DE102007062233A1

DE102007062233A1 - Verfahren zur Herstellung eines hohlen Werkstücks

Info

Publication number: DE102007062233A1
Application number: DE200710062233
Authority: DE
Inventors: Paul Dr. Dick; Stephan Dr.-Ing. Klose
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Werkstücks (4), wobei ein sich in einem Ausgangszustand befindenden Werkstück (4) hoch erhitzt, anschließend in ein Umformwerkzeug (2) eingebracht und mittels eines eingeleiteten Druckmediums in die Endform des Werkstücks (4) aufgeweitet wird, und wobei das Werkstück (4) im Umformwerkzeug (2) abgeschreckt wird. Um eine relativ schnelle Herstellung eines gehärteten hohlen Werkstückes (4) zu erreichen, wird vorgeschlagen, das Werkstück (4) im Umformwerkzeug (2) beim Aufweiten abzuschrecken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 698 03 588 T2 bekannt. Dort wird ein rohrförmiges Werkstück auf eine Temperatur zwischen 775°C und 1000°C erhitzt und anschließend in ein Umformwerkzeug eingeführt, welches beheizt wird. Danach erfolgt durch Einleiten eines vorgeheizten gasförmigen Druckmediums und Ausüben eines Druckes von 300–800 bar eine Aufweitung des Werkstücks, bis dieses sich an die Gravur des Umformwerkzeuges anlegt. Nach Erreichen des fertig geformten Werkstückes wird dieses durch Kühlen des Umformwerkzeuges und durch Einleiten kühler Luft in das fertig geformte Werkstück abgeschreckt und dabei gehärtet. Das bekannte Verfahren dauert relativ lange und ist mit hohem apparativem Aufwand verbunden, da das Umformwerkzeug aufwändig beheizt werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass eine relativ schnelle Herstellung eines gehärteten hohlen Werkstückes erreicht wird.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Dank der Erfindung wird das hoch erhitzte Werkstück bereits während des Aufweitens im Umformwerkzeug abgeschreckt. Durch die Zusammenlegung der Verfahrensschritte wird erheblich Zeit für die Herstellung eingespart, wobei trotzdem die gewünschte Form des Werkstücks erzielt und eine ausreichende Härtung erreicht werden. Im Falle der Verwendung eines Stahlwerkstoffes für das Werkstück wird bei Drücken von mindestens 800 bar bis 3000 bar, je nach Stahlsorte und Wanddicke des Werkstückes umgeformt und das Werkstück dabei in seine gewünschte pressgehärtete Endform aufgeweitet. Aufgrund der Abschreckung beim Aufweiten entfällt die Heizvorrichtung des Umformwerkzeugs vollkommen, so dass die Herstellungsvorrichtung und der damit verbundene apparative Aufwand zur Herstellung des Werkstücks enorm herabgesetzt werden. Denkbar ist einerseits, das Werkstück gleich mit Beginn des Aufweitvorgangs abzuschrecken, was die Herstellung beschleunigt. Andererseits kann auch die Abschreckung ein wenig zeitversetzt einsetzen, wodurch die durch die Erhitzung erlangte Fließfähigkeit des Werkstückmaterials eine besonders gute Ausformung mit hohen Umformgraden zulässt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 wird das Umformwerkzeug zumindest vom Einbringen des Werkstücks an bis zur Entnahme des fertig geformten Werkstücks gekühlt. Durch diese Maßnahme wird der Herstellungsprozess noch weiter beschleunigt, da das Abschrecken bereits mit dem Schließen des Umformwerkzeugs einsetzt. Die Kühlung besteht vorzugsweise in einer Wasserkühlung, mit der die Außenseite des Werkzeugs in einfacher Weise beaufschlagt wird. Etwas aufwändiger ist die Kühlung der Gravur, die den Formraum für das Werkstück bildet. Hier sind mehrere Kanäle vorzusehen, die mit Kühlflüssigkeit geflutet werden.
In einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 wird das Werkstück mittels des Druckmediums gleichzeitig aufgeweitet und abgeschreckt. Hierdurch wird das Werkstück von innen zum Abschrecken erfasst, wobei das Druckmedium in Abhängigkeit von der thermischen Wechselbelastbarkeit des Werkstückmaterials sowie der Wandstärke gekühlt sein oder Raumtemperatur besitzen kann. Auch ist denkbar, dass das Druckmedium leicht erwärmt ist, jedoch so, dass im Vergleich zu dem aus der Ofenhitze kommenden Werkstück die Temperatur immer noch so niedrig ist, dass ein Abschreckungseffekt eintritt. Die Abschreckung durch das Druckmedium kann ausschließlich nur von diesem oder zusätzlich durch die Kühlung des Umformwerkzeugs ausgeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 wird als Druckmedium Wasser oder eine Wasseremulsion verwandt. Dadurch, dass Wasser bzw. die Wasseremulsion ein inkompressibles Druckmedium ist, können prozesssicher sehr hohe Drücke erzeugt werden, was zu einer besonders hohen Anpressung des Werkstückmaterials an der Werkzeuggravur führt, die in Verbindung mit dem Abschreckvorgang das damit einhergehende Presshärten des Werkstücks entscheidend verbessert. Hierbei können sehr hohe Festigkeitswerte des Werkstücks im Bereich von 1500 N/mm² und darüber eingestellt werden. Somit erhält das unter Hochdruck stehende Druckmedium Wasser eine Doppelfunktion, die des Aufweitens zur Ausformung des Werkstücks und die der Pressung für das Presshärten. Aufgrund des hohen Temperaturgradienten und damit des hohen Wärmeübergangs zwischen Werkstück und Druckmedium dehnt sich letzteres aus, wodurch noch höhere Drücke für die Pressung erzeugt werden können. Die erzeugte Endform des Werkstücks, also das Hohlprofil ist durch das erfindungsgemäße Verfahren praktisch fertigungstechnisch toleranzfrei und weist eine hochpräzise exakt reproduzierbare Kontur auf.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 wird das sich im Ausgangszustand befindende Werkstück auf eine Temperatur im Bereich von 850°C bis 950°C erhitzt. Dieser Bereich hat sich nach vielfältigen Untersuchungen als am vorteilhaftesten für eine hohe Festigkeit bei gleichzeitiger bestmöglicher Ausformung des Werkstücks herausgestellt.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 wird als Werkstück ein rohrförmiges Hohlprofil verwandt. In das Hohlprofil ist das Druckmedium leicht einzuleiten, wobei es ohne weiteres hochdruckdicht abgedichtet werden kann. Die Gestaltungsmöglich der Vorform des Hohlprofils bzw. des Ausgangszustandes des Werkstücks ist nahezu beliebig. Das Hohlprofil kann ein gezogenes Rohr, ein Strangpressprofil oder auch eine gerollte und dann längsnahtgeschweißte Platine sein. Das Hohlprofil kann weiterhin vorgebogen oder/und mit unterschiedlichen Querschnitten profiliert sein. Des Weiteren kann es auch einen Befestigungsflansch besitzen. Das pressgehärtete Hohlprofil ist für viele Zwecke einsetzbar, beispielhaft als Träger oder Rahmenteil im Rohbau eines Kraftfahrzeugs oder als Überrollbügel. Die Hohlprofile können auch in Form von tailored tubes ausgebildet sein.
In einer hierzu alternativen Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 dienen als Werkstück zwei aufeinander gelegte Bleche, die im Umformwerkzeug gemeinsam eingespannt werden und zwischen die das Druckmedium zur Bildung des hohlen Werkstücks eingeleitet wird. Hierdurch sind Hohlprofile erzeugbar, die einen Längsflansch für eine spätere Weiterverbauung des Hohlprofils besitzen. Gegebenenfalls kann es im Einspannbereich der Bleche aufgrund der hohen Hitze und der Einspannkraft zu Verschweißungen der Bleche kommen, wodurch eine zusätzlich betriebene Verschweißung des fertig geformten und gehärteten Hohlprofils entfallen kann. Weiterhin ist es denkbar, dass im Falle eines Unterbleibens der Verschweißung das erzeugte Hohlprofil in einfacher Weise in zwei gegebenenfalls formgleiche Halbschalen getrennt werden kann, in dem das Oberteil des Hohlprofils vom Unterteil abgehoben wird. Somit wird eine verfahrensökonomische Herstellung von Gleichteilen erreicht. Die Bleche können in Form von tailored blanks ausgebildet sein.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigt die 1 in einer seitlichen, teils geschnittenen Ansicht eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist eine Vorrichtung in Form einer Innenhochdruck-Umformpresse 1 dargestellt, in der ein zweigeteiltes Umformwerkzeug 2 angeordnet ist, dessen Gravur 3 den Formraum für das eingelegte umzuformende Hohlprofil 4 begrenzt.
Da Hohlprofil 4 ist an beiden Enden 5, 6 durch jeweils einen Axialstempel 10 abgedichtet, über den in das Hohlprofilinnere ein Druckmedium einleitbar ist. Das Druckmedium wird kalt über Kühlleitungen 7 den Axialstempeln 10 zugeführt. Des Weiteren weist das Umformwerkzeug 2 an beiden Teilen hier nicht gezeigte Kühlvorrichtungen auf, die deren Außenseite 8, 9 kühlen. Ebenfalls nicht gezeigt verlaufen in den Werkzeugteilen Kanäle, durch die zur Kühlung der Gravur 3 ebenfalls ein Kühlmedium geleitet wird.
Zur Herstellung des hohlen Werkstücks, hier des rohrförmigen Hohlprofils 4, wird das sich in einem Ausgangszustand befindende Hohlprofil 4 außerhalb des Umformwerkzeugs 2 in einem Durchlaufofen hoch erhitzt, vorzugsweise auf austenitische Umwandlungstemperatur bzw. auf etwa 900°C. Anschließend wird das Hohlprofil 4 in das gekühlte Umformwerkzeug 2 eingelegt, welches darauf schnell geschlossen wird. Die Axialstempel 10 werden nun in die Enden 5, 6 des Hohlprofils 4 eingefahren und dichten diese ab. Dann wird das kühle Druckmedium in Form von einer Wasseremulsion oder Wasser über die Kühlleitungen 7 und die Axialstempel 10 in das Hohlprofil 4 hineingeleitet, worauf das Druckmedium hoch gespannt wird. Infolge dessen wird das Hohlprofil 4 in seine gewünschte Endform unter Ausbildung von Nebenformelementen aufgeweitet und gleichzeitig durch die immense Kühlung abgeschreckt. Das somit unter hohem Druck und Abkühlung pressgehärtete und fertig geformte Hohlprofil 4 wird nach Entspannung des Druckmediums und Öffnen des Umformwerkzeugs 2 dessen Gravur 3 entnommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69803588 T2 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines hohlen Werkstücks, wobei ein sich in einem Ausgangszustand befindenden Werkstück hoch erhitzt, anschließend in ein Umformwerkzeug eingebracht und mittels eines eingeleiteten Druckmediums in die Endform des Werkstücks aufgeweitet wird, und wobei das Werkstück im Umformwerkzeug abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4) im Umformwerkzeug (2) beim Aufweiten abgeschreckt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (2) zumindest vom Einbringen des Werkstücks (4) an bis zur Entnahme des fertiggeformten Werkstücks (4) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4) mittels des Druckmediums gleichzeitig aufgeweitet und abgeschreckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckmedium Wasser oder eine Wasseremulsion verwandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das sich im Ausgangszustand befindende Werkstück (4) auf eine Temperatur im Bereich von 850°C bis 950°C erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstück (4) ein rohrförmiges Hohlprofil verwandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstück (4) zwei aufeinander gelegte Bleche dienen, die im Umformwerkzeug (2) gemeinsam eingespannt werden und zwischen die das Druckmedium zur Bildung des hohlen Werkstücks (4) eingeleitet wird.