartig die Umwandlung von Austenit zu Martensit erfolgt. Alternativ kann der letzte Walzstich jedoch auch bei einer Temperatur erfolgen, die größer als die Umwandlungstemperatur Ms ist.
  • An den n-ten Walzstich, der die eigentliche Formung des Profilbauteils 1 beendet, schließt sich in diesem Ausführungsbeispiel darüber hinaus noch ein so genannter Kalibrierstich an, der mittels eines geeigneten Kalibrierwerkzeugs durchgeführt wird. Die durch die Entstehung thermisch induzierter Eigenspannungen unter Umständen eintretende Veränderung der Geometrie des Profilbauteils 1 kann vorteilhaft in einem abschließenden Walzstich, dem Kalibrierstich, unmittelbar nach der gleichzeitig erfolgenden Wärmeabfuhr aus dem Werkstück kompensiert werden. In einem sich an den Kalibrierstich anschließenden Verfahrensschritt wird das Profilbauteil 1 mittels einer Trenn- und Schneidvorrichtung auf die gewünschte Länge gebracht.
  • Die hier beschriebene Verfahrensvariante ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es infolge der Wärmebeeinflussung in den definierten Bereichen A, C und D des Blechhalbzeugs 2 zu einer signifikanten Festigkeitssteigerung durch eine so genannte Umwandlungshärtung gekommen ist. Die lokal definierten Bereiche A, C und D weisen dann einen drastisch erhöhten Widerstand gegen eine weitere Formänderung in einem nachfolgenden Walzschritt auf. Dies bedeutet folglich, dass vorzugsweise nur diejenigen Bereiche des Blechhalbzeugs 2 eine solche Wärmebehandlung erfahren sollten, die in der weiteren Prozessfolge keiner merklichen Formänderung mehr unterliegen. Eine Umformung zuvor gehärteter Bereiche A, C und D des Blechhalbzeugs 2 erfolgt aufgrund ihrer geringen Umformbarkeit, des daraus resultierenden Versagensrisikos und darüber hinaus auch aufgrund der zu erwartenden hohen Umformkräfte somit nicht.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nachfolgend ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Profilbauteils 1 aus einem Blechhalbzeug 2 näher erläutert. Bei dieser Variante des Verfahrens erfolgt eine Erwärmung des Blechhalbzeugs 2 in den definierten Bereichen A, C und D nacheinander während des Walzprofilierens jeweils zwischen den einzelnen Walzschritten. Wie in Fig. 2 zu erkennen, wird vor dem ersten Walzstich ein erster (mittlerer) Bereich A des Blechhalbzeugs 2 lokal auf eine Temperatur T erwärmt, die größer als die Umwandlungstemperatur Ar3 (Austenitisierungstemperatur) ist.
  • Demgegenüber unterliegen die übrigen Bereiche des Blechhalbzeugs 2 zunächst keiner gezielten thermischen Beeinflussung.
  • Im Anschluss an die definierte Vorerwärmung des ersten Bereichs A wird der erste Walzstich in der Walzprofiliervorrichtung durchgeführt. Anschließen wird der Bereich A des Blechhalbzeugs 2 wieder auf eine Temperatur abgekühlt, die kleiner als die Umwandlungstemperatur Ms ist. Die Abkühlung kann wiederum durch Wärmeleitung bei einem Kontakt des Blechhalbzeugs 2 mit den gegebenenfalls gekühlt betriebenen Walzen der Walzvorrichtung und/oder medienbasiert durch eine Beaufschlagung des Blechhalbzeugs 2, insbesondere des lokal vorerwärmten Bereichs, mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel erfolgen.
  • In einem nächsten Erwärmungsschritt wird ein zweiter (randnaher) Bereich C des Blechhalbzeugs 2 lokal auf eine Temperatur T erwärmt, die größer als die Umwandlungstemperatur Ar3 ist. Die übrigen Bereiche, insbesondere die Bereiche A und B des Blechhalbzeugs 2 werden in diesem Verfahrensschritt demgegenüber nicht gezielt erwärmt. Anschließend wird ein zweiter Walzstich durchgeführt, um das Blechhalbzeug 2 weiter zu profilieren. Wie in Fig. 2 zu erkennen, wird der vorerwärmte Bereich C des Blechhalbzeugs 2 im Anschluss an den Walzstich wieder auf eine Temperatur, die kleiner als die Umwandlungstemperatur Ms ist, abgekühlt.
  • In entsprechender Weise wird in einem weiteren Erwärmungsschritt, dem gegebenenfalls auch weitere Walzstiche vorausgegangen sein können, bei denen keine lokale Erwärmung des Blechhalbzeugs 2 erfolgt ist, ein weiterer (randnaher) Bereich D lokal auf eine Temperatur T erwärmt, die wiederum größer als die Umwandlungstemperatur Ar3 ist. Die übrigen Bereiche, insbesondere die Bereiche A, B und C des Blechhalbzeugs 2 werden demgegenüber nicht gezielt lokal erwärmt. Anschließend wird ein weiterer Walzstich durchgeführt, um das Blechhalbzeug 2 weiter zu profilieren. Wie in Fig. 2 zu erkennen, wird der Bereich C des Blechhalbzeugs 2 nach diesem Walzstich wieder auf eine Temperatur, welche kleiner als die Umwandlungstemperatur Ms ist, abgekühlt. An diesen Walzstich können sich gegebenenfalls weitere Walzstiche anschließen, die mit oder ohne Vorerwärmung lokal definierter Bereiche des Blechhalbzeugs 2 durchgeführt werden können. Das gezielte Erwärmen der Bereiche A, C und D des Blechhalbzeugs 2 kann auch in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe der oben beschriebenen Verfahren beziehungsweise Vorrichtungen erfolgen.
  • An einen letzten Walzstich, der die Profilierung des Blechhalbzeugs 2 zu einem Profilbauteil 1 beendet, kann sich auch in diesem Ausführungsbeispiel ein Kalibrierstich in einer Kalibriervorrichtung anschließen, bevor das Profilbauteil 1 danach mittels einer Trenn- und Schneidvorrichtung auf seine gewünschte Länge zugeschnitten wird.
  • Die Wärmebehandlung des Blechhalbzeugs 2 findet hier also nicht vor dem Beginn der eigentlichen Profilherstellung durch Walzprofilieren beziehungsweise nach erfolgter Profilausformung statt, sondern erfolgt vielmehr gezielt in mehreren Zwischenschritten. Dabei erfolgt die Positionierung dieser Wärmebehandlungszwischenschritten nach klaren methodischen Grundsätzen:
    • Positionierung der lokalen Wärmebehandlung nach der Notwendigkeit einer gleichzeitigen Erhöhung des lokalen Umformvermögens,
    • Positionierung der lokalen Wärmebehandlung immer dann, wenn die in den vorhergehenden Kaltumformschritten erfolgte Kaltverfestigung zu einem für die weitere Umformung nicht hinreichenden Restumformvermögen geführt hat, das durch eine thermisch induzierte Entfestigung im für die nachfolgende Umformung notwendigen Umfang wieder erhöht werden kann,
    • Positionierung der lokalen Wärmebehandlung immer dann, wenn die betreffenden Geometriebereiche des Blechhalbzeugs 2 keiner nennenswerten Umformung in der weiteren Prozessfolge ausgesetzt sind.
  • Die in Fig. 2 gezeigte Verfahrensvariante ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es einerseits gilt, den Widerstand gegen eine im unmittelbar nachfolgenden Walzschritt gewollte Änderung der geometrischen Form des Blechhalbzeugs 2 gezielt zu verringern, und wenn es andererseits wünschenswert ist, diese Bereiche nach der in den vorhergehenden Walzstichen bereits erfolgten lokalen geometrischen Ausformung in ihrer Gefügestruktur gezielt einzustellen. Sofern mit der gezielten Änderung der Gefügestruktur auch eine Festigkeitssteigerung unter gleichzeitiger Heraufsetzung des Formänderungswiderstands einhergeht, ist es auch in diesem Ausführungsbeispiel vorteilhaft, dass vorzugsweise nur diejenigen Bereiche des Blechhalbzeugs 2 eine gezielte Wärmebehandlung erfahren, die in der weiteren Prozessabfolge keiner weiteren (merklichen) Formänderung mehr unterliegen. Mit anderen Worten werden nur diejenigen Bereiche des flachen Blechhalbzeugs 2 einer partiellen thermischen Behandlung durch Erwärmen und Abkühlen unterzogen, die während der nachfolgenden Walzprofilierschritte keiner direkten Umformung unterliegen.
  • Fig. 3 zeigt ein drittes nicht zur Erfindung gehörendes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Profilbauteils 1 aus einem Blechhalbzeug 2. Im Gegensatz zu den beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt bei dieser Variante des Verfahrens die Erwärmung in den lokal definierten Bereichen A, C und D des Blechhalbzeugs 2 erst nach Abschluss der Erzeugung der Endgeometrie des Profilbauteils 1 in einer vorhergehenden Folge von n Walzstichen in der Walzprofiliervorrichtung. Die Profilierung des Blechhaibzeugs 2 erfolgt somit bei einer Umgebungstemperatur, die wesentlich niedriger als die Umwandlungstemperatur Ms ist. Es wird deutlich, dass die definierten Bereiche A (zentral) sowie C und D (randnah) des Blechhalbzeugs 2 nach dem Umformen gleichzeitig auf eine Temperatur T erwärmt werden, die größer als die Umwandlungstemperatur Ar3 ist.
  • Die nach der endgültigen Formgebung des Blechhalbzeugs 2 zu einem Profilbauteil 1 erfolgende lokale Erwärmung der Bereiche A, C und D dient in diesem Ausführungsbeispiel ausschließlich dem Zweck einer thermisch induzierten Festigkeitssteigerung des Profilbauteils 1 durch eine Umwandlungshärtung. Die hierbei durch die Entstehung thermisch induzierter Eigenspannungen unter Umständen eintretende Veränderung der Geometrie des Profilbauteils 1 kann vorteilhaft in einem abschließenden Walzstich, dem so genannten Kalibrierstich, unmittelbar nach der hier gleichzeitig erfolgenden Wärmeabfuhr kompensiert werden. Die lokal gezielt erwärmten Bereiche A, C, und D werden also wieder abgekühlt, so dass in dem Kalibrierwerkzeug der Kalibirierstich bei einer Temperatur durchgeführt werden kann, die etwas höher als Umwandlungstemperatur Ms ist.
  • Die gezielte lokale Erwärmung und nachfolgende Abkühlung der räumlich begrenzten Bereiche A, C und D des Blechhalbzeugs 2 kann in der Weise erfolgen, wie bereits oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 näher ausgeführt.
  • Vorzugsweise erfolgt bei den hier beschriebenen Verfahrensvarianten die gezielte lokale Erwärmung des Blechhalbzeugs 2 nicht ausschließlich mittels eigens hierfür in den Verfahrensablauf integrierter Erwärmungseinrichtungen auf induktiver oder auch konduktiver Basis (zum Beispiel durch Induktoren oder konduktive Kontaktelemente), sondern mittels elektrischer Widerstandserwärmung beim ohnehin zwecks Übertragung der Formgebungskraft stattfindenden Kontakt mit den formgebenden Werkzeugen (Walzrollen).
  • Die Abkühlung des Blechhalbzeugs 2 erfolgt bei allen hier vorgestellten Verfahrensvarianten vorteilhaft nicht ausschließlich über eine direkte Wärmeabfuhr durch Beaufschlagung mit fluiden Kühlmitteln (vorzugsweise Wasser) und/oder gasförmigen Kühlmitteln (vorzugsweise Druckluft), sondern auch durch Wärmeleitung über den Kontakt des Blechhalbzeugs 2 mit den formgebenden Umformwerkzeugen (hier: Walzrollen). Die Walzrollen können zu diesem Zweck mit einer Innenkühlung ausgestattet sein, bei der der Wärmeabtransport über ein Kühlmedium über entsprechend im Inneren des Werkzeuges eingebrachte Kühlkanäle in einem Umlaufsystem erfolgt. Damit wird die Wärmeabfuhr im Sinne einer gezielten Gefügeeinstellung in besonders vorteilhafter Weise wesentlich exakter kontrollierbar, als es mit einer reinen Medienkühlung überhaupt denkbar ist. Die Abkühlung des Blechhalbzeugs 2 kann beispielsweise durch Wärmeleitung über den Kontakt mit den formgebenden Werkzeugen (Walzrollen) in Kombination mit einer direkten Kühlung des Blechhalbzeugs 2 - beispielsweise mittels eines gegebenenfalls unterkühlten Gases oder mit partikularisiertem Eis (vorzugsweise Trockeneis) - erfolgen. Dabei wird das Gas beziehungsweise Trockeneis mit einem hohen Druck in den Auslauf des Walzgerüstes beidseitig auf die Blechhalbzeugoberfläche (Walzgutoberfläche) gestrahlt. Dabei kann durch das Einstrahlen in den Walzspalt in besonders vorteilhafter Weise gleichzeitig eine Kühlung der Walzrollen erfolgen. Durch das partikularisierte Eis werden vorteilhaft zusätzliche Oberflächenverschmutzungen und/oder Oxidationsrückstände, Zunder oder dergleichen von der Oberfläche des Walzguts und/oder den Oberflächen der Walzen entfernt. Damit wird die Kontrollierbarkeit der Wärmeabfuhr im Sinne einer gezielten Gefügeeinstellung nochmals wesentlich verbessert. Dies ist durch eine eine reine Abschreckkühlung mittels fluider oder gasförmiger Kühlmedien, wie sie im Stand der Technik eingesetzt wirt, so überhaupt nicht erreichbar.
  • In Fig. 4a und 4b ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Profilbauteils 1 dargestellt, das mit Hilfe eines der hier vorgestellten Verfahren hergestellt werden kann. Das Profilbauteil 1 hat einen offenen Profilquerschnitt und weist drei Bereiche 10, 11, 12 auf, die gegenüber den übrigen Bereichen eine durch lokale Erwärmung und anschließende Abkühlung induzierte, strukturell erhöhte Festigkeit aufweisen. Ein erster Bereich 10 mit einer strukturell erhöhten Festigkeit ist in der Profilsohle des Profilbauteils 1 ausgebildet. Die beiden übrigen Bereiche 11, 12 mit strukturell erhöhter Festigkeit sind an den einwärts gerichteten Enden der Profilflanken ausgebildet. Ein derartiges Profilbauteil 1 mit drei definierten, räumlich begrenzten Bereichen 10, 11, 12, die eine strukturell erhöhte Festigkeit aufweisen, kann zum Beispiel zur Herstellung einer Führungsschiene für einen Sicherheitsgurt mit einem erhöhten Deformationswiderstand verwendet werden, so dass ein Herauslösen einer im Wesentlichen schlittenförmigen Gurtbefestigung aus der Führungsschiene wirksam verhindert werden kann.
  • Das Profilbauteil 1 kann ferner dazu verwendet werden, eine Führungsschiene für einen Sicherheitsgurt mit einem erhöhten Widerstand gegen kontaktgebundenen Verschleiß beim Verstellen der schlittenförmigen Gurtbefestigung herzustellen.
  • Fig. 5a und 5b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Profilbauteils 1, das mit Hilfe eines der hier vorgestellten Verfahren hergestellt wurde und das ebenfalls zur Herstellung einer Führungsschiene für einen Sicherheitsgurt mit den vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4a und 4b beschriebenen Eigenschaften verwendet werden kann. Das Profilbauteil 1 hat einen offenen Profilquerschnitt und weist drei Bereiche 10, 11, 12 auf, die gegenüber den übrigen Bereichen eine durch lokale Erwärmung und anschließende kontrollierte Abkühlung induzierte strukturell erhöhte Festigkeit aufweisen. Ein erster Bereich 10 mit einer strukturell erhöhten Festigkeit ist wiederum in der Profilsohle des Profilbauteils 1 ausgebildet. Die beiden übrigen Bereiche 11, 12 mit strukturell erhöhter Festigkeit sind etwa in der Mitte der im Wesentlichen senkrecht zur Profilsohle orientierten Profilflanken ausgebildet.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 sollen nachfolgend die resultierenden Festigkeitsprofile der in Fig. 4a bis 5b gezeigten Profilbauteile 1, die aus dem Werkstoff 22MnB5 bestehen, näher erläutert werden. Aufgetragen ist jeweils die gemäß DIN EN ISO 6507-1 gemessene Härte (Vickershärte HV1) über dem Abstand von der Außenkante der Konturabwicklung a. Die maximale lokale Aufheiztemperatur bei der Herstellung der Profilbauteile 1 betrug 900° C.
  • Die Ergebnisse zeigen, dass die Festigkeit in den während der Herstellung lokal erwärmten und gehärteten Bereichen 10, 11, 12 signifikant höher ist als in den übrigen, nicht wärmebehandelten Bereichen des Profilbauteils 1. Während in den nicht gehärteten Bereichen HV1-Werte in einer Größenordnung von etwa 200 bis 300 gemessen werden konnten, lagen diese Werte in den gehärteten Bereichen bei mehr als 500 und konnten abschnittsweise einen Wert von knapp 600 erreichen.
    In Fig. 8 sind die Ergebnisse statischer Zugbeanspruchungsversuche, die an drei verschiedenen Profilbauteilen 1, 1' durchgeführt wurden graphisch zusammengefasst. Bei diesen Versuchen wurde eine anwendungsnahe Belastungsrichtung der Profilbauteile 1, 1' gewählt. Dargestellt sind die Kraft-Weg-Verläufe bei einer Zugbeanspruchung. Mit I sind die Ergebnisse für das in Fig. 4a und 4b gezeigte Profilbauteil 1 und mit II sind die Ergebnisse für das in Fig. 5a und 5b gezeigte Profilbauteil 1 gezeigt. Mit III ist zusätzlich der Kraft-Weg-Verlauf eines voll gehärteten Profilbauteils 1' bezeichnet. Ein Vergleich der Messergebnisse zeigt, dass die beiden nur bereichsweise gehärteten Profilbauteile 1, die mit einem der hier beschriebenen Verfahren hergestellt worden sind, eine geringere Zugfestigkeit sowie eine höhere Bruchdehnung aufweisen als das vollständig ausgehärtete Profilbauteil 1'.
  • In Fig. 9 sind schließlich die Ergebnisse eines Dreipunkt-Biegeversuches, der an den mittels einem der hier vorgestellten Verfahren hergestellten Profilbauteile 1, 1' durchgeführt wurde, dargestellt. Bei der standardisierten Prüfung der Profilbauteile 1, 1' im Dreipunkt-Biegeversuch zeigt sich ebenfalls eine deutliche Steigerung der Belastbarkeit, die sich im vorliegenden Beanspruchungsfall für das vollständig gehärtete Profilbauteil 1' als am günstigsten erweist.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 10 bis 14 sollen nachfolgend einige Beispiele für die Verwendung der mittels der oben näher erläuterten Verfahren hergestellten Profilbauteile 1, 1', die zumindest bereichsweise eine strukturell erhöhte Festigkeit aufweisen, näher erläutert werden.
  • In Fig. 10 und 11 ist eine Führungsschiene 30 dargestellt, die sich zum Beispiel für eine Tür, einen Sitz oder einen Gurt eines Kraftfahrzeugs eignet. Die Führungsschiene 30 wurde durch die Verwendung eines bereichsweise gehärteten Profilbauteils 1 hergestellt. Wie insbesondere in Fig. 11 zu erkennen, weist das Profilbauteil 1, aus dem die Führungsschiene 30 hergestellt worden ist, in diesem Ausführungsbeispiel einen ersten und einen zweiten teilgehärteten Bereich 10, 10', die einander gegenüberliegend angeordnet sind, sowie einen vollständig gehärteten Bereich 11 auf. Die zumindest teilweise gehärteten Bereiche 10, 10', 11 verbessern insbesondere den Deformationswiderstand gegen das Herauslösen einer im Wesentlichen schlittenförmigen Gurtbefestigung aus der Führungsschiene 30 und liefern ferner einen erhöhten Widerstand gegenüber einem kontaktgebundenen Verschleiß beim Verstellen der Gurtbefestigung. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass die Positionen der zumindest teilweise gehärteten Bereiche 10, 10', 11 des Profilbauteils 1 nur beispielhaft sind und bei der Herstellung des Profilbauteils 1 mit Hilfe eines der hier vorgestellten Verfahren gezielt an die spätere Verwendung der Führungsschiene 30 angepasst werden können.
  • Ein weiteres Verwendungsbeispiel für die hier vorgestellten Profilbauteile 1, 1' ist in Fig. 12 und 13 gezeigt. Dabei handelt es sich um ein Grundprofil 31 eines Instrumententafelträgers, das in diesem Beispiel aus zwei geschlossenen und miteinander verbundenen Profilbauteilen 1, 1' mit unterschiedlichen Profilquerschnitten hergestellt ist.
  • Das erste Profilbauteil 1 weist etwa in seiner Mitte einen abgeflacht ausgebildeten Bereich 10 auf, der teilgehärtet ist und für eine Anbindung der Lenksäule des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Das zweite Profilbauteil 1' weist in diesem Ausführungsbeispiel einen durchgehärteten Bereich 11 auf, der für den Airbagbereich vorgesehen ist. Das Grundprofil des Instrumententafelträgers 31 kann in weiteren vorteilhaften Ausführungsformen auch durch Verwendung eines einzelnen Profilbauteils 1, 1' oder durch Verwendung von mehr als zwei Profilbauteilen 1, 1' hergestellt werden. Eine weitere vorteilhafte Verwendung der Profilbauteile 1, 1' besteht in der Herstellung eines Modulquerträgers - insbesondere eines (Teils eines) Instrumententafelträgers - mit einem optimierten Eigenfrequenzverhalten, um unerwünschte Schwingungen zu vermeiden und damit die Akustik im Innenraum des Fahrzeugs zu verbessern
  • Fig. 14 zeigt schließlich einen als offenes Strukturprofil ausgebildeten Längsträger 32 eines Kraftfahrzeugs. Der Längsträger 32 wurde aus einem Profilbauteil 1 hergestellt, das einen ersten teilgehärteten Bereich 10, einen zweiten durchgehärteten Bereich 11 sowie einen dritten Bereich 12 aufweist, der abschnittsweise durchgehärtet und abschnittsweise teilgehärtet ist. Der Längsträger 32 weist ferner drei Montageabschnitte 320, 321, 322 auf, die Teil des Profilbauteils 1 sein können (aber nicht zwingend sein müssen), zur Anbindung des Längsträgers 32 an die A-Säule, B-Säule beziehungsweise C-Säule eines Fahrzeugs. Dabei sind in diesem Ausführungsbeispiel der erste Montageabschnitt 320 für die A-Säule, der zweite Montageabschnitt 321 für die B-Säule und der dritte Montageabschnitt für die C-Säule vorgesehen.
  • In Fig. 15a bis 15c sind schließlich drei verschiedene Muster 40, 41, 42 einer Aufheizzone dargestellt, in der das Blechhalbzeug 2 zumindest abschnittsweise aufgeheizt werden kann. Prinzipiell sind verschiedenartige, frei wählbare Verläufe und Formen der Aufheizzonenmuster denkbar.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils (1), das zumindest abschnittsweise eine strukturell erhöhte Festigkeit aufweist, aus einem Blechhalbzeug (2), wobei das Blechhalbzeug (2) in einem mehrstufigen Biegeprozess umgeformt wird und der Biegeprozess sowie nachfolgende Trenn- und Schneidoperationen des Blechhalbzeugs (2) mit einer thermischen Behandlung mehrerer räumlich begrenzter Bereiche (A, C, D) des Blechhalbzeugs (2), die mehrere Aufheizschritte und mehrere sich daran anschließende Abkühlschritte umfasst, derart kombiniert wird, dass die räumlich begrenzten Bereiche (A, C, D) nach der Abkühlung eine strukturell erhöhte Festigkeit aufweisen, wobei zunächst ein erster räumlich begrenzter Bereich (A) des Blechhalbzeugs (2) auf eine Temperatur, die größer als die Austenitisierungstemperatur Ar3 des Blechhalbzeugs (2) Ist, bei der während der Abkühlung die Umwandlung von Austenit zu Ferrit beginnt, erwärmt wird, bevor das Blechhalbzeug (2) gebogen wird, und wobei nach dem ersten Umformschritt mindestens ein weiterer räumlich begrenzter Bereich (C, D) des Blechhalbzeugs (2) auf eine Temperatur, die größer als die Austenitisierungstemperatur Ar3 des Blechhalbzeugs (2) ist, erwärmt wird, bevor das Blechhalbzeug (2) weiter gebogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechhalbzeug (2) in einem stationären Biegeprozess, insbesondere durch Gesenkbiegen, gebogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegen des Blechhalbzeugs (2) in einer Walzprofillervorrichtung durch Walzprofilieren mit einer Anzahl aufeinander folgender Walzschritte erfolgt, wobei die Walzen der Walzprofiliervorrichtung vorzugsweise gekühlt betrieben werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechhalbzeug (2) durch eine induktive Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes oder durch einen konduktiven Stromdurchfluss mittels des elektrischen Widerstands oder durch eine Kombination dieser beiden Erwärmungsverfahren in den räumlich begrenzten Bereichen (A, C, D) erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechhalbzeug (2) durch wenigstens eine Laserlichtquelle und/oder wenigstens eine Infrarotlichtstrahlungsquelle und/oder wenigstens einen Gasbrenner in den räumlich begrenzten Bereichen (A, C, D) erwärmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Blechhalbzeug (2) ein Erwärmungsmuster erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechhalbzeug (2) nach einem Erwärmungs- und/oder Biegeschritt mittels einer flüssigkeitsbasierten- oder gasbasierten Kühlvorrichtung gekühlt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Blechhalbzeugs (2) durch Wärmeleitung über den Kontakt mit den formgebenden Werkzeugen in Kombination mit einer direkten Kühlung des Blechhalbzeugs (2), insbesondere mittels eines Gases oder mit partikularisiertem Eis, erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Walzstich in der Walzprofiliervorrichtung bei einer Temperatur des ersten vorerwärmten Bereichs (A, C, D) durchgeführt wird, die größer als die Austenitisierungstemperatur Ar3 des Blechhalbzeugs (2) ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Walzstich in der Walzprofiliervorrichtung bei einer Temperatur des zweiten vorerwärmten Bereichs (A, C, D) durchgeführt wird, die größer als die Austenitisierungstemperatur Ar3 des Blechhalbzeugs (2) ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Umformschritt der dabei jeweils umgeformte Bereich (A, C, D) auf eine Temperatur abgekühlt wird, die kleiner als eine Umwandlungstemperatur MS des Blechhalbzeugs (2) ist, bei der während einer raschen Abkühlung schlagartig eine Umwandlung von Austenit zu Martensit erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechhalbzeug (2) nach dem Profilieren in einem Kalibrierwerkzeug kalibriert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Kalibrierwerkzeug ein weiterer Walzstich (Kalibrierstich) ausgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilbauteil (1) in einer Trenn- und Schneidvorrichtung auf seine gewünschte Länge zugeschnitten wird.
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