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Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus tailored blanks - Dokument DE102006020623A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006020623A1 08.11.2007
Titel Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus tailored blanks
Anmelder Benteler Automobiltechnik GmbH, 33102 Paderborn, DE
Erfinder Gollnick, Jörg, 33098 Paderborn, DE;
Huschen, Ulrich, 33165 Lichtenau, DE;
Pellmann, Markus, 48336 Sassenberg, DE
DE-Anmeldedatum 02.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006020623
Offenlegungstag 08.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse B21K 25/00(2006.01)A, F, I, 20060502, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B21D 35/00(2006.01)A, L, I, 20060502, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein geformtes tailored blank. Erfindungsgemäß werden mindestens zwei separate Bleche (10, 11 und 12) mit unterschiedlichen Materialeigenschaften oder Materialstärken miteinander zu einem tailored blank verschmiedet. Besonders vorteilhaft lässt sich der Schmiedeprozess mit einem Warmformprozess dergestalt verbinden, dass ein aus mindestens zwei noch nicht miteinander verbundenen Blechen bestehendes Halbzeug zunächst auf eine Temperatur über den AC3-Punkt der Legierung erwärmt, währenddessen oder anschließend zu einem tailored blank mittels eines Schmiedewerkzeugs im Überlappungsbereich der Bleche verschmiedet und dann in einem Umformwerkzeug warm umgeformt und unter Verbleib im Werkzeug gehärtet wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines geformten Bauteils aus einem tailored blank mit einem Einlegen eines Halbzeugs in ein Umformwerkzeug in einer Presse und einem Formen des Halbzeugs durch den Kontakt mit dem Umformwerkzeug.

Aus dem Stand der Technik sind sogenannte tailored blanks mit unterschiedlichen Wand- oder Materialstärken bekannt, also maßgeschneiderte Bleche. Mit tailored blanks ist im folgenden gemeint, dass Bleche unterschiedlicher Materialstärke aus dem gleichen Material oder auch aus unterschiedlichen Materialien mit gleicher oder unterschiedlicher Dicke zu einem Halbzeug verbunden werden. Dieses Halbzeug wird anschließend geformt. Dabei befinden sich im fertigen Bauteil Zonen geringerer Stärke in den schwächer belasteten Bereichen und Zonen größerer Stärke in den stärker belasteten Bereichen. Die EP 1 435 268 A1 beschreibt einen Herstellungsprozess eines tailor welded blanks (eines maßgeschneiderten geschweißten Bleches) durch Schweißen von einem ersten Blechelement mit physikalischen Eigenschaften eines ersten Wertes und einem zweiten Blechelement mit physikalischen Eigenschaften eines zweiten Wertes. Anschließend wird das verschweißte tailored blank hydrogeformt. Die EP 1 435 268 A1 führt zutreffend aus, dass tailor welded blanks typischerweise eingesetzt werden, um die aus einem tailor welded blank bestehenden Platinen in verschiedene Metallteile einschließlich Türbleche für die Automobilindustrie zu formen.

Das Schweißen von tailored blanks ist daher bekannt. Zur Herstellung von geschweißten tailored blanks werden entweder Platinen oder Coils miteinander verschweißt. Dabei gilt für das Arbeiten am Coil, dass kein Verschachteln von Platinen und nur geradlinige, parallel verlaufende Materialdickenunterschiede möglich sind. Beim Verschweißen von Platinen ist die Anschaffung eines Lasers zum Fügen zudem aufwändig und erfordert eine genaue Spaltausrichtung.

Eine weitere aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannte Möglichkeit, ein tailored blank herzustellen, besteht im partiellen Abwalzen von Blechen, so dass in der fertigen Platine Bereiche unterschiedlicher Blechdicke vorliegen. Hierbei ist allerdings die Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen Materialien nicht möglich. Außerdem können auch nur wieder geradlinige, parallel verlaufende Materialdickenunterschiede hergestellt werden. Die DE 102 46 164 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Strukturbauteilen, bei dem aus einem flexibel gewalzten Metallband eine Platine entnommen und anschließend einem Warmformprozess zugeführt und vergütet wird.

Aus der DE 100 49 660 A1 ist die Herstellung eines Verbundbleches in der Gestalt bekannt, dass Ziehteile lokal verstärkt werden, indem ein Basisblech mit einem Verstärkungsblech lagedefiniert verbunden und dieses gepatchte Verbundblech anschließend gemeinsam umgeformt wird. Erfindungsgemäß wird das gepatchte Verbundblech vor dem Umformen mindestens auf etwa 800 bis 850°C erwärmt, rasch eingelegt, im Warmzustand zügig umgeformt und anschließend bei mechanischer Fixierung des Umformzustandes durch Kontaktierung mit dem von innen her zwangsgekühlten Umformwerkzeug definiert abgekühlt. Dabei kann der Schritt des Verbindens von Verstärkungsblech und Basisblech in den Umformprozess integriert werden, indem die Teile miteinander hart verlötet werden, wodurch zugleich ein wirksamer Korrosionsschutz an der Kontaktzone erreicht werden kann. Lot stellt jedoch im Verbundblech ein weiteres zusätzliches Material dar, damit ist es grundsätzlich eine Schwachstelle. Um eine sichere Verbindung zu gewährleisten, muss das Lot über eine bestimmte Fläche wirken können, dass heißt, dass der Überlappungsbereich der einzelnen Teile des tailored blanks relativ groß sein muss.

Das soeben beschriebene Warmformen zur Herstellung eines Stahlblechs mit geringer Materialdicke und guter Maßhaltigkeit ist auch aus der DE 24 52 486 C2 bekannt. Dabei wird ein borlegiertes Stahlblech auf eine Temperatur über den AC3-Punkt der Legierung erwärmt und danach in weniger als 5 Sekunden in die endgültige Form zwischen zwei indirekt gekühlten Werkzeugen unter wesentlicher Formänderung gepresst und unter Verbleiben in der Presse einer Schnellkühlung so unterzogen, dass ein martensitisches und/oder bainitisches feinkörniges Gefüge erzielt wird. Die DE 24 52 486 ermöglicht es, relativ leicht zu bauen, indem sie relativ geringe Wandstärken bei relativ hoher Härte erlaubt. Die DE 24 52 486 geht jedoch von einem einheitlichen Grundmaterial aus.

Aus der DE 103 07 184 B3 ist ein Verfahren zum Warmformen und Härten eines Bauteils aus Feinblech bekannt, bei dem eine auf Härtetemperatur erwärmte Platine in einer schnellen Presse oder mittels eines Hammers warm vorgeformt und anschließend aus der Vorformwärme heraus in einer weiteren Presse in die Endform konfiguriert und unter Verbleib in der Presse gehärtet wird.

Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, den Herstellungsprozess eines geformten Bauteils aus einem tailored blank zu verbessern.

Diese Aufgabe löst die Erfindung, indem das Halbzeug aus zumindest zwei zumindest teilweise übereinanderliegenden Blechen gebildet wird, die vor dem Einlegen in die Presse oder in der Presse durch ein Schmieden miteinander fest verbunden werden. Dabei können ein Blech aus Stahl und ein Blech aus einem Nichteisenmetall miteinander zu einem Halbzeug verschmiedet werden. In diesem Fall könnte das Verschmieden in einem gering oder gar nicht erwärmten Zustand eines oder beider Bleche geschehen. Alternativ kann auch das Blech aus Stahl erwärmt und das Blech aus einem Nichteisenmetall wie beispielsweise Aluminium oder Magnesium kalt gelassen werden. Ebenso können ein Blech aus Stahl mit einer Dicke t1 und ein Blech aus Stahl mit einer Dicke t2 miteinander zu einem Halbzeug verschmiedet werden oder ein Blech aus einer ersten Stahllegierung mit einem Blech aus einer zweiten Stahllegierung. Das Verschmieden hat im Gegensatz zum Schweißen den Vorteil, dass ein auf die erfindungsgemäße Weise hergestelltes tailored blank ein materialsparendes Verschachteln der Platinen beim Ausstanzen aus dem Coil erlaubt. Ein Verschachteln ist bei tailored blanks, die aus einem entsprechend geschweißten oder gewalzten Coil aus dem Stand der Technik hergestellt werden, nicht möglich. Außerdem lassen sich mit dem Schmieden Bauteile aus verschiedenen Materialien fügen, ohne dass ein weiteres zusätzliches Verbindungsmaterial als potentielle Schwachstelle hinzukommt wie ein Lot oder ein Schweißzusatz. Da nur eine relativ schmale Fügestelle entsteht, die zudem aus dem Grundmaterial hergestellt ist, verbessern sich auch die Umform- und gegebenenfalls die Crasheigenschaften des Halbzeugs oder Bauteils.

Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung einsetzen, wenn wenigstens ein Blech des Halbzeugs aus einer härtbaren Stahllegierung besteht und das erfindungsgemäße Verschmieden mit einem Warmformprozess verbunden wird. Die beim Warmformen ohnehin eingebrachte Wärme in ein Halbzeug kann zum Verschmieden von zwei Blechen benutzt werden. Erfindungsgemäß wird ein Halbzeug aus zumindest zwei zumindest teilweise übereinanderliegenden Blechen gebildet und vor dem Einlegen in eine Tiefziehpresse auf eine Temperatur über den AC3-Punkt der Legierung(en) erwärmt. Währenddessen oder anschließend werden die zumindest zwei Bleche des Halbzeugs vor dem Einlegen in eine Presse oder in der Presse durch ein Schmieden miteinander fest verbunden. Das nach wie vor eine zum Abschrecken und Härten ausreichende Temperatur aufweisende Halbzeug wird in einem Tiefziehwerkzeug in der Presse geformt und durch den Kontakt mit dem Tiefziehwerkzeug abgeschreckt. Die zumindest zwei Bleche des Halbzeugs (Halbzeugteile) müssen so lagefixiert werden, dass sie bis zum Schmiedeprozess, der beide Halbzeugteile fest miteinander verbindet, in der gewünschten Position verbleiben. Dazu können die Halbzeugteile über ein Clinchen oder ein Punktschweißen vorfixiert werden. Alternativ oder auch kumulativ können die Halbzeugteile in einem Fixiergestell in Position gehalten werden. Die solchermaßen vorfixierten Halbzeugteile werden in einer Erwärmungsstation auf eine Temperatur über den AC3-Punkt der jeweiligen Legierung erwärmt. Werden die Halbzeugteile in einem Ofen erwärmt, können sie über ein im Ofen eingebautes Schmiedewerkzeug direkt im Ofen miteinander verschmiedet werden. Dies kann bereits vor dem Erreichen der AC3-Temperatur in der Aufheizphase geschehen, da das Überschreiten der AC3-Temperatur in erster Linie für den Härtevorgang, aber nicht unbedingt für den Schmiedevorgang erforderlich ist. Dies hat den Vorteil, dass das verschmiedete Halbzeug gegebenenfalls durch eine weitere Verweildauer im Ofen entweder auf über AC3 fertig erwärmt oder nacherwärmt werden kann, wenn die Halbzeugtemperatur durch den Kontakt mit dem Schmiedewerkzeug für einen nachfolgenden Warmformprozess zu sehr gesunken sein sollte.

Als Erwärmungsstation ist aber auch eine induktive, konduktive oder andere Erwärmung denkbar.

Alternativ zum Verschmieden in der Erwärmungsstation können die Halbzeugteile auch erst in der Presse verschmiedet werden. Für diesen Zweck ist die Presse neben einem Umformwerkzeug mit einem separaten Schmiedewerkzeug versehen. Das Schmiedewerkzeug kühlt durch den Kontakt mit dem Halbzeug während des Schmiedens den verschmiedeten Bereich zwar ab, die Druckberührzeit während des Schmiedens ist allerdings relativ kurz und der Transferweg zum Tiefziehwerkzeug minimiert, so dass die Restwärme des Halbzeugs für den Tiefzieh- und Härtevorgang noch ausreicht.

Für den Schmiedeprozess müssen die Halbzeugteile mit einer zunderfreien Oberfläche verschmiedet werden. Dies kann beipsielsweise durch eine Erwärmung in einer Schutzgasatmosphäre realisiert werden. Gegenüber dem einzelnen Zusammenschweißen von Platinen wird eine aufwändige Schweißeinheit eingespart. Außerdem macht sich die vorliegende Erfindung den Umstand zunutze, dass für das Warmformen ohnehin eine beträchtliche Wärmemenge in das Halbzeug eingebracht werden muss. Diese eingebrachte Energie kann gleichzeitig für das Schmieden mitbenutzt werden. Bei einem Verschweißen der Halbzeugteile wird die zum Schweißen eingebrachte Energie nicht weiter genutzt.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figuren beschrieben.

1 zeigt eine erfindungsgemäß hergestellte Platine 9.

2 zeigt schematisch einen kontinuierlichen Prozessverlauf.

1 zeigt eine erfindungsgemäß hergestellte Platine 9. Die Platine 9 ist bereits zugeschnitten, um anschließend in eine B-Säule für ein Kraftfahrzeug umgeformt zu werden. Die Platine 9 ist aus drei unterschiedlichen Blechteilen 10, 11 und 12 hergestellt worden, indem das Blechteil 10 mit einer Dicke t1 von 1,5 mm mit den beiden Blechteilen 11 mit einer Dicke t2 von 1,0 mm und dem Blechteil 12 mit einer Dicke t3 von 1,2 mm verschmiedet worden ist. Die Fügezone der Bleche 10, 11 und 12 weist dabei einen teilweise gekrümmten Verlauf auf. Die Blechdickenunterschiede verlaufen auch nicht immer parallel. Der Schmiedeprozess erlaubt eine optimale Verschachtelung der einzelnen Blechteile 10, 11 und 12, die Überlappbereiche der einzelnen Bleche 10, 11 und 12 miteinander sind minimiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Platine 9 um ein Halbzeug für eine B-Säule, die ein Struktur- und Sicherheitsbauteil für ein Kraftfahrzeug ist, das in Leichtbauweise bevorzugt aus einem härtbaren Stahl hergestellt wird. Die B-Säule lässt sich gut mittels eines Warmformprozesses aus der erfindungsgemäß hergestellten Platine 9 formen und härten. Einen solchen erfindungsgemäß verbundenen Prozessverlauf zeigt die nachstehende 2.

Die 2 zeigt schematisch einen kontinuierlichen Prozessverlauf, bei dem zwei Halbzeugteile 1 und 2 auf einem Förderwagen 3 aufliegen. Die Halbzeugteile werden zunächst lagefixiert, entweder durch einen einfachen Fügeprozess oder durch eine mechanische Fixierung über ein Gestell. In der Station 4 treten die Halbzeugteile 1 und 2 auf dem Förderwagen 3 liegend in eine Schleuse ein, die bereits eine inerte Schutzgasatmosphäre, beispielsweise eine Stickstoff (N2)-Atmosphäre, aufweist. In der Erwärmungsstation 5 werden die Halbzeugteile 1 und 2 unter Schutzgas erwärmt, bis die Temperatur für den Schmiedeprozess ausreicht oder bereits die AC3-Temperatur der Legierung(en) erreicht hat. Der Förderwagen 3 ist hierbei nur als Symbol für einen kontinuierlichen Prozess zu verstehen, eine mechanische Fixierung würde in der Praxis beispielsweise über einem einfachen Rahmen vorgenommen. In einer Schmiedestation 6 innerhalb oder außerhalb der Erwärmungsstation 5 werden die überlappenden Bereiche der Halbzeugteile 1 und 2 miteinander verschmiedet, schematisch dargestellt durch die Pfeile. Dies geschieht nach wie vor unter einer Schutzgasatmosphäre. Anschließend wird das tailored blank in der Form- und Härtestation 7 in einem Tiefziehwerkzeug 8 in einer nicht näher dargestellten Presse geformt und unter Verbleib im Werkzeug gehärtet. Auch die Station 7 kann noch unter Schutzgas stehen. Auf diese Weise wird das Risiko einer Zunderbildung am Bauteil, die zu aufwändigen Reinigungsarbeiten führt, minimiert.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines geformten Bauteils aus einem tailored blank mit einem Einlegen eines Halbzeugs in ein Umformwerkzeug (8) in einer Presse und einem Formen des Halbzeugs durch das Umformwerkzeug (8) dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (9) aus zumindest zwei zumindest teilweise übereinanderliegenden Blechen (10, 11 und 12) gebildet wird, die vor dem Einlegen in die Presse oder in der Presse durch ein Schmieden miteinander fest verbunden werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blech aus Stahl und ein Blech aus Nichteisenmetall miteinander zu einem Halbzeug (9) verschmiedet werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blech (10) aus Stahl mit einer Dicke t1 und ein Blech (11 oder 12) aus Stahl mit einer Dicke t2 miteinander zu einem Halbzeug (9) verschmiedet werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blech aus einer ersten Stahllegierung mit einem Blech aus einer zweiten Stahllegierung miteinander zu einem Halbzeug verschmiedet werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine härtbare Stahllegierung für ein Blech (10, 11 und 12) des Halbzeugs (9) verwendet wird und dass das Halbzeug (9) in einer Erwärmungsstation (5) auf eine Temperatur über den AC3-Punkt der härtbaren Legierung erwärmt wird, dass das Verschmieden vor oder nach dem Erreichen des AC3-Punktes durchgeführt wird und dass das erwärmte Halbzeug (9) in das Umformwerkzeug (8) in der Presse eingelegt und durch den Kontakt mit dem Umformwerkzeug (8) geformt und gehärtet wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Erwärmen, gegebenenfalls ein Transfer zum Verschmieden und das Verschmieden des Halbzeugs (1, 2, 9) unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise übereinanderliegenden Bleche (1, 2, 10, 11 und 12) des Halbzeugs (9) vor der Erwärmung durch ein Verbindungsverfahren mit reduzierter Verbindungsfestigkeit wie Clinchen oder Punktschweißen lagefixiert werden. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise übereinanderliegenden Bleche (1, 2) in einem Gestell (3) lagefixiert erwärmt und geschmiedet werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsstation (5) durch einen Ofen gebildet wird und überlappende Bereiche der zumindest teilweise übereinanderliegenden Bleche durch ein Schmiedewerkzeug im Ofen (6) miteinander fest verbunden werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die überlappenden Bereiche der zumindest teilweise übereinanderliegenden Bleche nach dem Erwärmen und nach dem Einlegen in die Presse aber vor dem Formen durch das Umformwerkzeug durch ein Schmiedewerkzeug in der Presse miteinander fest verbunden werden. Ofen zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen mit einem Schmiedewerkzeug ausgestattet ist. Presse zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Presse sowohl mit einem Schmiedewerkzeug als auch mit einem Umformwerkzeug ausgestattet ist.






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