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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum temperierten
Umformen von warmgewalztem Stahlmaterial.
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Es
ist bekannt, aus Stahlblech durch Umformungen, wie Tiefziehen, geeignete
Bauteile zu erzeugen. Hierbei werden sowohl warmgewalzte als auch
warm- und kaltgewalzte Stahlgüten
verwendet.
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Derartige
Umformverfahren können
sowohl als Warmumformverfahren als auch als Kaltumformverfahren
durchgeführt
werden.
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Im
Allgemeinen wird mit Warmumformung eine Umformung im austenitischen
Gebiet beschrieben. Dabei soll die maximale Temperatur von 980°C nicht überschritten
werden, wenn keine zusätzliche Glühung mehr
stattfinden soll. Des weiteren muss die Umformung oberhalb von 750°C abgeschlossen
sein und die Abkühlung
muss anschließend
an ruhender Luft erfolgen. Für
dieses Verfahren können
nur Stähle
für das
Normalglühen
eingesetzt werden, da sie die Festigkeiten auch nach einer Glühung bei
950°C gewährleisten.
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Der
Ablauf dieses Verfahrens ist in 18 dargestellt.
In diesem Fall wird die zumeist auf Endkontur beschnittene Plati ne 101 in
den ersten Teil 102 des Werkzeuges 103 eingelegt
und frei umgeformt. Dabei wird, wie in Schritt 2 der Abbildung ersichtlich, die
Platine 101 am Boden gewölbt. Bei diesem Prozess kann
die Platine 101 nur in der Ruhelage vor der Verformung
im Werkzeug 103 fixiert werden. Sobald das Oberteil 104 des
Werkzeuges 103 in Kontakt mit der Platine 101 tritt,
kommt es zu einer ungeführten, freien
Umformung (18 oben). Nach dieser Umformung
wird die Platine 101 in das zweite Werkzeug 105 manipuliert
(18 unten). Bei diesem Schritt werden die Kanten 106,
bzw. Radien 107 des Werkstückes gestaucht. Gleichzeitig
kann, wenn erwünscht
eine Prägung
der Schweißkante
erfolgen. Da jedoch die Einformung frei erfolgt, ist ein maßhaltiges
Ausprägen
der Kante nur schwer durchführbar. Während des
Prägens
kommt es zu einer gegensätzlichen
Wölbung 108 des
Bauteiles. Dabei wird Material in den Boden geschoben und nicht
für die
Ausprägung
verwendet. Dies verursacht jedoch große Stauchwege, um die Maßhaltigkeit
der Kante und Radien zu erfüllen.
Das heißt,
aufgrund der hohen Stauchwege unterliegt das Werkzeug zwangsbedingt einem
hohen Verschleiß.
Zusätzlich
muss noch berücksichtigt
werden, dass bei diesem Prozess immer zwei Teile in der Presse vorhanden
sein müssen. Dies
wiederum kompensiert jedoch die Reduzierung der Presskraft aufgrund
der hohen Umformtemperatur.
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Typische
Bauteile, welche auf diese Art hergestellt werden, sind Achsbrücken von
Lastkraftwagen. Hier nutzt man die Warmumformung zur Reduktion der
Umformkraft und der Biegeradien aus. Gleichzeitig können in
einem zweiten Schritt die Biegekanten gestaucht werden, wodurch
das Bauteil eine höhere
Steifigkeit erfährt.
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Ein
derartiges Verfahren ist z. B. aus der
US 2,674,783 A bekannt.
Bei diesem Verfahren wird im ersten Schritt eine Form erzeugt und
anschließend
in einer zweiten Operation diese Vorform endgültig ausgeprägt.
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Diese
Herstellung hat zum Nachteil, dass das Werkstück zweimal manipuliert werden
muss. Dabei treten unterschiedliche Abkühlraten auf. In Abhängigkeit
der Werkzeugtemperatur kann die Kühlrate im Werkzeug höher oder
niedriger als an ruhender Luft sein. Wie noch beschrieben wird,
ist die Abkühlung
bei normalisierend geglühten
Stählen
von großer
Bedeutung.
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Aufgrund
des zweistufigen Prozesses sinkt die Bauteiltemperatur verstärkt ab.
Dies hat zu Folge, dass die Umformkräfte steigen und gerade beim
Kalibrieren, d. h. jener Prozessschritt mit der höchsten Umformkraft,
der Umformwiderstand sehr hoch ist und den Vorteil der Warmumformung
schmälert.
Des weiteren muss darauf geachtet werden, dass die zweite Umformung
oberhalb von 750°C
bzw. 700°C abgeschlossen
sein muss.
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Versuche
mit vorgewärmtem
Werkzeug, d. h. betriebsnahen Bedingungen, zeigen jedoch, dass im Vergleich
zur Abkühlung
an Luft die Kühlrate
durch die Warmumformung wesentlich höher ist (19).
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Bei
allen Versuchen wurden die Temperaturen im Bauteil mittels Thermoelementen
online gemessen. Die Thermoelemente wurden in Langlöcher mit
einem Durchmesser von 2 mm gesteckt und mit umgeformt.
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Eine
detaillierte Betrachtung des Umformprozesses zeigt 20.
Hier ist ersichtlich, dass die erste Umformstufe bei ca. 790°C und die
zweite Umformstufe bei ca. 680°C
abgeschlossen sind. Dies bedeutet jedoch eine Unterschreitung der
minimalen Umformtemperatur von 750°C, bzw. 700°C. In 19 ist
auch ersichtlich, dass die Umwandlung von Ferrit in Austenit entwe der
zwischen oder während
der Umformung erfolgt. Die exakte Umwandlungstemperatur hängt von
der Legierungs-zusammensetzung ab. Die Endtemperatur deutet auch
darauf hin, dass die Vorteile der Warmumformung, das heißt geringe
Umformkräfte,
bei der zweiten Umformstufe nicht mehr geltend gemacht werden können.
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Die
Auswahl an Stählen
für derartige
Warmumformverfahren ist auf normalisierend geglühte Stähle begrenzt.
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Normalisierend
geglühte,
bzw. gewalzte Stähle
erzielen ihre mechanischen Eigenschaften sowohl im Ausgangszustand
(normalisierend gewalzt) als auch im geglühten Zustand, sofern es sich
um eine Normalglühung
handelt. Die Wärmebehandlung erfolgt
oberhalb der A3-Temperatur. Das heißt, es findet ein Glühen im einphasigen
austenitischen Bereich statt. Werden diese Stähle kalt umgeformt, so soll
bei einer Überschreitung
des Umformgrades von 5% eine Wärmebehandlung
durchgeführt
werden.
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Die
mechanischen Kennwerte werden hauptsächlich durch die Ausbildung
einer ferritisch-perlitischen Matrix erreicht. Dies bedeutet jedoch,
dass die Abkühlgeschwindigkeit
exakt eingehalten werden muss, um die Bildung eines feinlamellaren
Perlits zu gewährleisten.
Das Abkühlen
muss langsam erfolgen, entweder an ruhender Luft oder im Ofen. Es
ist darauf zu achten, dass die Phasen Ferrit und Perlit ausgeschieden
werden und die Martensitbildung unterbunden wird. Ab 600°C ist die
Abkühlgeschwindigkeit
unkritisch. Die Festigkeit des Werkstoffes ist linear vom Perlitanteil
abhängig
und dieser wiederum vom Kohlenstoffgehalt. Eine Erhöhung der Festigkeit
kann zum überwiegenden
Teil nur durch einen höheren
Kohlenstoffgehalt erreicht werden. Dies bedeutet aber in weiterer
Konsequenz, dass damit die Schweißbarkeit abnimmt. Erkennbar
ist dies durch den Anstieg des Kohlenstoffäquivalents (siehe 15).
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Bei
den normalisierend geglühten
Stählen kann
man zwischen normalisierend gewalzten Erzeugnissen und normalisiert
geglühten
Erzeugnissen unterscheiden, wobei bei normalisierend gewalzten Erzeugnissen
bei der Herstellung darauf zu achten ist, dass die letzte Warmwalzung
oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Austenits erfolgt.
Diese liegt typischerweise bei ca. 950°C.
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Der
Stahl rekristallisiert dabei vollständig und die Walzrichtung ist
nur noch aufgrund von Seigerungseffekten erkennbar. Der rekristallisierte
Austenit wandelt im Anschluss mit definierter Abkühlgeschwindigkeit
in Ferrit und Perlit um. Bei normalisierend geglühten Erzeugnissen werden Platinen
oder Bauteile über
die A3-Temperatur erhitzt und im Anschluss daran kontrolliert abgekühlt. Nach
dieser Wärmebehandlung
erhält
der Stahl wieder die Ausgangseigenschaften. Des weiteren kann im
Anschluss an eine Glühung
die Platine oder das Bauteil aus der Hitze umgeformt werden. Es
ist jedoch darauf zu achten, dass die Umformung oberhalb von 750°C abgeschlossen
sein muss. Bei einem Umformgrad von nicht mehr als 5% gilt eine
Temperatur von 700°C.
Die Platinen oder Bauteile sind an ruhender Luft abzukühlen.
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Thermomechanisch
gewalzte Stähle
erzielen ihre Festigkeit aus der gezielten Herstellung während des
Warmwalzens. In diesem Fall wird die Endverformung unterhalb der
Rekristallisationstemperatur von Austenit durchgeführt. Die
Temperatursteuerung der Rekristallisation erfolgt dabei durch zusätzliche
Legierungselemente. Diese Elemente, und hier vorwiegend Niob erhöhen die
Rekristallisationstemperatur des Austenits, so dass ein ausreichendes Prozessfenster
zwischen A3-Temperatur und der Rekristallisationstemperatur entsteht.
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Da
das Gefüge
nach dem letzten Walzstich nicht mehr rekristallisieren kann, besitzt
es aufgrund des gestreckten Walzgefüges sehr viele Keime zur Umwandlung
von Austenit zu Ferrit. Als Ergebnis erhält man ein sehr feinkörniges Gefüge, das
hauptsächlich
aus Ferrit und zu geringen Anteilen aus Bainit besteht. Bainit ist
ein sehr feinlamellarer Perlit, der nur im Ungleichgewicht erstarren
kann. Dies erfolgt durch eine gesteuerte rasche Abkühlung nach
dem letzten Walzstich. Als zusätzlicher
Effekt tritt eine Erhöhung
der Zähigkeit
des Materials auf.
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Erstarren
im Gleichgewicht benötigt
langsame Abkühlraten,
dies trifft eher auf normalisierend gewalzte Stähle zu. Zusätzlich verhindern die Legierungselemente
in ausgeschiedener Form als Karbide, Nitride oder Karbonitride ein
Kornwachstum über 1100°C. Dies wirkt
sich auch vorteilhaft in der Grobkornzone der Wärmeeinflusszone beim Schweißen aus.
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Normalisierend
geglühte
Stähle
zeigen bei hohen Festigkeiten aufgrund der Legierungszusammensetzung
ein kritisches Verhalten bei der Herstellung zu Warmband. Aufgrund
des geringeren Legierungsanteiles bei TM-Stählen können diese mit wesentlich höheren Festigkeiten
erzeugt werden.
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Während normalisiert
gewalzte Stähle
nur bis zu einer maximalen Streckgrenze von 460 MPa bei Blechstärken unter
16 mm genormt sind, so sind TM-Stähle bis zu einer Mindeststreckgrenze
von 700 MPa bei 8 mm genormt (> 8
mm darf die Streckgrenze um 20 MPa niedriger sein). Diese Angaben
findet man in den Normen DIN EN 10025-3 für normalisierend gewalzte Stähle und
für thermomechanisch
gewalzte Stähle
ist die Norm DIN EN 10149-2 ausschlaggebend.
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Sauergasbeständige Stähle werden
im gleichen Verfahren wie thermomechanische Stähle hergestellt. Sie sind jedoch
aufgrund ihres Einsatzgebietes in der Norm API spec 5l, bzw. DIN
EN 10208-2 abgebildet. Diese Bleche zeichnen sich durch extrem niedrige
Gehalte von Verunreinigungen wie Schwefel aus. Dies bewirkt, dass
ein Rekombinieren des Wasserstoffs zu H2,
das heißt
Rissbildung in der Nähe
von Mangansulfiden, verhindert wird. Andererseits wird dadurch die
Zähigkeit
selbst bei sehr tiefen Temperaturen stark verbessert. Des weiteren
wird durch die geringen Kohlenstoffgehalte die Ausbildung von Mittenseigerung
reduziert. Dies verhindert die Bildung von harten Phasen in der
Matrix. Um die Festigkeit zu erhöhen,
muss die Kühlendtemperatur
reduziert werden. Als Ergebnis liegt ein Stahl mit sehr feinem ferritischen
Gefüge
vor.
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Eine
Gegenüberstellung
der Herstellpfade im Warmwalzwerk ist der 16 zu
entnehmen. Hier ist der Unterschied bei der Endverformung klar ersichtlich.
Mit den Abkühlbedingungen
aus der Walzhitze kann die Gefügeausbildung
bei thermomechanischer Walzung noch beeinflusst werden. Die unterschiedlichen
Strukturen von normalisierend gewalzt, bzw. geglüht und thermomechanisch gewalzt
sind der 17 zu entnehmen.
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Die
Abkürzungen
in 16 sind T (Temperatur), TRS (Rekristallisationstemperatur
im Austenit), TM (thermomechanisch) und ACC (beschleunigt abgekühlt).
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Vergleicht
man die Gefüge
zwischen normalisierend gewalzt und TM-gewalzt, so ist der erhöhte Anteil
an kohlenstoffreichem Perlit (dunkle Phase) eindeutig feststellbar.
Eine Kornfeinung, und somit eine Erhöhung der Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit ist
nur durch die thermomechanische Herstellung möglich.
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Die
chemischen Zusammensetzungen von normalisierend gewalztem Stahl
findet man in den Normen DIN EN 10149-3 und DIN EN 10025-3. Die chemische
Zusammensetzung von thermomechanisch gewalztem Stahl ist in der
Norm DIN EN 10149-2 abgebildet. Vergleicht man Stahlgüten mit gleicher
Mindeststreckgrenze so sind die höheren Kohlenstoffgehalte bei
normalisierend gewalzten Stählen
ersichtlich.
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Zur
Kaltumformung können
beide Stahlgüten herangezogen
werden, wobei thermomechanische Stähle bei gleichen Streckgrenzen
ein besseres Umformvermögen
zeigen. Ein Ausprägen
der Kanten, bzw. eine Schweißnahtvorbereitung,
ist in der Kaltumformung nicht möglich,
da die auftretenden Kräfte
zu groß wären. Aus
diesem Grund ist eine wirtschaftliche Auslegung einer Presse für Bauteile
mit komplexer Geometrie nicht mehr gegeben.
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Aus
der
DE 10 2005
055 494 B3 ist ein Verfahren zum Herstellen von einem Bauteil
aus einem metallischen Flachprodukt durch Pressumformen bekannt,
wobei ein Bauteil aus einem metallischen Flachprodukt, insbesondere
ein Stahlblechzuschnitt durch Pressumformen verformt wird und das
Flachprodukt mittels konduktiver Erwärmung mindestens abschnittsweise
auf eine Umformtemperatur erwärmt wird,
bevor es in ein Umformwerkzeug eingelegt und dort zu dem Bauteil
pressumgeformt wird. Die kondukitive Erwärmung wird unmittelbar vor
dem Pressumformvorgang durchgeführt,
wodurch es möglich
sein soll, auf einfacher und praxisgerechter Weise qualitativ hochwertige
Bauteile herzustellen. Die Umformtemperatur soll hierbei bei 450°C bis 700°C liegen, wobei
die Stahlwerkstoffe hochfeste Stahlwerkstoffe, insbesondere aus
dem Bereich der Komplexrasenstähle
sind.
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Aus
der
DE 198 53 130
B4 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Tiefziehen
von Bauteile bekannt, wobei das Tiefziehverfahren einstufig ist
und in der Matrize auf einer passiven Feder gelagert ein Schieber
vorhanden ist, der einen konkav-konvexen Bereich
auf der Matrize, welche der Ausformung des konkav-konvexen Bereichs
auf dem Blechteil entspricht, zumindest abschnittsweise überdeckt.
Hiermit soll es möglich
sein, ein gutes Ergebnis zu erzielen, auch wenn die zu formenden
Blechteile in randfernen Gebieten steile, konkave und/oder konvexe Bereiche
enthalten.
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Aus
der
DE 102 47 301
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Blechumformen
und Härten
bekannt, bei dem ein Blechzuschnitt aus härterem Stahl in einem Tiefpresswerkzeug
umgeformt werden soll, wobei sich das Blech beim Eindrücken in die
Matrize durch seine Spannung vor dem Stempel aufwölbt. Hierdurch
soll vor dem Prägen
dort ein nützlicher
Materialüberschuss
bestehen, der den geprägten
Grund des Werkstückes
durch Stauchung verstärken
kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches einfach
und schnell durchführbar
ist, bezüglich
des Werkzeugverschleißes
verbessert ist und einen besser steuerbaren Prozess mit niedrigeren
Kosten ergibt.
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Die
Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Durchführen des
Verfahrens zu schaffen, mit der die Umformung einfach, schnell und sicher
durchgeführt
wird, welche geringen Verschleiß hat,
mit einer hohen Taktzeit arbeitet und die Investition verringert.
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Die
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
8 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird der Werkstoff zwar erwärmt,
aber keiner Phasenumwandlung unterzogen, das heißt die Umformung findet im
ferritischen, perlitischen oder bainitischen Bereich statt. Weder
die eutektoide noch die Rekristallisations-Temperatur dürfen dabei überschritten
werden.
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Für dieses
Verfahren können
Stähle
verwendet werden, welche bei Temperaturen bis max. 700°C stabile
Gefüge
besitzen.
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Dazu
zählen
neben normalisierend gewalzten Stählen vor allem die thermomechanisch
gewalzten Stähle,
da sie ein stabiles Gefüge
besitzen. Diese Stähle
sind auch für
das Spannungsarmglühen
freigegeben, welches ungefähr
im gleichen Temperaturbereich stattfindet. Bei der Verwendung dieser
Stähle muss
darauf geachtet werden, dass keine Rekristallisation während der
Erwärmung
und anschließender Umformung
eintritt.
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Mehrphasenstähle besitzen
unter anderem auch martensitische Phasen in der Matrix. Dieser Martensit
wird jedoch bei so hohen Temperaturen angelassen und verändert dadurch
die mechanischen Kennwerte der Stahlgüte.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es vorteilhafter Weise, zunderfrei umzuformen. Während bei bekannten Umformprozessen
mit Temperaturen von 900°C
und höher
dicke Zunderschichten auftreten, bilden sich in diesem Fall nur
dünne Oxidhäute auf
der Oberfläche
des Werkstückes
aus. Vergleicht man ungebeiztes Warmband mit erfindungsgemäß umgeformten
Bauteilen, ist kein Unterschied in der Oberflächenausbildung ersichtlich.
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Dies
erlaubt es, mehrere Verfahrensschritte in ein Werkzeug zu integrieren,
da kein störender Zunder
die Funktion beinträchtigen
könnte.
So kann im Falle der erfindungsgemäßen temperierten Umformung
der erwähnte
zweistufige Prozess zur Ausprägung
von scharfen Radien nach dem Stand der Technik ein zweifach wirkender
Prozess herangezogen werden. Dieser Prozess wird zwar bei niedrigeren
Temperaturen als bei der Warmumformung durchgeführt, da jedoch nur ein Werkstück in der Presse
zum Einsatz kommt, sind Presskräfte ähnlich niedrig.
Dieser Prozess erlaubt es mehrere Verfahrensschritte in einem Werkzeug
zu kombinieren:
- – geführte Umformung
- – Stauchen
von Material
- – Prägen von
Schweißkanten
- – Bauteilauswurf
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Die
Kostenersparnis ergibt sich aus folgenden Gründen:
- – ein Werkzeug
für alle
Funktionen;
- – geringere
Verschleißkosten
aufgrund der Prozessparameter und Werkzeugreduktion;
- – Erhöhung der
Taktzeit, da das Bauteil in einem Arbeitshub gefertigt werden kann;
- – Reduzierung
der Investition:
Kompaktere Ofensysteme nutzbar, dadurch geringerer
Ausstoß an
CO2; Presskraft wird nicht erhöht, da sich
anstelle von zwei nur ein Bauteil im Werkzeug befindet;
Alle
Funktionen sind im Werkzeug, das heißt die Presse kann einfach
ausgeführt
werden.
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Die
Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert, es zeigen dabei:
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1:
den Verfahrensablauf eines zweifach wirkenden erfindungsgemäßen Prozesses;
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2:
den Aufbau eines zweifach wirkenden erfindungsgemäßen Werkzeug;
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3:
die Umformkräfte
in Abhängigkeit
der Temperatur;
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4:
den Temperaturverlauf beim erfindungsgemäßen Verfahren bei einer Starttemperatur von
700°C;
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5:
den Temperaturverlauf beim erfindungsgemäßen Verfahren bei einer Starttemperatur von
500°C;
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6:
die Oxidationsrate von Eisen in Luft;
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7:
die Verfestigung bei 180°-Faltung
von TM-Stahl;
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8:
den Härteverlauf
bei Vergütungsstahl (V)
und thermomechanisch gewalztem Stahl (TMBA);
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9:
die mechanischen Kennwerte von thermomechanisch gewalztem Stahl
in Abhängigkeit der
Glühtemperatur;
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10:
die Herstellung von Bauteilen nach einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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11:
die Herstellung von Bauteilen nach einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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12:
die Herstellung von Bauteilen nach einer dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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13:
die Herstellung von Bauteilen nach einer vierten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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14:
eine Gegenüberstellung
von thermomechanisch gewalztem Stahl gegenüber normal geglühtem Stahl;
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15:
die Streckgrenze und das Kohlenstoffäquivalent für verschiedene Herstellverfahren und
Stahlsorten;
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16:
die Herstellung von warmgewalztem Stahl;
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17:
das Gefüge
aufgrund der unterschiedlichen Herstellung von warmgewalztem Stahl;
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18:
den Verfahrensablauf eines zweistufigen Prozesses nach dem Stand
der Technik;
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19:
den Temperaturverlauf beim Warmumformen nach dem Stand der Technik
bei einer Starttemperatur von 940°C
im Vergleich zu einer Luftabkühlung;
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20:
den Temperaturverlauf beim Warmumformen nach dem Stand der Technik
bei einer Starttemperatur von 940C.
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1 und 2 zeigen
den Aufbau des Werkzeuges. Je nach Art der Anwendungen können die
Werkzeugteile gekühlt
ausgeführt
sein.
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Im
Oberteil 7 befinden sich der Stempel 2, welcher
die Form des Bauteiles erzeugt und die Prägeleisten zur Ausprägung kleiner
Radien und wenn notwendig der Schweißanarbeitung. Der Stempel 2 ist über ein
Federpaket 4 mit dem Oberteil 7 verbunden. Dieses
Federpaket kann aus Stahlfedern sowie aus hydraulischen Feder/Dämpfersystemen
oder Gasdruckfedern bestehen. Im Unterteil 11 befinden sich
der Matrizeneinsatz 3 sowie die Matrize 6 selbst. Das
Federpaket 5 zur Steuerung des Matrizeneinsatzes 3 kann
ebenso aus Stahlfedern sowie aus hydraulischen Feder/Dämpfersystemen
oder Gasdruckfedern bestehen.
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Die
Herstellung eines Bauteiles mittels zweifach wirkendem Prozess kann
wie folgt erklärt
werden:
Die Ablage der auf Wunsch endgeometrienahen Platine 1 erfolgt
zum einen auf das Unterteil 11 des Werkzeuges und zum anderen
auf den Matrizeneinsatz 3. Berührt nun das Oberteil 7 die
Platine 1, so wird durch beidseitigen Kontakt von Oberteil 7 und Matrizeneinsatz 3 die
Platine 1 geklemmt und die Umformung erfolgt geführt und
nicht frei. Des weiteren kann sich dadurch auch keine Wölbung im
Werkzeug einstellen. Bei der weiteren Verformung (Schritt 2) wird
nun der Matrizeneinsatz 3 durch den Stempel 2 verdrängt. Dabei
sind die Kräfte
der Federpakete von Stempel 2 zu Matrizeneinsatz 3 so
abgestimmt, dass in der Platine 1 keine Abdrücke erzeugt
werden. Im Schritt 3 wird der Bauteil zur Gänze umgeformt, wobei der Stempel 2 dabei
den unteren Totpunkt erreicht hat. Gleichzeitig stützt sich
nun der Matrizeneinsatz 3 in der Matrize 6 ab,
sodass die Prägekräfte nicht über das
Federpaket 5 übertragen
werden müssen.
In weiterer Folge wird nun das Federpaket 4 im Stempel 2 verdrängt und
die Ausprägung
durchgeführt
(Schritt 4). Nach dem Öffnen
des Werkzeuges dient die Federkraft des Matrizeneinsatzes 3 zum Ausstoßen des
Bauteiles, das heißt
das Werkzeug nimmt wieder die Position in Schritt 1 ein.
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Die
Herstellung eines Bauteiles mit engen Radien und/oder Schweißnahtvorbereitung
erfolgt deshalb in einem Hub oder Ar beitsschritt des Werkzeuges.
Eine Anarbeitung der Schweißkante
ermöglicht
die Weiterverwendung von Bauteilen zur Komponentenfertigung ohne
einer spanabhebenden Zwischenbearbeitung der Kante.
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In
Abhängigkeit
des Ausgangsmaterials können
die Platinen zwischen 500°C
und 700°C
aufgeheizt werden. 3 zeigt die notwenigen Umformkräfte in Abhängigkeit
der Temperatur an einem identen Bauteil. Aus diesem Diagramm ist
ersichtlich, dass eine Warmumformung bei 900°C im Vergleich zu einer temperierten
Umformung die Presskräfte halbiert.
Da jedoch beim zweistufigen Prozess der Warmumformung die Endtemperatur
gegen 700°C fällt, steigen
auch die Umformkräfte
auf das 1,5fache (-∙∙-) Linie)
an. Berücksichtigt
man noch weiter, dass sich zwei Bauteile in der Presse befinden,
so kann davon ausgegangen werden, dass die Presse ähnlich der
temperierten Umformung ausgelegt werden muss. Zusätzlich ist
die erhöhte
Reibung bei 900°C klar
ersichtlich. Während
bei niedrigeren Temperaturen der Kraftaufwand nach der ersten Umformung absinkt,
bleibt der Umformwiderstand bei 900°C annähernd konstant, was auf erhöhte Reibung
aufgrund des vorliegenden Zunders im Zargenbereich schließen lässt. Dieses
Phänomen
tritt im Schritt 2 in 18 bei der Umformung auf.
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Der
Temperaturverlauf der temperierten Umformung nach der Erfindung
ist am Beispiel einer Umformung von 700°C in 4 ersichtlich.
Zum einen zeigt sich, dass die Herstellung des Bauteiles in einem
Schritt erfolgte, zum zweiten tritt dabei ein maximaler Temperaturverlust
von nur ca. 120°C
auf. Im Vergleich zur Warmumformung zeigt sich, dass sich durch
eine Verringerung der Anfangstemperatur von ca. 240°C eine Reduzierung
der Endtemperatur von nur 100°C
ergibt.
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Ein
weiteres Beispiel ist in 5 ersichtlich. In diesem Fall
betrug die Platinentemperatur zu Beginn der Umformung 500°C. Die Auswertung
zeigt, dass im Bereich des Bodens und der Zarge der Temperaturverlust
weniger als 100°C
beträgt,
während
im Bereich der Kante, also an jener Stelle, wo die Prägeleisten
angreifen, eine Reduktion der Umformtemperatur von mehr als 150°C auftritt.
Aufgrund der Wärmeleitung
im Bauteil erfolgt jedoch ein sofortiger Anstieg der Temperatur
noch dem Öffnen
der Presse. 6 zeigt die Abhängigkeit
der Oxidationsrate von Eisen an Luft in Abhängigkeit der Temperatur. Wählt man
als Bezugsgröße die Oxidationsrate
bei 600°C, so
erhöht
sich die Rate bei 700°C
um das siebenfache und bei 950°C
um das 230fache. Dies macht den Vorteil der erfindungsgemäßen temperierten
Umformung deutlich. Durch die drastische Reduktion der Oxidbildung
an der Bauteiloberfläche
verringert sich der Verschleiß des
Werkzeuges. Zweiter Kosteneffekt ist die Erhöhung der Taktzeit, da die zwischenzeitliche
Reinigung des Werkzeuges um ein Vielfaches geringer, bzw. entfallen
kann.
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Nur
durch die Kombination von Temperaturführung und Werkstoffauswahl
ist es möglich,
das erfindungsgemäße Verfahren
umzusetzen.
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Im
Vergleich zur Kaltumformung sind wesentlich komplexere Geometrien
möglich.
Dies wird durch ein Nachfördern
des Werkstoffes während
der Umformung hervorgerufen. Dadurch können wesentlich geringere Außen- als
auch Innenradien erzeugt werden bei Aufrechterhaltung des Ausgangsquerschnittes
des Vormaterials. Deshalb ist es möglich, dass bei gleichen mechanischen
Eigenschaften des Werkstoffes größere Belastungen übertragen
werden, da die Flächenwiderstandsmomente
stark erhöht
werden können.
Bei gleicher Belastung kann die Wandstärke dementsprechend verringert
und somit Gewicht eingespart werden.
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Bei
der konventionellen Kaltumformung wird das Material im Verformungsbereich
ausgedünnt.
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Wie
bereits angeführt
beeinflusst die Abkühlgeschwindigkeit
die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes nach der Umformung
nur gering, während
bei der Verwendung von normalisierend gewalzten Stählen die
Abkühlgeschwindigkeit
eine wesentliche Funktion zur Erreichung der mechanischen Eigenschaften
ist.
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Bei
Einhaltung der Glühbedingungen
zur Umformung erhöht
sich durch beschleunigte Alterungseffekte die Streckgrenze. Des
weiteren können sich
noch Ausscheidungen bilden.
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Kurzfristige
Temperaturen, wie sie z. B. beim Flammrichten auftreten, können, sofern
sie entsprechend der Lieferbedingung des Vormaterials durchgeführt werden,
analog dem Ausgangsmaterial durchgeführt werden.
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Aufgrund
des gewählten
Temperaturbereiches zur Umformung können alle Werkstoffe eingesetzt
werden, welche ihre Eigenschaften durch eine temperierte Wärmebehandlung
beibehalten. Dies gilt ebenso für
normalisierend gewalzte Stähle,
wenn eine spezielle Weiterverarbeitung den Einsatz dieser Stähle voraussetzt.
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Bevorzugt
werden thermomechanische Stähle
eingesetzt, da das schon gute Umformvermögen bei Raumtemperatur durch
die temperierte Umformung verbessert wird und das Verfahren um Stauchprozesse
ergänzt
werden kann.
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Im
Vergleich zur Kaltumformung treten bei der temperierten Umformung
nur geringe Verfestigungseffekte auf, da die Umformung im Bereich
der Erholung des Werkstoffes liegt, und dadurch die Verfestigung
ohne Inkubationszeit abgebaut werden kann. Eine Homogenisierung
der inneren Spannungen ist die Folge. Eine Verringerung der Verfestigung ist
in 7 ersichtlich.
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Die
temperierte Umformung nach der Erfindung schränkt die Weiterverarbeitung
bezüglich Schweißen oder
Oberflächenbeschichtungen
nicht ein. Dieses Verfahren erlaubt, komplexe Bauteile mit hohen
Festigkeiten herzustellen, ohne Einschränkung auf Nachfolgeprozesse.
Aufgrund der Warmumformung können
zum Beispiel nur normalisierend gewalzte Stähle eingesetzt werden. Wie
bereits beschrieben sind diese aufgrund ihrer Legierungszusammensetzung
wesentlich kritischer zu schweißen. Zusätzlich muss
aufgrund der hohen Temperatur wesentlich aufwändiger die Oberfläche gereinigt
werden.
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Das
grundlegende Vorurteil gegen den Einsatz von thermomechanischen
Stählen
ist deren Empfindlichkeit gegen hohe Temperaturen, wie sie zum Beispiel
beim Schweißen
vorkommen. Moderne TM-Stähle
weisen jedoch aufgrund ihrer Legierungszusammensetzung auch sehr
gute mechanische Eigenschaften nach dem Schweißen auf. Dies wird unter anderem
durch die Zugabe von Mikrolegierungselementen erreicht. Durch fein
verteilte Ausscheidungen aus Mikrolegierungselementen in Verbindung
mit Stickstoff oder Kohlenstoff wird die Bildung von Grobkorn in
der Wärmeeinflusszone
behindert, da ein Wachsen der Korngrenzen durch Festhalten erschwert
wird. Demzufolge wird die erweichte Zone sehr schmal, wie in 8 auf
der rechten Seite dargestellt (WEZ = Wärmeinflusszone, SG = Schweißgut). In
beiden Fällen
ist der Abfall der Härte
gleich groß,
wobei die Erweichungszone beim thermomechanisch gewalzten Stahl
wesentlich schmaler ausgebildet ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
unterhalb von AC1 (eutektoide Temperatur) keine Erweichung des Materials
auftritt, d. h. die Korngröße ändert sich
nicht. Oberhalb von AC1 kommt es zu einer Umwandlung in Austenit
und im Anschluss daran zur oben genannten Grobkornbildung.
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Beim
Vergütungsstahl
(V) ist die Erweichungszone wesentlich breiter ausgelegt, da es
auch unterhalb der AC1 zu Umwandlungen kommt. In diesem Fall treten
Anlasseffekte auf und verändern
somit die mechanischen Eigenschaften des Materials. Zusätzlich kommt
es aufgrund des höheren
Kohlenstoffgehaltes noch zu einer verstärkten Aufkohlung im Übergangsbereich
von Schmelzgut zu Wärmeeinflusszone.
Dies ist bei dynamischer Beanspruchung besonders kritisch, da dies
wie eine metallurgische Kerbe wirkt.
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
weiter beschrieben, wobei eine spezielle Werkstoffauswahl hier nicht
getroffen wird, damit im erfindungsgemäßen Verfahren alle bereits
beschrieben Werkstoffe verarbeitet werden können.
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Das
Verfahren ermöglicht
sozusagen die Verwendung genormter Stähle unter der Voraussetzung,
dass die Glühbedingungen
analog dem Spannungsarmglühen
eingehalten werden. Bei der Fertigung muss jedoch eine Rekristallisation
während
der Umformung vermieden werden, da damit eine Reduzierung der Festigkeit
einhergeht. Werden Stähle verwendet,
welche eine starke Anlassneigung besitzen, z. B. aufgrund martensitischer
Phasen, so ist mit einem Festigkeitsverlust zu rechnen.
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Beispiel 1
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Ein
Beispiel für
die Verwendung eines thermomechanisch gewalzten Stahles für die temperierte Umformung
ist in 9 dargestellt. Die Proben wurden dabei innerhalb
von 15 Minuten auf die jeweilige Temperatur erhitzt. In allen Fällen konnte
eine völlige Durchwärmung sicher
gestellt werden. Anschließend wurden
die Proben an Luft, im Wasser oder zwischen zwei gekühlten Kupferplatten
abgekühlt.
Die Auswertung zeigt, dass bis zu einer Temperatur von 700°C die mechanischen
Eigenschaften mindestens den Ausgangswerten entsprechen. Eine Erhöhung der Streckgrenze
ist auf eine beschleunigte Alterung zurückzuführen. Oberhalb von 700°C tritt eine
Veränderung
des Gefüges
auf, die Bildung von Austenit beginnt. Eine Erweichung des thermomechanisch
gewalzten Stahles ist die Folge.
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Das
oben beschriebene Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mittels
temperiertem Umformen kann durch unterschiedliche Werkzeugausführungen
erfolgen. Weiter können
die Funktionen von Federn, hydraulischen Dämpfern und Gasdruckdämpfern auch
von der Presse selbst übernommen werden.
In Abhängigkeit
der Stückzahl
und Genauigkeit der Bauteile kann eine Wasserkühlung in den Werkzeugen erfolgen.
Im Unterschied zum Härten
in wassergekühlten
Werkzeugen, müssen
in diesem Fall keine derartigen Abkühlgeschwindigkeiten erreicht
werden. Die Kühlung
soll das Werkzeug und deren Funktionen vor thermischer Belastung
schützen.
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Alle
Verfahren haben die Vereinfachung gemein, dass in einem Schritt
sowohl die Umformung, als auch das Prägen der Seitenkanten erfolgt.
Ein zusätzlicher
Auswerfer, welcher die Kontur, bzw. die Oberfläche des Bauteiles zerstören könnte ist
in keiner Ausführung
notwendig. Gleichzeitig verhindern seitliche Klemmen am Matrizeneinsatz
ein Festsitzen des Bauteils am Stempel. Diese Klemmen öffnen sich
automatisch beim Öffnen
des Werkzeuges oder können
mit Hydraulik oder Gas angesteuert werden.
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Beispiel 2
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Der
Verfahrensablauf ist in 10 dargestellt.
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Schritt 1:
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Zu
Beginn der Umformung wird die Platine 1 zwischen Stempel 2 und
Matrizeneinsatz 3 geklemmt. Dadurch kann ein Verrutschen
der Platine verhindert werden. Bei herkömmlichen Verfahren erfolgt
die Umformung aufgrund des Weglassens eines Matrizeneinsatzes frei,
d. h. die Platine ist nicht geführt.
Bei der klassischen Warmumformung kann abplatzender Zunder die Funktionsweise
des Matrizeneinsatzes beeinflussen. Feder 4 und Feder 5 sind
auf Vorspannung.
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Schritt 2:
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Die
Umformung erfolgt im geklemmten Zustand. Feder 4 ist auf
Vorspannung, Feder 5 wird durch den Stempel 2 verdrängt.
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Schritt 3:
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Der
Stempel und der Matrizeneinsatz erreichen den unteren Todpunkt.
Sollte keine Schweißanarbeitung
der Kanten, bzw. aufgedickte Eckbereiche notwendig sein, so kann
Schritt 4 übersprungen
werden. Feder 1 ist auf Vorspannung, Feder 2 durch Stempel
verdrängt
und der Matrizeneinsatz 3 stützt sich auf Matrize 6 ab.
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Schritt 4:
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Zur
Kostenersparnis kann in diesem Arbeitsschritt die Anarbeitung der
Schweißkante
mit Anarbeitungsstempel 7 mit Prägeleisten 8 erfolgen,
unabhängig
des Schweißverfahrens
und des dazu notwendigen Winkels. Gleichzeitig können die Radien der Ecken sowohl
innen als auch außen
reduziert werden. Zusätzlich
wird die Wandstärke
in diesem Bereich erhöht.
Feder 4 wird durch die Prägeleisten verdrängt Feder 5 bleibt
in Position.
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Schritt 5:
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Der
Matrizeneinsatz 3 dient gleichzeitig zum Auswurf des Bauteiles
und kann in dieser Position die nächste Platine aufnehmen.
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Vorteile:
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- – keine
freie Umformung durch Matrizeneinsatz;
- – Prägung erfolgt
erst, wenn das Bauteil sich im unteren Todpunkt befindet, d. h.
Es wird durch das Prägen
kein Werkstoff in den Boden verschoben – kleinerer Stauchweg als bei
Stand der Technik (siehe 18);
- – einfacher
Werkzeugaufbau, d. h. nur ein Federsystem im Stempel notwendig;
- – geringe
Werkzeugkosten;
- – keine
zusätzliche
wegabhängige
Steuerung im Werkzeug notwendig.
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Beispiel 3
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Der
Verfahrensablauf ist in 11 dargestellt.
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Schritt 1:
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Platine 1 wird
zwischen Matrize 6 und Stempel 2 geklemmt. In
Abhängigkeit
des Bauteiles kann ein Matrizeneinsatz die Klemmung unterstützen (nicht
abgebildet). F1, F2 und F3: siehe Anmerkung in 11.
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Schritt 2:
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Der
Bauteile wird bei Weglassen des Matrizeneinsatzes frei umgeformt.
F1, F2 und F3 ohne Veränderung.
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Schritt 3:
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Der
Stempel 2 wird zurückgezogen,
dies erfolgt durch die Steuerung von F1. Prägeleisten 8 treten
in Kontakt mit der Zarge 9. F2 und F3 bleiben unverändert.
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Schritt 4:
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System
fährt mit
Einstellung von Schritt 3 auf Kontakt mit Vorwölber 9.
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Schritt 5:
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Die
Kanten 10 des Bauteiles berühren den Matrizenboden. Dadurch
wird eine Bevorratung des Werkstoffes im Boden verursacht. F1, F2
und F3 analog Schritt 3.
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Schritt 6:
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Oberteil 7 fährt nach
unten, F3 wird zur Gänze
verdrängt.
F2 wird um diesen Betrag anteilig verdrängt. Dadurch wird ein Verdrängen des
Materials in die Ecken verursacht, ohne das eine hohe Reibung im
Zargenbereich auftritt.
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Schritt 7:
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Verprägen des
Bauteiles durch komplettes Verdrängen
von F3.
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Vorteile:
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- – Materialbevorratung
im Boden;
- – geringer
Verschleiß in
der Zarge;
- – geringe
Stauchung über
die Zarge notwendig.
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Beispiel 4
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Der
Verfahrensablauf ist in 12 dargestellt.
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Schritt 1:
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Platine 1 wird
zwischen Matrize 6 und Stempel 2 geklemmt. In
Abhängigkeit
des Bauteiles kann ein Matrizeneinsatz die Klemmung unterstützen (nicht
abgebildet). F1 und F2: siehe Anmerkung in 12.
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Schritt 2:
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Der
Bauteile wird bei Weglassen des Matrizeneinsatzes frei umgeformt.
F1 und F2 ohne Veränderung.
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Schritt 3:
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Der
Bodenbereich wird zwischen Stempel 2 und Vorwölber 9 geklemmt.
F1 und F2 ohne Veränderung.
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Schritt 4:
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F1
wird durch die Abwärtsbewegung
des Oberteiles 7 verdrängt,
sodass die Prägeleisten 8 das
Bauteil im Eckenbereich in die Matrize 6 pressen. F2 bleibt
unverändert.
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Schritt 5:
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Stempel 2 und
Prägeleisten 8 fahren
gleichzeitig nach unten und verprägen das Bauteil. Dabei wird
F2 verdrängt.
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Vorteile:
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- – einfacher
Werkzeugaufbau, d. h. nur ein Federsystem im Stempel notwendig;
- – geringe
Werkzeugkosten;
- – keine
zusätzliche
wegabhängige
Steuerung im Werkzeug notwendig;
- – Materialbevorratung
im Bodenbereich durch Vorwölber.
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Beispiel 5
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Der
Verfahrensablauf ist in 13 dargestellt.
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Schritt 1:
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Platine 1 wird
zwischen Matrize 6 und Stempel 2 geklemmt. In
Abhängigkeit
des Bauteiles kann ein Matrizeneinsatz die Klemmung unterstützen (nicht
abgebildet). F1 und F2: siehe Anmerkung in 12.
-
Schritt 2:
-
Der
Bauteile wird bei Weglassen des Matrizeneinsatzes frei umgeformt.
F1 und F2 ohne Veränderung.
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Schritt 3:
-
Der
Bodenbereich wird zwischen Stempel 2 und Vorwölber 9 geklemmt.
F1 und F2 ohne Veränderung.
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Schritt 4:
-
Der
Stempel 2 hält
durch gesteuertes Verdrängen
von F1 seine Position. Das Oberteil 7 fährt nach unten, sodass die
Prägeleisten 8 das
Bauteil im Eckenbereich in die Matrize pressen. F2 bleibt unverändert.
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Schritt 5:
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Prägeleisten
fahren auf Endmaß des
Bauteiles und Stempel verharrt in konstanter Position F1 steuert
die Relativbewegung zur Prägeleiste,
sodass die Stempelposition konstant bleibt. F2 bleibt unverändert.
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Schritt 6:
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Ausprägen des
Bauteiles durch Ausfahren des Stempels mittels F1. F2 wird dadurch
verdrängt.
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Vorteile:
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- – Oberteil
benötigt
nur ein Federsystem;
- – geringe
Werkzeugkosten;
- – Bevorratung
im Bodenbereich unabhängig
der Stauchhöhe
der Prägeleisten.
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Bei
der Erfindung ist von Vorteil, dass ein Verfahren und eine Vorrichtung
geschaffen werden, mit denen eine geführte Umformung inklusive das Stauchen
von Material, Prägen
von Schweißkanten und
der Bauteilauswurf innerhalb eines Werkzeuges zuverlässig, schnell
und sicher durchgeführt
werden, wobei aufgrund der Prozessführung, insbesondere der niedrigen
Temperaturen, geringerer Verschleiß auftritt, die Taktzeit erhöht wird
und kompaktere Ofensysteme nutzbar sind. Zudem wird die Zunderbildung
reduziert, was eine Nachbearbeitung verringert und die Möglichkeit
gegeben, aus höherfesten TM-Stählen komplexe
Bauteile zu erzeugen.
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Als
Stahlblech für
die Platinen kann blankes Blech aber auch beschichtetes Blech verwendet
werden.
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Als
Beschichtungen sind elektrolytische oder die verschiedensten Schmelztauchverzinkungen,
gegebenenfalls mit einem Legierungsschritt, Zink-Aluminium- bzw.
Aluminium-Zink-Schichten, Aluminiumschichten aber auch Nano-Schichten
etc. geeignet.