DE102011116885B4

DE102011116885B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Warmumformen und insbesondere zum Presshärten eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Stahlblechmaterials unter Verwendung eines Schmiermittels

Info

Publication number: DE102011116885B4
Application number: DE102011116885.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Pfestorf; Petra Süß; Franz Josef Lenze; Maria Köyer; Markus Löcker; Marc Horlacher; Thomas Schweiker; Dipl.-Phys. oec Bold Jochen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; ThyssenKrupp Steel Europe AG; Kirchhoff Automotive Deutschland GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Kirchhoff Automotive Deutschland GmbH
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: DE102011116885A1

Abstract

Verfahren zum Warmumformen eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Stahlblechmaterials, umfassend die folgenden Schritte:- Bereitstellen eines Werkzeugs (100) mit wenigstens zwei Werkzeugteilen (110, 120), die zum Öffnen und Schließen dieses Werkzeugs (100) relativ zueinander verfahrbar sind und die jeweils wenigstens eine direkt mit dem beschichteten Stahlblechmaterial in Berührung kommende Werkzeugwirkfläche (111, 112) aufweisen;- Öffnen des Werkzeugs (100) und zumindest bereichsweises Auftragen eines Schmiermittels (140) auf wenigstens eine Werkzeugwirkfläche (111, 112);- Erwärmen eines aus dem beschichteten Stahlblechmaterial bestehenden Werkstücks und nachfolgendes Einlegen in das geöffnete Werkzeug (100);- Schließen des Werkzeugs (100) und Warmumformen des Werkstücks, wobei sich ein Schmiermittelfilm zwischen dem beschichteten Stahlblechmaterial und der betreffenden Werkzeugwirkfläche (111, 112) ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmumformen und insbesondere zum Presshärten eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Stahlblechmaterials. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Warmumformen und insbesondere zum Presshärten bzw. Formhärten eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Stahlblechmaterials.
Unter Warmumformen wird hierin die Umformung eines metallischen Blechmaterials und insbesondere eines Stahlblechmaterials in einem Warmumformwerkzeug verstanden, die oberhalb der Rekristallisationstemperatur (die bis zu mehreren Hundert Grad Celsius betragen kann) stattfindet, wozu das umzuformende Blechmaterial vor der Umformung auf eine entsprechende Temperatur erwärmt wird. Das Warmumformwerkzeug kann auch mit einer Heizung ausgebildet sein. Auf diese Weise lassen sich z. B. auch bei höherfesten Stahlblechmaterialien (hierzu zählen insbesondere auch hoch- und höchstfeste Stahlblechmaterialien) mit verhältnismäßig geringen Umformkräften hohe Umformgrade erzielen, wobei die hergestellten Blechformteile eine gute bis sehr gute Maßhaltigkeit aufweisen.
Als eine Sondervariante des Warmumformens kann das Presshärten aufgefasst werden. Beim Presshärten wird das zuvor erwärmte Blechmaterial und insbesondere Stahlblechmaterial in einem gekühlten Presshärtewerkzeug quasi gleichzeitig umgeformt und abgekühlt oder formkalibriert und abgekühlt, um hierdurch gezielt dessen Festigkeit und/oder Härte anzuheben. Das hergestellte Blechformteil weist somit höherfeste Eigenschaften auf, die sich jedoch erst durch das Presshärten herausgebildet haben.
Das Warmumformen und insbesondere das Presshärten von Blechmaterialien und insbesondere Stahlblechmaterialien findet vor allem bei der Herstellung von Fahrzeugteilen für den Kraftfahrzeugbau Anwendung, weil sich hiermit verhältnismäßig leichte und hochbelastbare Blechformteile, wie bspw. Karosserieverstärkungsteile und Fahrwerksteile, herstellen lassen.
Es ist bekannt, für das Warmumformen und insbesondere für das Presshärten Stahlblechmaterialien zu verwenden, die bereits mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung bzw. mit einem metallischen Überzug versehen sind. Aus der nächstliegenden DE 201 22 563 U1 ist ein mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichtetes Blechmaterial bekannt, das zum Warmumformen und insbesondere zum Presshärten geeignet ist. Ein zum Warmumformen geeignetes und mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichtetes Stahlblechmaterial ist auch aus der aktuellen DE 10 2010 024 664 A1 bekannt, wobei dieses Stahlblechmaterial lufthärtende Eigenschaften aufweist, so dass ein Presshärten zur Festigkeitserhöhung nicht zwingend erforderlich ist.
Die DE 100 44 111 A1 beschreibt für die Massivumformung (ohne einen konkreten Hinweis auf Bleche) ein Verfahren zum Schmieren von Umform- und Urformwerkzeugen, von Formen zum Druck-, Automatik und Stranggießen und Brikettieren, insbesondere zum Schmieren von Warmschmiedewerkzeugen, und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Die DE 2 154 232 C beschreibt einen Hochtemperaturschmierstoff für die Warmumformung von Metallen (ohne einen konkreten Hinweis auf Bleche).
Problematisch ist, dass sich beim Warmumformen und insbesondere beim Presshärten eines derartigen Stahlblechmaterials Mikrorisse in der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung und/oder an der Grenze zwischen der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung und dem Stahlblechmaterial bzw. Grundmaterial ausbilden, die bis in das Grundmaterial hineinreichen können und die unter bestimmten Bedingungen die Funktion des hergestellten Blechformteils beeinträchtigen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Möglichkeiten aufzuzeigen, wie derartige Mikrorisse vermieden oder zumindest weitgehend reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner wird diese Aufgabe gelöst von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs. Die jeweils abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, wobei die jeweiligen Merkmale und/oder Merkmalskombinationen, sowie die vorausgehenden und nachfolgenden Erläuterungen, analog für beide Erfindungsgegenstände gelten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Warmumformen und insbesondere zum Presshärten eines (zumindest bereichsweise) mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Stahlblechmaterials umfasst (wenigstens) ein Werkzeug mit wenigstens zwei Werkzeugteilen (insbesondere ein oberes Werkzeugteil bzw. Werkzeugoberteil und ein unteres Werkzeugteil bzw. Werkzeugunterteil), die zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs relativ zueinander verfahrbar sind und die jeweils wenigstens eine direkt mit dem beschichteten Stahlblechmaterial in Berührung kommende bzw. gelangende Werkzeugwirkfläche aufweisen. Erfindungsgemäß umfasst diese Vorrichtung auch wenigstens eine Schmiermittel-Auftragungseinrichtung, mit der bei geöffnetem Werkzeug auf wenigstens eine Werkzeugwirkfläche zumindest bereichsweise ein Schmiermittel aufgetragen werden kann, welches beim nachfolgenden Warmumformen bzw. Presshärten einen Schmiermittelfilm zwischen dem beschichteten Stahlblechmaterial (bzw. dessen metallische Korrosionsschutzbeschichtung) und der betreffenden Werkzeugwirkfläche ausbildet. Ferner ist vorgesehen, wie nachfolgend noch näher erläutert, dass jene Bereiche der Werkzeugwirkfläche poliert, texturiert oder mit einer Beschichtung ausgebildet sind, auf denen das Schmiermittel aufgetragen wird. Das Werkzeug ist insbesondere ein Warmumformwerkzeug oder ein Presshärtewerkzeug.
Erfindungsgemäß wird das Schmiermittel zumindest bereichsweise bzw. lokal auf wenigstens eine Werkzeugwirkfläche des Werkzeugs und insbesondere auf vollflächig auf eine oder alle Werkzeugwirkflächen des Werkzeugs aufgetragen. Unter den Werkzeugwirkflächen werden die unmittelbar mit dem warmumzuformenden bzw. presszuhärtenden Blechmaterial in Kontakt kommenden Oberflächen des Werkzeugs verstanden. Die nachfolgenden Erläuterungen gehen in nicht einschränkender Weise allgemein von einem Schmiermittelauftrag auf die Werkzeugwirkflächen aus.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die oben erwähnten Mikrorisse als Folge von hohen mechanischen Spannungen entstehen, die sich beim Warmumformen bzw. beim Presshärten in der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung und/oder an der Grenze zwischen der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung und dem Blechmaterial bzw. Grundmaterial und/oder an der Oberfläche der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung einstellen. Durch das Auftragen eines Schmiermittels auf die Werkzeugwirkflächen des Werkzeugs können Anhaftungen der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung an den Werkzeugwirkflächen und daraus resultierende Stick-Slip-Effekte vermieden werden, die ursächlich für diese hohen mechanischen Spannungen sein können. Dadurch können Mikrorisse vermieden oder zumindest im Hinblick auf Häufigkeit und Risstiefe auf ein Minimum reduziert werden.
Die Verwendung eines Schmiermittels für das Warmumformen oder für das Presshärten eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Blechmaterials, wobei es sich insbesondere um ein Stahlblechmaterial handelt, ist in der vorgeschlagenen Weise nicht aus dem Stand der Technik bekannt. Bislang wird die Schmierung während eines Warmumformvorgangs oder Presshärtevorgangs durch die metallische Korrosionsschutzbeschichtung selbst bewerkstelligt, wie in der DE 201 22 563 U1 (vgl. Abs. [0024]) und in der DE 10 2010 024 664 A1 (vgl. Abs. [0030]) erläutert.
Das erfindungsgemäß verwendete Schmiermittel kann im Übrigen auch dazu dienen, beim Warmumformen und insbesondere beim Presshärten einen verbesserten Wärmeübergang zwischen den Werkzeugwirkflächen und dem beschichteten Blechmaterial (bzw. dessen metallische Korrosionsschutzbeschichtung) zu bewerkstelligen, unabhängig davon, in welcher Richtung der Wärmeübergang stattfindet.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Schmiermittel nur lokal und insbesondere nur in jenen Bereichen auf die Werkzeugwirkflächen aufgetragen wird, in denen beim nachfolgenden Warmumformen bzw. Presshärten eine hohe Gefahr für das Entstehen von gefährlichen Mikrorissen gegeben ist. Insbesondere sind das jene Bereiche, in denen beim Warmumformen bzw. Presshärten die größten Umformgrade erzielt werden. Es hat sich gezeigt, dass dort wo die höchsten Umformgrade erzielt werden auch die zu Mikrorissen führenden mechanischen Spannungen am höchsten sind, wobei diese mechanischen Spannungen durch das Vorhandensein eines Schmiermittels reduziert werden können, wie bereits vorausgehend erläutert. Hierfür kann es ausreichend sein, dass in einem betreffenden Bereich nur auf eine Werkzeugwirkfläche ein Schmiermittel aufgetragen wird. Ferner ist denkbar, dass im Hinblick auf unterschiedliche Anforderungen in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Schmiermittel und/oder unterschiedliche Schmierstoffmengen aufgetragen werden. Das nur lokale bzw. bereichsweise Auftragen eines Schmiermittels hat auch den Vorteil, dass der Schmiermittelbedarf nicht höher ausfällt als dies unbedingt notwendig ist.
Die Schmiermittel-Auftragungseinrichtung gehört zur erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bevorzugter Weise ist die Schmiermittel-Auftragungseinrichtung derart ausgebildet, dass das Schmiermittel bei geöffnetem Werkzeug automatisch bzw. selbsttätig auf wenigstens eine frei zugängliche Werkzeugwirkfläche zumindest bereichsweise (wie vorausgehend erläutert) aufgetragen werden kann. Die Schmiermittel-Auftragungseinrichtung kann baulich in das Werkzeug eingebunden sein. Ebenso kann die Schmiermittel-Auftragungseinrichtung pressenseitig verbaut (bspw. am Pressenrahmen montiert) oder als Stand-Alone-Einrichtung ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schmiermittel-Auftragungseinrichtung wenigstens eine an einem Roboter oder Feeder befestigt Sprüheinrichtung aufweist, die mittels dieses Roboters oder Feeders bei geöffnetem Werkzeug zwischen die Werkzeugteile des Werkzeugs einfahren kann, um auf wenigstens eine Werkzeugwirkfläche zumindest bereichsweise das Schmiermittel aufzutragen.
Das aufzutragende Schmiermittel kann beim Auftragen flüssig sein. Dieses flüssige Schmiermittel kann leicht flüchtige Bestandteile enthalten, die sich direkt beim Auftragen und/oder unmittelbar nach dem Auftragen verflüchtigen, so dass ein im Wesentlichen zähflüssiger oder fester Schmiermittelfilm auf den Werkzeugwirkflächen zurückbleibt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das aufzugtragende Schmiermittel bezüglich der Werkzeugwirkflächen (auch unter Schwerkrafteinwirkung) gute bis sehr gute Adhäsionseigenschaften aufweist, die sich gegebenenfalls erst nach dem Verflüchtigen entsprechender Bestandteile einstellen. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass das auf die Werkzeugwirkflächen aufgetragene Schmiermittel zumindest bereichsweise einen geschlossenen und insbesondere auch bezüglich der Schichtdicke gleichmäßigen Schmiermittelfilm ausbildet. Alternativ ist denkbar, dass das aufgetragene Schmiermittel in Form einzelner Tropfen oder Tröpfchen an den Werkzeugwirkflächen anhaftet. Im übrigen kann das aufzutragende Schmiermittel auch pulverförmig sein. Die Anhaftung eines pulverförmigen Schmiermittels an den Werkzeugwirkflächen kann z. B. durch elektrostatische Aufladung bewerkstelligt werden.
Die Schmiermittel-Auftragungseinrichtung umfasst bevorzugt wenigstens eine Sprüheinrichtung, wie bspw. eine Sprühdüse oder dergleichen, mit der bzw. durch die ein flüssiges oder pulverförmiges Schmiermittel ausbringbar ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der mit der Sprüheinrichtung ausbringbare Sprühstrahl und/oder Sprühnebel einstellbar ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Schmiermittel- Auftragungseinrichtung einen motorischen Antrieb aufweist (bspw. ein selbsttätig verschwenkender Sprühkopf), mit dem die Richtung des Sprühstrahls und/oder Sprühnebels beim Auftragen verändert werden kann. Das Ausbringen bzw. Auftragen des Schmiermittels kann, ähnlich wie bei Lackieranlagen, sowohl bei flüssigen als auch insbesondere bei pulverförmigen Schmiermitteln durch elektrostatische Aufladung unterstütz werden.
Eine Schmiermittel-Auftragungseinrichtung könnte z. B. auch Bohrungen und oder Düsen in den Werkzeugwirkflächen, insbesondere in den Randbereichen, umfassen, durch die hindurch das Schmiermittel vor oder gegebenenfalls auch während der Umformung des Blechmaterials ausgebracht werden kann.
Die Werkzeugwirkflächen des erfindungsgemäßen Werkzeugs können zumindest bereichsweise poliert ausgebildet sein. Insbesondere sind jene Bereiche der Werkzeugwirkflächen poliert ausgebildet, auf denen ein Schmiermittel aufgetragen wird. Unter einer polierten Werkzeugwirkfläche wird eine durch geeignete Bearbeitung aufbereitete Oberfläche verstanden, deren gemittelte Rautiefe R_Z nicht mehr als 1,5 µm und insbesondere nicht mehr als 1,0 µm beträgt. Insbesondere handelt es sich um eine metallische Oberfläche. In Zusammenwirkung mit einem aufgetragenen Schmiermittel können sehr günstige tribologische Bedingungen beim Warmumformen bzw. Presshärten eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Blechmaterials erreicht werden. Ein weiterer Vorteil kann ein leichtes Reinigen polierter Werkzeugwirkflächen sein. Das erfindungsgemäße Werkzeug kann mehrere polierte Bereiche aufweisen, die identisch oder unterschiedlich (bspw. mit unterschiedlichen Rautiefen) ausgestaltet sein können.
Die Werkzeugwirkflächen des erfindungsgemäßen Werkzeugs können zumindest bereichsweise auch texturiert bzw. mit einer Texturierung ausgebildet sein. Insbesondere sind jene Bereiche der Werkzeugwirkflächen texturiert ausgebildet, auf denen ein Schmiermittel aufgetragen wird. Unter einer texturierten Werkzeugwirkwirkfläche wird eine durch geeignete Verfahren gezielt aufbereitete strukturierte Oberfläche verstanden, die Mikrovertiefungen und vor allem geschlossene Mikrovertiefungen aufweist. Insbesondere handelt es sich um eine metallische Oberfläche. In Zusammenwirkung mit einem aufgetragenen Schmiermittel können sehr günstige tribologische Bedingungen beim Warmumformen bzw. Presshärten eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Blechmaterials erreicht werden, da das aufgetragene Schmiermittel besser an den Werkzeugwirkflächen haften bzw. in den Mikrovertiefungen verbleiben kann. Das erfindungsgemäße Werkzeug kann mehrere texturierte Bereiche aufweisen, die identisch oder unterschiedlich (d. h. mit unterschiedlichen Texturen) ausgestaltet sein können.
Die Werkzeugwirkflächen des erfindungsgemäßen Werkzeugs können zumindest bereichsweise auch beschichtet sein bzw. eine Beschichtung aufweisen (d. h. mit einer Beschichtung ausgebildet sein). Insbesondere sind jene Bereiche der Werkzeugwirkflächen beschichtet ausgebildet, auf denen ein Schmiermittel aufgetragen wird. Unter einer Beschichtung wird eine an den Werkzeugwirkflächen festhaftende Schicht verstanden. Eine solche Schicht bzw. Beschichtung ist z. B. eine Hartstoffschicht, die aus keramischen oder metallischen Nitriden, Karbiden, Oxiden oder Boriden besteht. Die zugängliche Oberfläche dieser Beschichtung kann glatt und insbesondere poliert oder texturiert ausgebildet sein, wie vorausgehend erläutert. In Zusammenwirkung mit einem aufgetragenen Schmiermittel können sehr günstige tribologische Bedingungen beim Warmumformen bzw. Presshärten eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Blechmaterials erreicht werden. Ein weiterer Vorteil kann ein leichtes Reinigen beschichteter Werkzeugwirkflächen sein. Ferner können sich längere Standzeiten ergeben. Das erfindungsgemäße Werkzeug kann mehrere beschichtete Bereiche aufweisen, die identisch oder unterschiedlich (bspw. mit unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien und/oder Oberflächeneigenschaften) ausgestaltet sein können. Alternativ oder ergänzend können im Übrigen auch keramische Werkzeugeinsätze vorgesehen sein, die einzelne Bereich der Werkzeugwirkflächen abdecken.
Die Werkzeugwirkflächen des erfindungsgemäßen Werkzeugs weisen also polierte, texturierte und/oder beschichtete Bereiche auf. Eine optimale Abstimmung der Beschaffenheit der Werkzeugwirkflächen (einschließlich etwaiger Beschichtung), des Schmiermittels und der Schmiermittelmenge kann für den jeweiligen Einzelfall in Versuchen ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Warmumformen und insbesondere zum Presshärten eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Stahlblechmaterials, umfasst zumindest die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines Werkzeugs mit wenigstens zwei Werkzeugteilen, die zum Öffnen und Schließen dieses Werkzeugs relativ zueinander verfahrbar sind und die jeweils wenigstens eine direkt mit dem beschichteten Stahlblechmaterial in Berührung kommende Werkzeugwirkfläche aufweisen, wobei es sich insbesondere um ein erfindungsgemäßes Werkzeug (s. o.) handelt;
- Öffnen des Werkzeugs und zumindest bereichsweises Auftragen eines Schmiermittels auf wenigstens eine Werkzeugwirkfläche;
- Erwärmen eines aus dem beschichteten Stahlblechmaterial bestehenden Werkstücks und nachfolgendes Einlegen (des erwärmten Werkstücks) in das geöffnete Werkzeug, was insbesondere automatisiert erfolgt;
- Schließen des Werkzeugs und Warmumformen, insbesondere Presshärten, des Werkstücks, wobei sich (zumindest lokal) ein Schmiermittelfilm zwischen dem beschichteten Stahlblechmaterial und der betreffenden Werkzeugwirkfläche ausbildet.

Das bereitgestellte Werkzeug, wobei es sich insbesondere um ein Warmumformwerkzeug bzw. Presshärtewerkzeug mit einem oberen Werkzeugteil (Werkzeugoberteil) und einem unteren Werkzeugteil (Werkzeugunterteil) handelt, ist typischerweise in einer Umformpresse eingebaut. Mit dieser Umformpresse können auch die Verfahrenbewegungen zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs erzeugt sowie Umform- und/oder Presskräften aufgebracht werden.
Das warmumzuformende oder presszuhärtende Stahlblechmaterial wird in der Gestalt eines Werkstücks, wie nachfolgend noch näher erläutert, in das bereitgestellte Werkzeug eingelegt und dann nach dem Schließen des Werkzeugs warmumgeformt oder pressgehärtet. Hiernach wird das Werkzeug geöffnet und das Blechmaterial kann in der Gestalt eines Blechformteils aus dem Werkzeug entnommen werden.
Bei dem Stahlblechmaterial handelt es sich vorwiegend um ein warmumformbares und/oder härtbares Stahlblechmaterial mit einer Blechdicke von 0,5 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise von 0,7 mm bis 2,4 mm und insbesondere von 1,0 mm bis 1,6 mm. Insbesondere handelt es sich um einen härtbaren Stahlwerkstoff (bspw. ein 22MnB5-Werkstoff), der eine Streckgrenze von 150 MPa bis 1100 MPa und/oder eine Zugfestigkeit von 300 MPa bis 1200 MPa im Ausgangszustand (Anlieferungszustand) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Stahlblechmaterial beim Einlegen in das Werkzeug zumindest bereichsweise oder abschnittsweise und insbesondere beidseitig und vollflächig eine metallische Korrosionsschutzbeschichtung aufweist. Bei dieser metallischen Korrosionsschutzbeschichtung handelt es sich z. B. um eine Korrosionsschutzbeschichtung auf Zinkbasis oder auf Aluminiumbasis; d. h. die metallische Korrosionsschutzbeschichtung besteht aus Zink oder Aluminium oder aus Legierungen auf Basis von Zink oder Aluminium. Die metallische Korrosionsschutzbeschichtung kann auch mehrere Einzelschichten umfassen. Die Dicke der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung kann im Bereich von 5 µm bis 20 µm und vorzugsweise im Bereich von 9 µm bis 11 µm liegen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die metallische Korrosionsschutzbeschichtung bereits herstellerseitig (d. h. beim Hersteller des Blechmaterials) auf das Blechmaterial bzw. Stahlblechmaterial aufgebracht wurde. Die metallische Korrosionsschutzbeschichtung kann jedoch auch zu einem anderen Zeitpunkt, spätestens unmittelbar vor dem Einlegen des Werkstücks in das Werkzeug, auf das Blechmaterial aufgebracht worden sein.
Es ist vorgesehen, dass das Blechmaterial vor der Umformung auf eine entsprechende Temperatur erwärmt wird, wie eingangs erläutert, was bei einem Stahlwerkstoff in Abhängigkeit von der Temperatur zu einer Austenitisierung oder zumindest zu einer Teilaustenitisierung führt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das (aus dem beschichteten Blechmaterial bestehende) Werkstück vor dem Einlegen in das Werkzeug auf eine Temperatur von mindestens 650 °C, bevorzugt von mindestens 870 °C, insbesondere von mindestens 900 °C und insbesondere bevorzugt von mindestens 930 °C erwärmt wird. Das Erwärmen kann z. B. konduktiv (unmittelbare Widerstandserwärmung), induktiv und/oder in einem Ofen, wie bspw. einem Durchlaufofen, erfolgen. Im Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Werkstück aus einem Stahlblechmaterial beim Einlegen in das Werkzeug zumindest bereichsweise eine Temperatur aufweist, die der Austenitisierungstemperatur AC₃ oder einer höheren Temperatur entspricht.
Bei dem auf die Werkzeugwirkflächen aufzutragenden Schmiermittel handelt es sich bevorzugt um ein wärmebeständiges Schmiermittel. Insbesondere handelt es sich um eine öl- und graphitfreie Emulsion, womit öl- und/oder graphitbedingte Ablagerungen und Rückstände sowohl an den Werkzeugwirkflächen als auch an den hergestellten Blechformteilen nicht auftreten. Bei Verwendung einer öl- und graphitfreien Emulsion ist somit auch der Reinigungsaufwand verhältnismäßig gering. Die Schmierwirkung einer öl- und graphitfreien Emulsion kann z. B. durch enthaltene temperaturbeständige Salzkristalle verbessert werden, die wie kleinste Rollkörper wirken und somit beim Warmumformen bzw. Presshärten günstige tribologische Bedingungen schaffen.
Das Auftragen eines Schmiermittels auf die Werkzeugwirkflächen kann, die Zugänglichkeit vorausgesetzt, manuell, bspw. mit einem Schwämmchen oder mit einer Handsprühpistole erfolgen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass das Auftragen eines Schmiermittels auf die Werkzeugwirkflächen automatisch, bspw. mit einer Schmiermittel-Auftragungseinrichtung, erfolgt, wie bereits erläutert. Im Rahmen einer ergänzenden Maßnahme kann das Schmiermittel auch direkt auf das erwärmte Blechmaterial aufgetragen werden. Das Auftragen eines Schmiermittels direkt auf das Blechmaterial bzw. dessen metallische Korrosionsschutzbeschichtung kann z. B. vor dem Einlegen des Werkstücks in das Werkzeug und/oder nach dem Einlegen des Werkstücks in das Werkzeug (und vor dem Schließen des Werkzeugs) erfolgen. Das Auftragen des Schmiermittels auf das Blechmaterial kann manuell oder automatisch erfolgen. Im Übrigen gelten analog die vorausgehenden und nachfolgenden Erläuterungen.
Eine erste besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass das aus dem beschichteten Stahlblechmaterial bestehende Werkstück (beim Einlegen in das Werkzeug) eine im Wesentlichen ebene Platine ist. Unter einer Platine wird ein aus einer Blechtafel oder einem Blechband erzeugter Blechzuschnitt verstanden. Beim Warmumformen wird aus der zuvor erwärmten Platine direkt ein Blechformteil erzeugt. Das Werkzeug (Warmumformwerkzeug) hat hierbei eine formgebende Funktion. Ferner kann das Werkzeug auch eine erwärmende Funktion haben. Selbiges gilt für das Presshärten, wobei aus der zuvor erwärmten Platine in einem Arbeitsgang ein zumindest partiell gehärtetes Blechformteil erzeugt wird. Das Werkzeug (Presshärtewerkzeug) hat hierbei ein formgebende und kühlende Funktion. Eine solche Verfahrensvariante kann als direktes Warmumformen bzw. Presshärten bezeichnet werden.
Eine zweite besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass das aus dem beschichteten Stahlblechmaterial bestehende Werkstück (beim Einlegen in das Werkzeug) ein kalt vorgeformtes Blechformteil bzw. Zwischenformteil ist. Beim Warmumformen wird aus diesem zuvor erwärmten Zwischenformteil ein Blechformteil (mit anderer Geometrie) erzeugt. Das Werkzeug (Warmumformwerkzeug) hat hierbei eine formgebende bzw. formverändernde Funktion. Ferner kann das Werkzeug auch eine erwärmende Funktion haben. Beim Presshärten wird das zuvor erwärmte Zwischenformteil unter Aufbringung einer Presskraft abgekühlt. Das Werkzeug (Presshärtewerkzeug) hat hierbei eine kühlende Funktion. Ferner hat das Werkzeug abhängig von der Gestalt des Zwischenformteils auch eine umformende bzw. fertigformende, eine formerhaltende oder eine formkalibrierende Funktion. Eine solche Verfahrensvariante kann als indirektes Warmumformen bzw. Presshärten bezeichnet werden.
Das erfindungsgemäße Werkzeug und/oder das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen das Herstellen eines Blechformteils aus einem mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Blechmaterial. Ein derart hergestelltes Blechformteil weist trotz einer vorzugsweise komplexen Geometrie bzw. Gestaltung (zumindest bereichsweise) eine metallische Korrosionsschutzbeschichtung auf, die insbesondere keine oder nur sehr kleine Mikrorisse mit einer Tiefe von nicht mehr als 10 µm aufzeigt.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug und/oder Verfahren hergestelltes Blechformteil kann ein im Wesentlichen verbaufertiges Bauteil sein, wobei sich ein vollflächiges oder lokales Reinigen der Bauteiloberflächen anschließen kann. Ein solches Bauteil ist insbesondere ein Fahrzeugteil wie bspw. ein Karosserie- oder Fahrwerksteil für ein Kraftfahrzeug. Ein mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug und/oder Verfahren hergestelltes Blechformteil kann auch ein noch weiter zu bearbeitendes Blechformteil (was auch umformende Bearbeitungsschritte einschließt) sein. Gegebenenfalls können etwaige aus der Warmumformung bzw. der Presshärtung stammende und insbesondere durch das Schmiermittel verursachte Rückstände ohne Beeinträchtigung weiterer Bearbeitungsschritte auf dem Bauteil verbleiben.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung das Herstellen von hochwertig „verzinkten“ Blechformteilen mit höherfesten Eigenschaften aus einem Ausgangstahlblechmaterial, welches bereits eine Zinkbeschichtung (metallische Korrosionsschutzbeschichtung auf Zinkbasis) aufweist. Erfindungsgemäß gelingt dieses Herstellen in vorteilhafter Weise durch direktes Warmumformen bzw. Presshärten des beschichteten Ausgangsblechmaterials.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Figuren beispielhaft und in nicht einschränkender Weise näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale sind unabhängig von gezeigten und/oder beschriebenen Merkmalskombinationen zugleich allgemeine Merkmale oder Weiterbildungsmerkmale der Erfindung.

1 zeigt in einer Übersicht eine das erfindungsgemäße Verfahren einschließende Abfolge zur Herstellung eines Blechformteils.
2 zeigt in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Warmumformen bzw. Presshärten.
3 zeigt in einer Schnittansicht eine andere erfindungsgemäße Vorrichtung zum Warmumformen bzw. Presshärten.

Die in 1 gezeigte Abfolge zur Herstellung eines Blechformteils umfasst mehrere mit I bis VI bezeichnete Schritte, die nachfolgend näher erläutert werden. Nicht alle dargestellten und/oder erläuterten Schritte fallen jedoch zwangsläufig unter den beanspruchten Schutzumfang. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren weitere Schritte oder Teilschritte umfassen, die in der Abfolge der 1 nicht dargestellt und/oder die im Folgenden nicht erläutert sind. Ferner können einzelne Schritte zeitgleich oder sich zeitlich überschneidend ausgeführt werden.
Die gezeigte Abfolge beginnt im Schritt I mit der Bereitstellung eines Ausgangsblechmaterials. Bei dem Ausgangsblechmaterial handelt es sich um ein zum Warmumformen und/oder Presshärten geeignetes Stahlblechmaterial, das mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere auf Zinkbasis, beschichtet ist. Bevorzugt ist diese metallische Korrosionsschutzbeschichtung flächendeckend auf beiden Seiten des bereitgestellten Stahlblechmaterials aufgebracht.
Das mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung ausgebildete Stahlblechmaterial wird z. B. als Coilband oder als Platinenstapel bereitgestellt. Im Schritt II wird aus dem ebenen Ausgangsblechmaterial ein Platinenzuschnitt erzeugt. Alternativ kann das Ausgangsstahlblechmaterial direkt als zugeschnittene Blechplatine bereitgestellt werden.
Die im Schritt II erzeugte Blechplatine wird im Schritt IV auf eine Temperatur von mehreren Hundert Grad Celsius erwärmt. Das Erwärmen kann vollständig oder partiell erfolgen. Das Erwärmen kann z. B. in einem Ofen und insbesondere Durchlaufofen und/oder durch eine induktive Erwärmungseinrichtung vorgenommen werden.
Anschließend wird die erwärmte und noch ebene Blechplatine in ein Warmumformwerkzeug eingelegt und warmumgeformt. Diese Warmumformen findet im Schritt VI statt. Das durch das Warmumformen erhaltene Blechformteil ist mit P bezeichnet.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Warmumformen im Schritt VI mit einem Presshärten kombiniert ist. Hierzu wird die im Schritt II erzeugte Blechplatine zunächst auf eine Temperatur oberhalb von 870° C erwärmt und beim Warmumformen noch im Warmumformwerkzeug bzw. Presshärtewerkzeug abgekühlt, wodurch in bekannter Weise eine Festigkeitserhöhung des Stahlblechmaterials eintritt, wie eingangs erläutert.
Die vorausgehend erläuterte Abfolge entspricht dem direkten Warmumformen bzw. dem direkten Presshärten, wobei eine ebene Blechplatine erwärmt und direkt zu einem Blechformteil P umgeformt wird. Alternativ besteht die Möglichkeit des indirekten Warmumformens bzw. des indirekten Presshärtens, wobei die im Schritt II erzeugte oder in sonstiger Weise bereitgestellte ebene Blechplatine zunächst in einem Schritt III zu einem Zwischenformteil vorgeformt wird und dieses Zwischenformteil dann nach dem Erwärmen (Schritt IV) warmumgeformt bzw. pressgehärtet wird (Schritt VI).
Erfindungsgemäß ist ein Schritt V vorgesehen, in dem vor dem Einlegen des erwärmten Stahlblechmaterials (in Form einer ebenen Blechplatine oder in Form eines Zwischenformteils) in das geöffnete Warmumformwerkzeug bzw. Presshärtewerkzeug auf dessen Werkzeugwirkflächen zumindest bereichsweise ein Schmiermittel aufgetragen wird. Ergänzend kann das Schmiermittel zumindest bereichsweise auch direkt auf das erwärmte Stahlblechmaterial aufgetragen werden (Schritt Va). Denkbar ist auch, das Schmiermittel schon vor dem Erwärmen (Schritt IV) oder in einer Erwärmungspause direkt auf das Stahlblechmaterial aufzutragen.
Das auf die Werkzeugwirkflächen und/oder auf das Stahlblechmaterial aufgetragene Schmiermittel verhindert oder verringert das Auftreten von Mikrorissen in der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung und/oder an der Grenze zwischen der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung und dem Stahlblechmaterial, wie obenstehend erläutert. Ferner kann eine sehr gute Oberflächenqualität der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung erzielt werden. Zudem kann, insbesondere beim Presshärten, ein guter Wärmeübergang im Presshärtewerkzeug erreicht werden.
Die in 1 veranschaulichten Schritte I bis VI können in einer Anlage zum Herstellen und insbesondere zum automatisierten Herstellen warmumgeformter bzw. pressgehärteter Blechformteile durch entsprechende Vorrichtungen und/oder Einrichtungen bewerkstelligt werden. Das Auftragen eines Schmiermittels im Schritt V und das Warmumformen bzw. Presshärten im Schritt VI kann z. B. mit der in 2 gezeigten und nachfolgend näher erläuterten Vorrichtung durchgeführt werden.
Die in 2 gezeigte Vorrichtung bzw. Anlage umfasst beispielhaft ein Presshärtewerkzeug 100 (ein Warmumformwerkzeug ist im Wesentlichen identisch aufgebaut), das in einer nicht dargestellten Umformpresse eingebaut ist. Zum Werkzeug 100 gehört ein erstes, unteres Werkzeugteil 110 und ein zweites, oberes Werkzeugteil 120.
Das untere Werkzeugteil 110 weist eine formgebende Werkzeugwirkfläche 111 auf. Auch das obere Werkzeugteil 120 weist eine formgebende und zur Werkzeugwirkfläche 111 korrespondierende Werkzeugwirkfläche 121 auf. Mit 112 und 122 sind Bereiche der Werkzeugwirkflächen 111 und 121 oder Einsätze in den Werkzeugwirkflächen 111 und 121 bezeichnet, die mit einer Beschichtung und insbesondere mit einer Hartstoffbeschichtung versehen sind, wozu auf die diesbezüglichen obenstehenden Erläuterungen verwiesen wird.
Zwischen den Werkzeugwirkflächen 111 und 121 kann ein erwärmtes Stahlblechmaterial umgeformt (oder formgehalten) und gleichzeitig abgekühlt werden, wie vorausgehend erläutert. Um die Abkühlung zu bewerkstelligen, sind in bekannter Weise sowohl im unteren Werkzeugteil 110 als auch im oberen Werkzeugteil 120 Kühlkanäle 115 und 125 vorhanden.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine oder mehrere Schmiermittel-Auftragungseinrichtungen für das automatische Auftragen eines Schmiermittels auf die Werkzeugwirkflächen 111 und 121 des Werkzeugs 100. Das Auftragen des Schmiermittels auf die Werkzeugwirkflächen 111 und 121 erfolgt bei geöffnetem Werkzeug 100 und vor dem Einlegen des aus dem Stahlblechmaterial bestehenden Werkstücks. Hierzu bringen die in den Sprühköpfen 131 und 132 angeordneten Sprüheinrichtungen in Gestalt von Sprühdüsen jeweils einen gerichteten Sprühstrahl oder einen Sprühnebel 140 des aufzutragenden Schmiermittels aus. Das ausgebrachte Schmiermittel schlägt sich auf den Werkzeugwirkflächen 111 und 121 am unteren Werkzeugteil 110 und am oberen Werkzeugteil 120 nieder und bildet einen Schmiermittelfilm aus. Um alle Bereiche oder zumindest die relevanten Bereiche der Werkzeugwirkflächen 111 und 121 mit dem Sprühstrahl bzw. Sprühnebel 140 erfassen zu können, sind die Sprühdüsen in verschwenkenden Sprühköpfen 131 und 132 angeordnet, was durch die dargestellten Schwenkpfeile veranschaulicht ist.
In der in 2 gezeigten Vorrichtung sind die zu einer Schmiermittel-Auftragungseinrichtung oder zu unterschiedlichen Schmiermittel-Auftragungseinrichtungen gehörenden Sprühköpfe 131 und 132 beispielhaft am unteren Werkzeugteil 110 und am oberen Werkzeugteil 120 befestigt. Alternativ können die Sprühköpfe 131 und 132 auch am Pressenkörper der Umformpresse befestigt sein. Ferner ist eine Stand-Alone-Lösung möglich, d. h. die Sprühköpfe 131 und 132 gehören zu wenigstens einem separaten Gerät das bspw. neben der Umformpresse positioniert wird.
Die 3 zeigt eine Vorrichtung, bei der eine Schmiermittel-Auftragungseinrichtung vorgesehen ist, die einen an einem Roboter oder Feeder 135 geführten Sprühkopf 133 mit beispielhaft zwei Sprühdüsen aufweist. Der Sprühkopf 133 kann pressentaktgebunden bei geöffnetem Werkzeug 100 zwischen die Werkzeugteile 110 und 120 einfahren und gleichzeitig einen Sprühstrahl bzw. Sprühnebel 140 auf beide Werkzeugwirkflächen 111 und 121 aufbringen, was vorzugsweise vollautomatisch erfolgt. In vorteilhafter Weise kann hier der Schmiermittelauftrag sehr gezielt erfolgen. Ferner erfolgt der Schmiermittelauftrag bezüglich der Werkzeugwirkflächen 111 und 121 nicht aus einer seitlichen Richtung sondern im Wesentlichen aus Normalenrichtung (d. h. im Wesentlichen senkrecht zu den Werkzeugwirkflächen 111 und 121). Der Sprühkopf 133 kann ebenfalls als verschwenkbarer Sprühkopf ausgebildet sein. Im Übrigen gelten analog die vorausgehenden Erläuterungen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Auftragen eines Schmiermittels durch wenigstens eine Sprüheinrichtung in einem elektrostatischen Feld erfolgt. Hierzu wird die Sprüheinrichtung bezüglich der Werkzeugwirkflächen auf ein elektrisch positives Potential oder auf ein elektrisch negatives Potential gelegt. Ähnliche Vorgehensweisen sind aus der Lackiertechnik bekannt.

Claims

Verfahren zum Warmumformen eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Stahlblechmaterials, umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Werkzeugs (100) mit wenigstens zwei Werkzeugteilen (110, 120), die zum Öffnen und Schließen dieses Werkzeugs (100) relativ zueinander verfahrbar sind und die jeweils wenigstens eine direkt mit dem beschichteten Stahlblechmaterial in Berührung kommende Werkzeugwirkfläche (111, 112) aufweisen; - Öffnen des Werkzeugs (100) und zumindest bereichsweises Auftragen eines Schmiermittels (140) auf wenigstens eine Werkzeugwirkfläche (111, 112); - Erwärmen eines aus dem beschichteten Stahlblechmaterial bestehenden Werkstücks und nachfolgendes Einlegen in das geöffnete Werkzeug (100); - Schließen des Werkzeugs (100) und Warmumformen des Werkstücks, wobei sich ein Schmiermittelfilm zwischen dem beschichteten Stahlblechmaterial und der betreffenden Werkzeugwirkfläche (111, 112) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformen ein Presshärten ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück vor dem Einlegen in das Werkzeug (100) auf eine Temperatur von mindestens 650 °C und bevorzugt von mindestens 870 °C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblechmaterial beidseitig mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung auf Zinkbasis oder auf Aluminiumbasis beschichtet ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auf die Werkzeugwirkfläche (111, 112) aufzutragende Schmiermittel (140) ein wärmebeständiges Schmiermittel ist, wobei es sich vorzugsweise um eine öl- und graphitfreie Emulsion und insbesondere um eine Salzkristalle enthaltende Emulsion handelt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem beschichteten Stahlblechmaterial bestehende Werkstück eine im Wesentlichen ebene Platine ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem beschichteten Stahlblechmaterial bestehende Werkstück ein kalt vorgeformtes Blechformteil ist.
Vorrichtung zum Warmumformen und insbesondere zum Presshärten eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung beschichteten Stahlblechmaterials, umfassend ein Werkzeug (100) mit wenigstens zwei Werkzeugteilen (110, 120), die zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs relativ zueinander verfahrbar sind und die jeweils wenigstens eine direkt mit dem beschichteten Stahlblechmaterial in Berührung kommende Werkzeugwirkfläche (111, 121) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung ferner wenigstens eine Schmiermittel-Auftragungseinrichtung (131, 132, 133) umfasst, mit der bei geöffnetem Werkzeug (100) auf wenigstens eine Werkzeugwirkfläche (111, 112) zumindest bereichsweise ein Schmiermittel (140) aufgetragen werden kann, welches beim nachfolgenden Warmumformen bzw. Presshärten einen Schmiermittelfilm zwischen dem beschichteten Stahlblechmaterial und der betreffenden Werkzeugwirkfläche (111, 112) ausbildet, wobei ferner jene Bereiche der Werkzeugwirkfläche (111, 112) poliert, texturiert oder mit einer Beschichtung ausgebildet sind, auf denen das Schmiermittel (140) aufgetragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittel-Auftragungseinrichtung (131, 132, 133) wenigstens eine Sprüheinrichtung aufweist, durch die ein flüssiges oder pulverförmiges Schmiermittel (140) ausbringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprüheinrichtung (133) an einem Roboter oder Feeder (135) befestigt ist und mittels dieses Roboters oder Feeders (135) bei geöffnetem Werkzeug (100) zwischen die Werkzeugteile (110, 120) einfahren kann, um auf wenigstens eine Werkzeugwirkfläche (111, 112) zumindest bereichsweise das Schmiermittel (140) aufzutragen.