DE10212400C5

DE10212400C5 - Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils

Info

Publication number: DE10212400C5
Application number: DE10212400A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Böke; Christian Dr. Smatloch; Jürgen Krogmeier
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2022-03-14
Also published as: FR2837216A1; FR2837216B1; DE10212400C1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils durch Kaltumformen mit einem Glühen des umgeformten Formbauteils zwecks Umkristallisation des Gefüges zur Herabsetzung des Formänderungswiderstandes für einen weiteren Umformvorgang mit anschließendem Abkühlen, wobei eine Glühung nur partiell in den Bereichen (b, c) durchgeführt wird, in denen sich ein weiterer Umformvorgang anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass im Formbauteil neben geglühten und weiter umgeformten Bereichen (b, c) durch den ersten Umformschritt kaltverfestigte Bereiche (3) verbleiben und dass zur Herstellung eines Abgasrohrs (2) für den Kraftfahrzeugbau bei einem ersten Kaltumformen eines Rohres (2) ein mittiger Faltenbalg (3) sowie an den Faltenbalg (3) angrenzende Rohrbögen (4, 5) geformt werden, dass anschließend nur diese Rohrbögen (4, 5) partiell geglüht werden, und danach in einem sich anschließenden Umformvorgang diese Rohrbögen (4, 5) aufgeweitet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils durch Kaltumformen mit einem Glühen des umgeformten Formbauteils zwecks Umkristallisation des Gefüges zur Herabsetzung des Formänderungswiderstandes für einen weiteren Umformvorgang mit anschließendem Abkühlen.
Metallische Bauteile wie Platinen oder vorgeformte Bauteile aus unlegierten oder niedriglegierten Stählen, legierten oder hochlegierten Edelstählen wie austenitischen, ferritischen oder Duplex Stählen oder aus Leichtmetall haben in der Regel ein gutes Umformvermögen, so dass alle gängigen Kaltformprozesse wie zum Beispiel Biegen, Stauchen, Aufweiten und Innenhochdruckumformen zum Umformen dieser Werkstoffe eingesetzt werden können. Da sich ein Metall, wenn es oberhalb der Fließgrenze plastisch verformt wird, in den umgeformten Bereichen verfestigt, ist mit dieser Kaltverformung eine Kaltverfestigung des Werkstoffs verbunden, durch die die Härte, die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des Werkstoffs ansteigen, während die Bruchdehnung und die Kerbschlagzähigkeit abnehmen.
Die Kaltverfestigung ist zum einen positiv, da eine höhere Werkstofffestigkeit auch zu einer höheren Lebensdauer bei dynamischer Belastung führt. Sie bereitet jedoch Probleme, wenn das Formbauteil in mehreren Schritten umgeformt wird und aufgrund der verbleibenden Restdehnung der Formänderungswiderstand im kaltverfestigten Bereich so groß ist, dass eine weitere plastische Verformung gegebenenfalls zum Bruch des Werkstoffs in diesem Bereich führen würde. Um den kaltverfestigten Bereich dennoch umformen zu können, ist eine Umkristallisation in diesem Bereich in Richtung Ausgangsgefüge des Werkstoffs vor der Kaltverfestigung vorzunehmen, so dass das ursprüngliche Umformvermögen und die entsprechende Duktilität des Werkstoffs wiederhergestellt wird. Eine vollständige oder teilweise Gefügeumwandlung kann mittels eines geeigneten Glühverfahrens und einer dem Werkstoff angepassten Temperatur, die auch vom Umformgrad bestimmt werden kann, erreicht werden. Dabei wird das Formbauteil auf Umwandlungstemperatur wie Austenitisierungstemperatur oder Rekristallisationstemperatur erwärmt und nach einer Umwandlung des Gefüges abgekühlt, so dass sich das Ausgangsgefüge mindestens teilweise wieder einstellt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Formbauteil aus geeigneten Stählen auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und nach einer Umwandlung des Gefüges in Austenit langsam abgekühlt werden, so dass sich der Austenit in ein Ferrit/Perlit-Mischgefüge umwandelt. Damit ist die Umkristallisation zur Herabsetzung des Formänderungswiderstandes für einen weiteren Umformvorgang durchgeführt.
Nach dem Stand der Technik wird die Wärmebehandlung in einem Durchlaufofen mit einer dem Werkstoff angepassten Temperaturführung durchgeführt, wobei bei diesem Prozess das gesamte Bauteil langsam auf Umwandlungstemperatur erwärmt und bis zu einer ausreichenden Umwandlung gehalten wird. Im Anschluss erfolgt eine langsame Abkühlung mit dem Ziel, das Ausgangsgefüge mit dem geringeren Formänderungswiderstand zumindest teilweise wieder herzustellen. Dabei wird in dem Ofen immer das gesamte Bauteil geglüht, so dass der in einigen Bereichen durchaus erwünschte Effekt der Kaltverfestigung für alle Bereiche des Bauteils durch Umkristallisation rückgängig gemacht wird. Folglich wird in den Bereichen, die nicht weiter umgeformt werden, das Potential des Werkstoffs nicht voll ausgenutzt.
Hinzu kommt, dass ein solcher Durchlaufofen mit bis zu 30 Metern Länge und bis zu 90 Minuten Prozessdauer entsprechenden Platz und entsprechende Zeit beansprucht. In der Massenfertigung wird die Fertigungskette durch diesen Glühprozess zudem unterbrochen, da ein Transport vom Umformwerkzeug zum Ofen und somit häufig zu externen Dienstleistern mit zusätzlichem Handling und entsprechender Logistik erforderlich ist. Dies ist mit erheblichen Kosten verbunden.
Die DE 31 27 327 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Faltenbälgen aus Metalllegierungen, bei dem ein Rohrstück durch Auswalzen verformt, auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallationstemperatur erhitzt, abgekühlt, lokal querverformt und axial zusammengedrückt wird. Die Erwärmung des Rohrstücks wird dabei mittels elektrischen Stroms vorgenommen. Auch hier wird jedoch das gesamte Bauteil erwärmt, so dass der Effekt der Kaltverfestigung für das gesamte Bauteil rückgängig gemacht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren aufzuzeigen, das sich einfach, prozesssicher und kostengünstig in einen bestehenden Massenfertigungsprozess einordnen lässt.
Diese Aufgabe löst die Erfindung mit dem in Anspruch 1 genannten Verfahren. Demnach wird eine Glühung nur partiell in den Bereichen durchgeführt, in denen sich ein weiterer Umformvorgang anschließt. Dadurch wird in den geglühten Bereichen die Kaltverfestigung durch Umkristallisation des Gefüges Richtung Ausgangsgefüge des Werkstoffes vor einem weiteren Kaltumformschritt aufgehoben bzw. vermindert. Folglich spart man Energie und Zeit, da nicht das gesamte Formbauteil auf Umwandlungstemperatur erwärmt wird.
Es verbleiben im umgeformten Formbauteil neben geglühten und weiter umgeformten Bereichen durch den ersten Umformschritt kaltverfestigte Bereiche, wodurch in den kaltverfestigten Bereichen die Vorteile der Kaltverfestigung wie eine höhere Lebensdauer bei dynamischer Belastung aufgrund der höheren Werkstofffestigkeit erhalten bleiben. Durch die Beibehaltung dieser bereits erzeugten lokalen Festigkeitserhöhungen im Bauteil wird das Potential des Werkstoffs besser ausgenutzt.
Bevorzugt wird die partielle Glühung mittels Induktionserwärmung durchgeführt. So können gezielt die Bereiche mit vorhandener Kaltverfestigung geglüht werden, bei denen sich ein weiterer Umformvorgang anschließt. Zudem lässt sich die Induktionserwärmung innerhalb von Sekunden mit kompakten Anlagen bewerkstelligen, was eine geschlossene Prozesskette Umformen/Glühen ermöglicht. Der Durchlaufofen kann substituiert werden, so dass ein Transport zum Ofen, eventuell auch zu externen Dienstleistern mit entsprechender Logistik und entsprechendem Zeitaufwand entfällt.
Nach dieser besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können zur Durchführung der partiellen Induktionserwärmung insbesondere das Formbauteil und eine Induktionserwärmungseinrichtung relativ zueinander bewegt werden. Beispielsweise wird das Formbauteil von einem Roboter definiert gegriffen und durch eine stationäre Induktionsspule geführt. Entsprechend kann auch die Spule robotergesteuert die Kontur des zu glühenden Bereichs am Formbauteil abfahren. Je nach Formbauteil ist es auch möglich, andere Steuerelemente, wie zum Beispiel eine Linearsteuerung, bei denen die Spule das Bauteil oder umgekehrt das Bauteil die Spule auf einer vorgegebenen linearen Bahn abfährt, einzusetzen. Bauteiltoleranzen und Änderungen in Geometrie und Wanddicke des Formbauteils können dabei über eine temperaturgesteuerte Leistungsanpassung und/oder eine entsprechende Ausrichtung der Positionen von Induktionsspule und Bauteil ausgeglichen werden.
Die partielle Induktionserwärmung kann an die Kontur des Bauteils angepasst durchgeführt werden. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu einer Relativbewegung geschehen. Zusätzlich zu einer Relativbewegung kann die Spule das Bauteil oder umgekehrt das Bauteil die Spule zum Beispiel auf einer der Bauteilgeometrie nachempfundenen Bahn abfahren, wobei die Spule oder das Bauteil zudem noch eine Vorschubbewegung in Richtung jeweils des Bauteils oder der Spule ausführen können. Alternativ zu einer Relativbewegung wird beispielsweise ein der Kontur des zu glühenden Bereiches angepasster Forminduktor angewandt. Hierbei kann das Bauteil beispielsweise in einen Forminduktor eingelegt werden, so dass ohne eine weitere Relativbewegung eine gleichmäßige Erwärmung auf Umwandlungstemperatur über den gewünschten Bereich erzeugt werden kann.
Besonders vorteilhaft zur Erzielung einer gleichmäßigen Erwärmung werden die Induktionserwärmungseinrichtung und das Formbauteil gegeneinander kreisend oder oszillierend auf- und abbewegt.
Vorzugsweise wird die Abkühlung mittels ruhender oder leicht strömender Luft durchgeführt. Beispielsweise werden unlegierte und niedriglegierte Stähle sowie bestimmte Edelstähle nach der Glühung an ruhender oder leicht strömender Luft abgekühlt, um das gewünschte Gefüge mit geringerem Formänderungswiderstand sowie die entsprechenden Korngrößen zu erhalten.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Abkühlung mittels einer der Induktionserwärmungseinrichtung nachgeschalteten Ringbrause für eine Wasserkühlung durchgeführt. Eine solche unmittelbare Abkühlung dient zum Beispiel bei austenitischen chromhaltigen Edelstählen dazu, einem Verlust an korrosionsbeständigen Chromgehalten in der Oberfläche, die für die Korrosionsbeständigkeit verantwortlich sind, sowie einer Chromkarbidbildung entgegenzuwirken.
Um eine Oberflächenoxidation und die Bildung von Zunderschichten im Erwärmbereich zu vermeiden, kann das Glühen unter einer Schutzatmosphäre stattfinden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden zur Herstellung eines Abgasrohrs für den Kraftfahrzeugbau bei einem ersten Kaltumformen eines Rohres ein mittiger Faltenbalg sowie an den Faltenbalg angrenzende Rohrbögen geformt, anschließend werden nur diese Rohrbögen partiell geglüht, und danach werden in einem sich anschließenden Umformvorgang diese Rohrbögen insbesondere durch Innenhochdruckumformung aufgeweitet. Mögliche weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens betreffen beispielsweise Rohrkomponenten mit mehrstufigen Hydroformprozessen, bei denen lokale Verfestigungen gewünscht sind sowie vorgeformte Rohrkomponenten, bei denen eine Verfestigung im ersten Umformbereich zur Erhöhung der Lebensdauer erforderlich ist.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispieles in den 4 bis 8 näher beschrieben. Es zeigen
1 in Draufsicht ein gerades Rohr (1),
2 das Rohr (1) aus 1 nach einem ersten Umformschritt,
3 das Rohr (1) aus 2 nach einem Aufweiten im umgeformten Bereich (a),
4 in Draufsicht ein gerades Abgasrohr (2),
5 das Abgasrohr (2) aus 4 nach der Ausformung eines mittigen Faltenbalgs (3),
6 das Abgasrohr (2) aus 5 nach der Umformung von je einem Rohrbogen (4, 5) links und rechts des Faltenbalgs (3),
7 das Abgasrohr (2) aus 6 nach einem Aufweiten der Rohrbögen (4, 5) im zuvor umgeformten Bereich (b, c),
8 schematisch einen Roboter (6), der das Rohr (1) aus 2 durch eine Induktionsspule (7) mit nachgeschalteter Ringbrause (8) führt.
1 zeigt in Draufsicht ein noch nicht umgeformtes Rohr (1).
In 2 wurde das gerade Rohr (1) in der Mitte mittels Kaltumformen durch Biegen gekrümmt. Dadurch hat sich der Werkstoff des Rohres (1) im umgeformten Bereich (a) kaltverfestigt. Eine weitere Kaltumformung in dem bereits umgeformten Bereich der Krümmung (a) würde wegen des durch das Kaltumformen entstandenen höheren Formänderungswiderstands gegebenenfalls zu einem Bruch des Rohres (1) im bereits umgeformten Bereich (a) führen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Rohr (1) daher im Bereich der Krümmung (a), in dem es weiter umgeformt werden soll, partiell geglüht. Mit Hilfe einer Induktionserwärmungseinrichtung lässt sich die Glühung in Sekunden und genau im Bereich der Krümmung bewerkstelligen. Die jeweiligen Rohrenden, die keine Umformung erfahren haben, werden dabei nicht auf Umwandlungstemperatur miterwärmt. Dadurch kann Zeit und Energie eingespart werden. Im Anschluss wird das Rohr (1) abgekühlt, so dass die gewünschte Umkristallisation im gekrümmten Bereich (a) in Richtung Ausgangsgefüge stattfindet und der Formänderungswiderstand sinkt.
In 3 ist das Rohr (1) im gekrümmten Bereich (a) anschließend mittels Innenhochdruckumformen aufgeweitet worden. Dadurch hat es sich in diesem Bereich (a) erneut kaltverfestigt. An den jeweiligen Rohrenden befindet sich der Werkstoff noch im Ausgangsgefüge ohne Kaltverfestigung, da im Bereich der Rohrenden kein Umformvorgang stattgefunden hat.
4 zeigt in Draufsicht ein gerades erfindungsgemäßes Abgasrohr (2), beispielsweise aus einem austenitischen Edelstahl mit dem Werkstoffnamen X15CrNiSi 20-12.
In 5 ist in der Mitte dieses geraden Abgasrohres (2) ein Faltenbalg (3) mittels Innenhochdruckumformen ausgebildet worden. Dadurch hat sich der Werkstoff des Abgasrohres (2) im Bereich des Faltenbalgs (3) kaltverfestigt. Diese Kaltverfestigung des Faltenbalgs (3) erhöht seine Lebensdauer, sie ist daher erwünscht und soll bei einem weiteren Umformen des Abgasrohres (2) erhalten bleiben.
In 6 ist aus dem Abgasrohr (2) links und rechts des Faltenbalgs (3) jeweils ein Rohrbogen (4, 5) durch Biegen geformt worden. Dadurch hat sich das Abgasrohr (2) in den beiden gekrümmten Bereichen (b, c) der Rohrbögen (4, 5) durch das Kaltumformen kaltverfestigt. Die Kaltverfestigung des Faltenbalgs (3) ist davon unberührt geblieben. Eine weitere Umformung der Rohrbögen (4, 5) ist aufgrund der eingetretenen Kaltverfestigung in den bereits gekrümmten Bereichen (b, c) ohne die Gefahr der Rissbildung oder eines Bruches des Abgasrohres (2) in diesen Bereichen (b, c) nicht möglich. Daher wird das Abgasrohr (2) in den gekrümmten Bereichen (b, c) der Rohrbögen (4, 5) bevorzugt induktiv partiell geglüht. Mit dieser Glühung wird das Abgasrohr (2) aus dem Material X15CrNiSi 20-12 in den gekrümmten Bereichen (b, c) auf 1050° bis 1100°C erwärmt, wodurch eine Umwandlung des Werkstoffgefüges in diesen Bereichen (b, c) erreicht wird, durch die sich bei einem anschließenden Abkühlen das Ausgangsgefüge des Werkstoffs vor einer Kaltverfestigung mit dem geringeren Formänderungswiderstand wieder einstellt. Damit wird die Kaltverfestigung in den gekrümmten Bereichen (b, c) aufgehoben. Im Faltenbalg (3), der aufgrund der genauen Steuerungsmöglichkeit der Induktionserwärmungseinrichtung an der Glü hung nicht teilgenommen hat, bleibt die Kaltverfestigung durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens trotz des Glühprozesses wie gewünscht erhalten.
In 7 sind die Rohrbögen (4, 5) des Abgasrohres (2) im bereits umgeformten und geglühten Bereich (b, c) mittels Innenhochdruckumformen aufgeweitet worden. Dadurch hat sich das Werkstoffgefüge in den aufgeweiteten Bereichen (b, c) erneut kaltverfestigt. Somit sind an diesem Abgasrohr (2) sowohl die aufgeweiteten Rohrbögen (4, 5) als auch der Faltenbalg (3) kaltverfestigt, was die Lebensdauer des Abgasrohrs (2) erhöht. Gerade im Faltenbalg (3), der bei einer Herstellung des Abgasrohres (2) mit einem herkömmlichen Verfahren geglüht worden und damit duktiler wäre, ist diese lebensdauererhöhende Kaltverfestigung nur mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der partiellen Glühung zu erreichen.
8 zeigt schematisch einen Roboter (6), der das Rohr (1) aus 2 nach der Ausformung der Krümmung in der Mitte des Rohres (1) gegriffen hat und zwecks Glühung den kaltverfestigten Bereich (a) der Krümmung in Abwärtsbewegung durch eine Induktionserwärmungseinrichtung (7) bzw. eine stationäre Induktionsspule führt. Dabei wird genau der Bereich der Krümmung (a) mittels Induktion geglüht. Der Induktionsspule (7) nachgeschaltet ist eine Ringbrause (8) zur Wasserkühlung angebracht. Damit wird beispielsweise bei austenitischen chromhaltigen Edelstählen einem Verlust an korrosionsbeständigen Chromgehalten in der Oberfläche, die für die Korrosionsbeständigkeit verantwortlich sind, sowie einer Chromkarbidbildung entgegengewirkt. Bei geeigneten Stählen, die durch die unmittelbare Abkühlung nicht härten, kann so auch der Abkühlvorgang beschleunigt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils durch Kaltumformen mit einem Glühen des umgeformten Formbauteils zwecks Umkristallisation des Gefüges zur Herabsetzung des Formänderungswiderstandes für einen weiteren Umformvorgang mit anschließendem Abkühlen, wobei eine Glühung nur partiell in den Bereichen (b, c) durchgeführt wird, in denen sich ein weiterer Umformvorgang anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass im Formbauteil neben geglühten und weiter umgeformten Bereichen (b, c) durch den ersten Umformschritt kaltverfestigte Bereiche (3) verbleiben und dass zur Herstellung eines Abgasrohrs (2) für den Kraftfahrzeugbau bei einem ersten Kaltumformen eines Rohres (2) ein mittiger Faltenbalg (3) sowie an den Faltenbalg (3) angrenzende Rohrbögen (4, 5) geformt werden, dass anschließend nur diese Rohrbögen (4, 5) partiell geglüht werden, und danach in einem sich anschließenden Umformvorgang diese Rohrbögen (4, 5) aufgeweitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die partielle Glühung mittels Induktionserwärmung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur partiellen Induktionserwärmung das Formbauteil (2) und eine Induktionserwärmungseinrichtung (7) relativ zueinander bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die partielle Induktionserwärmung an die Kontur des Formbauteils (2) angepasst durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Induktionserwärmungseinrichtung (7) und Formbauteil (2) gegeneinander kreisend oder oszillierend auf- und abbewegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung mittels ruhender oder leicht strömender Luft durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung mittels einer der Induktionserwärmungseinrichtung (7) nachgeschalteten Ringbrause (8) für eine Wasserkühlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glühen unter einer Schutzatmosphäre stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbögen (4, 5) durch Innenhochdruckumformung aufgeweitet werden.