DE102009025896A1

DE102009025896A1 - Warmumformung mit Einlegematerial

Info

Publication number: DE102009025896A1
Application number: DE102009025896A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Dr.-Ing. Lenze; Sascha Dipl.-Ing. Sikora; Harald Dr.-Ing. Hofmann; Ralf Prof. Dr. Kolleck; Robert Dipl.-Ing. Veit
Original assignee: Technische Universitaet Graz; ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: Technische Universitaet Graz; ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2011-01-05
Also published as: EP2438202A1; WO2010139664A1; US20120137498A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmumformen einer Platine aus einer Aluminium- oder Stahllegierung, bei welchem die Platine vor der Umformung erwärmt wird und anschließend mit einer Temperatur von mindestens 150°C in einem Umformwerkzeug umgeformt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Warmumformens mit einem Umformwerkzeug, welches einen Stempel und eine Matrize aufweist. Die Aufgabe, ein wirtschaftliches Verfahren zum Warmumformen von Platinen aus einer Aluminium- oder Stahllegierung vorzuschlagen, bei welchem einerseits eine ausreichend hohe Temperatur während der Dauer des Umformvorganges der Platine und gleichzeitig eine ausreichend schnelle Abkühlung der Platine nach dem Beenden des Umformvorganges gewährleistet ist, wird für ein Warmumformen einer Aluminium- oder Stahlplatine dadurch gelöst, dass vor dem Umformen ein Isoliermaterial auf mindestens eine Oberfläche der Platine angeordnet wird, wobei das Isoliermaterial eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die Platine aufweist und die Umformung mit aufgebrachtem Isoliermaterial erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmumformen einer Platine aus einer Aluminium- oder Stahllegierung, bei welchem die Platine vor der Umformung erwärmt und anschließend mit einer Temperatur von mindestens 150°C in einem Umformwerkzeug umgeformt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Warmumformens mit einem Umformwerkzeug, welches einen Stempel und eine Matrize aufweist.
Für die Herstellung von Kraftfahrzeugen und deren Fahrzeugkarosserien wird zumeist Stahl als Werkstoff verwendet. Den Anforderungen an eine Reduzierung des Gewichts der Fahrzeugkarosserie wird durch die Entwicklung hochfester Stähle Rechnung getragen. Bei diesen Stählen bzw. Stahllegierungen können die Blechdicken weiter reduziert werden, so dass das Gesamtgewicht der Fahrzeugkarosserien sinkt. Allerdings werden aufgrund der hohen Festigkeiten dieser Stahllegierungen die Umformkräfte bei der Herstellung von Bauteilen, beispielsweise Tiefziehteilen, besonders hoch. Deshalb werden hochfeste Stähle vorzugsweise durch eine Warmumformung umgeformt, um Umformkräfte zu reduzieren und die notwendigen Umformgrade zu erreichen. Beim Warmumformen und Presshärten wird die Platine zunächst auf Austenitisierungstemperatur AC₃ oder auf eine höhere Temperatur erwärmt. Die Platine wird anschließend heiß, d. h. mit einer Temperatur von mehr als 650°C in das Umformwerkzeug eingelegt und während der Umformung stark abgekühlt. Die Abkühlung der Platine während des Umformvorgangs darf aber nicht zu stark erfolgen, um zu vermeiden, dass die Martensit-Start-Temperatur im Bauteil schon vor Erreichen der vollständigen Ausformung des Bauteils, d. h. vor Abschluss des Umformvorgangs erreicht wird. Dies hat nämlich zur Folge, dass eine vorzeitige Aushärtung des Werkstoffs der Platine eintritt, was zu Rissen im Bauteil und damit zu Ausschussplatinen führen kann. Ist der Umformvorgang der Platine beendet, sollte eine sehr schnelle Abkühlung erfolgen, um eine ausreichende Härtung des Bauteils zu erreichen. Hoch temperierte Werkzeuge, in welchen die Platinen lange auf Umformtemperatur gehalten werden können, vermeiden zwar die Rissbildung, sie erreichen aufgrund ihrer hohen Temperatur aber keine ausreichend großen Abkühlgeschwindigkeiten der Platine nach Abschluss des Umformens, so dass die Härtung nicht ausreichend sein kann. Zudem sind die Anschaffungskosten dieser Werkzeuge hoch.
Auch für Platinen aus Aluminiumlegierungen sind verbesserte Umformgrade beim Warmumformen bekannt. Höhere Umformgrade werden allerdings bereits ab einer Platinentemperatur von 150°C erreicht.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren zum Warmumformen von Platinen aus einer Aluminium- oder Stahllegierung vorzuschlagen, bei welchem einerseits eine ausreichend hohe Temperatur während der Dauer des Umformvorganges der Platine und gleichzeitig eine ausreichend schnelle Abkühlung der Platine nach dem Beenden des Umformvorganges gewährleistet ist.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass vor dem Umformen ein Isoliermaterial auf mindestens einer Oberfläche der Platine angeordnet wird, wobei das Isoliermaterial eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die Platine aufweist und die Umformung mit aufgebrachtem Isoliermaterial erfolgt.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung eines Isoliermaterials der Abkühlvorgang der Platine im Umformwerkzeug deutlich verlangsamt werden kann, so dass die Ausformung des Bauteils prozesssicher durchgeführt werden kann, ohne zu Rissen in stark umgeformten Bereichen zu führen. Das Umformwerkzeug muss dann nicht auf eine sehr hohe Temperatur temperiert werden können und ist daher kostengünstig. Mit dem Isoliermaterial steht eine wirtschaftlich einfache Alternative zur Verfügung, Risse in Bauteilen während des Warmumformens zu vermeiden. Unter dem Begriff der Warmumformung ist erfindungsgemäß auch das Halbwarmumformen der entsprechenden Legierung abgedeckt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Platine aus einer Stahllegierung auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend mit einer Temperatur von mindestens 650°C in einem Umformwerkzeug umgeformt. Durch das Erwärmen auf die Austenitisierungstemperatur weist die Platine aus einer Stahllegierung ein austenitisches Gefüge auf und liegt somit in einem leicht umformbaren Zustand vor. Anschließend können sehr hohe Festigkeiten durch eine Umwandlung des austenitischen in martensitisches Gefüge während des Abkühlens prozesssicher erhalten werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Isoliermaterial verwendet, dessen Wärmeleitfähigkeit während der Umformung ansteigt oder gleich bleibt. Hierdurch wird gewährleistet, dass zu Beginn der Umformung des Bauteils durch eine möglichst niedrige Wärmeleitfähigkeit der Wärmeverlust der Platine während des Umformens besonders gering ist und die Platine lange auf Umformtemperatur gehalten wird. Steigt die Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials während der Umformung an, wird gleichzeitig gewährleistet, dass die Abkühlgeschwindigkeit der Platine nach dem Ende des Umformvorgangs zum Härten der Platine ausreicht. Vorzugsweise steigt die Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials um mindestens den Faktor 10 an.
Wird als Isoliermaterial ein Einlegematerial verwendet, welches im Umformwerkzeug auf der Platine angeordnet wird, kann eine besonders einfache Handhabung des Isoliermaterials gewährleistet sein. Das Einlegen des Isoliermaterials kann einfach automatisiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Isoliermaterial ein Papier oder eine Pappe verwendet. Es hat sich gezeigt, dass Papier oder Pappe zu Beginn des Umformvorgangs eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,05 W/mK aufweist und daher sehr gut isolierend wirkt. Während des Umformens im geschlossenen Umformwerkzeug kommt es zu einer Verkohlung des Papiers oder der Pappe, so dass sich der Wärmeleitkoeffizient deutlich auf 1,7 W/mK ändert. Ein Papier mit einem Flächengewicht von 250 g/m² hat in den Versuchen gute Ergebnisse geliefert. Dies gilt auch für Pappe, welche ein Flächengewicht von mehr als 600 g/m² aufweist.
Um das Warmumformen prozesstechnisch besonders einfach zu gestalten, wird gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Isoliermaterial bandförmig dem Umformwerkzeug zugeführt oder als Zuschnitt in das Umformwerkzeug eingebracht. Bei der bandförmigen Zuführung kann beispielsweise die Breite des Bandes größer sein als die Platinenbreite, so dass eine einfache Zuführung des Isoliermaterials zum Umformwerkzeug und ein einfacher Abtransport aus dem Umformwerkzeug gewährleistet wird. Darüber hinaus ermöglicht die größere Breite des Isoliermaterials, dass beim bandförmigen Zuführen auch die Möglichkeit besteht, das Isoliermaterial wieder aus dem Umformwerkzeug nach Abschluss der Umformung zu entfernen. Die bei größerer Breite bestehen bleibenden Bandstege nach dem Umformen der Platine ermöglichen ein einfaches Abtransportieren des verwendeten Isoliermaterials sowie zuführen von neuem Isoliermaterial.
Um ein Entflammen des Isoliermaterials zu unterdrücken, bevor die Schließposition des Umformwerkzeugs erreicht wird, kann das Isoliermaterial flammhemmende Substanzen enthalten oder mit diesen beschichtet sein. Mit flammhemmenden Materialien beschichtete Pappe zeigte im Einsatz besonders gute Ergebnisse im Hinblick auf das Vermeiden von Entflammungen, wobei dennoch die Verkohlung im Werkzeug und damit die Änderung des Wärmeleitkoeffizienten stattfand. Daneben unterdrückt auch ein sehr schnelles Schließen des Umformwerkzeugs ein Entflammen des Isoliermaterials.
Darüber hinaus wird das Einlegematerial vorzugsweise als Trägermaterial für funktionale Substanzen verwendet, und die funktionalen Substanzen treten während des Umformens mit der Platine oder der Platinenoberfläche in Wechselwirkung. Vorstellbar ist beispielsweise das Aufbringen von Beschichtungen, welche aufgrund der hohen Temperatur und des hohen Drucks auf der Platinenoberfläche erzeugt werden.
Schließlich wird das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft dadurch ausgestaltet, dass die Platine aus einer Stahllegierung während der Warmumformung zumindest in Teilbereichen pressgehärtet wird. Pressgehärtete Bauteilbereiche weisen aufgrund der durchgehend martensitischen Gefügestruktur sehr hohe Festigkeitswerte auf.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Umformverfahrens mit einem Umformwerkzeug, welches einen Stempel und eine Matrize aufweist, dadurch gelöst, dass Mittel zum Anordnen von Isoliermaterial als Einlegeteil auf und/oder unter der umzuformenden Platine vorgesehen sind. Als Mittel zum Einlegen der Einlegeteile aus Isoliermaterial kommen beispielsweise Handlingsysteme in Betracht, die die Einlegeteile automatisch in das Umformwerkzeug mit der Platine einlegen. Diese ermöglichen, dass das erfindungsgemäße Verfahren besonders wirtschaftlich durchgeführt werden kann.
Eine weitere Steigerung der Automatisierung kann dadurch erreicht werden, dass Mittel zum bandförmigen Zuführen von Isoliermaterial, insbesondere Papier oder Pappe, zum Umformwerkzeug vorgesehen sind. Anstelle der Einzelzuführung kann durch die bandförmige Zuführung unter Verwendung von Abwickel- und Aufwickelhaspel eine weitere Vereinfachung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter auszugestalten und auszubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 9 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
1 in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Durchführung eines Warmumformens einer Platine 2 bei gleichzeitiger Zuführung eines Isoliermaterials 3, welches gleichzeitig mit der Platine 2 im Umformwerkzeug 4 umgeformt wird. Als Platinenmaterial kann beispielsweise ein Mn22B5-Stahl verwendet werden. Allerdings ist auch der Einsatz anderer Stahllegierungen denkbar, welche warmumgeformt werden. Das Umformwerkzeug 4 besteht beispielsweise aus einem Stempel 5, zwei Niederhaltern 6 sowie einer Matrize 7. Das Isoliermaterial 3 wird unterhalb der Platine im Umformwerkzeug angeordnet und bandförmig zugeführt. Hierzu sind als Mittel zum bandförmigen Zuführen des Isoliermaterials eine Abwickelhaspel 8 und eine Aufwickelhaspel 9 vorgesehen. Um die Platine 2 beidseitig mit Isoliermaterial zu belegen, sind zusätzlich weitere Mittel zum bandförmigen Zuführen 8' und 9' vorgesehen, die das zusätzliche Isoliermaterial 3 dem Umformwerkzeug zuführen und wieder aufwickeln.
Die beispielsweise auf Temperaturen von etwa 820°C bis 950°C erhitzte Platine 2 wird in das Umformwerkzeug 4 eingelegt, wobei auf beiden Platinenoberflächen Isoliermaterial 3, 3' in Form von Papier oder Pappe angeordnet wird. Wie bereits zuvor ausgeführt, hat Pappe etwa einen Wärmeleitkoeffizienten von 0,05 W/mK. Während der Umformung und der Verkohlung der Pappe aufgrund der hohen Temperaturen der Platine erfolgt jedoch ein rapider Anstieg des Wärmeleitkoeffizienten von 0,05 W/mK auf 1,7 W/mK.
Nicht dargestellt in 1 ist, dass die Umformung der Platine 2 mit aufgelegtem Isoliermaterial 3, 3' erfolgt. In der ersten Umformphase, in der das eingelegte Isoliermaterial 3, 3' noch seine volle, isolierende Wirkung entfaltet, wird die Temperatur der Platine 2 nicht stark gesenkt, so dass die vollständige Ausformung der Platine mit Warmumformtemperatur erfolgen kann. Nach der Verkohlung der Pappe findet ein stärkerer Wärmetransport von der Platine in das Umformwerkzeug statt, so dass die für die Martensitbildung notwendigen Abkühlgeschwindigkeiten mehr als 27 K/s erreicht werden, um die Härtung zu ermöglichen.

Claims

Verfahren zum Warmumformen einer Platine aus einer Aluminium- oder Stahllegierung, bei welchem die Platine vor der Umformung erwärmt wird und anschließend mit einer Temperatur von mindestens 150°C in einem Umformwerkzeug umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umformen ein Isoliermaterial auf mindestens eine Oberfläche der Platine angeordnet wird, wobei das Isoliermaterial eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die Platine aufweist und die Umformung mit aufgebrachtem Isoliermaterial erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platine aus einer Stahllegierung auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend mit einer Temperatur von mindestens 650°C in einem Umformwerkzeug umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isoliermaterial verwendet wird, dessen Wärmeleitfähigkeit während der Umformung ansteigt oder gleich bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Isoliermaterial ein Einlegematerial verwendet wird, welches im Umformwerkzeug auf der Platine angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Isoliermaterial ein Papier oder eine Pappe verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial bandförmig dem Umformwerkzeug zugeführt wird oder als Zuschnitt in das Umformwerkzeug eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial flammhemmende Substanzen enthält oder mit diesen beschichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegematerial als Trägermaterial für funktionale Substanzen verwendet wird, und die funktionalen Substanzen während des Umformens mit der Platinenoberfläche oder der Platine in Wechselwirkung treten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine während der Warmumformung zumindest in Teilbereichen pressgehärtet wird.
Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem Umformwerkzeug (4), welches einen Stempel (5) und eine Matrize (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (8, 8', 9, 9') zum Anordnen von Isoliermaterial (3, 3') als Einlegeteil auf und/oder unter der umzuformenden Platine (2) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (8, 8', 9, 9') zum bandförmigen Zuführen von Isoliermaterial (3, 3') zum Umformwerkzeug (4) vorgesehen sind.