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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR MOULD ANNEALING WITH INTERMEDIATE COOLING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/020212
Kind Code:
A1
Abstract:
Hot forming method for mould annealing of metallic workpieces, in which said mould annealing process has a prior intermediate cooling.

Inventors:
GERLACH, Lars (Sirnauer Strasse 14, Esslingen, 73728, DE)
WERBS, Michael (Rumannstrasse 1, Hannover, 30161, DE)
Application Number:
DE2009/001108
Publication Date:
February 25, 2010
Filing Date:
August 07, 2009
Export Citation:
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Assignee:
SCHULER CARTEC GMBH & CO. KG (Bahnhofstrasse 41, Göppingen, 73033, DE)
GERLACH, Lars (Sirnauer Strasse 14, Esslingen, 73728, DE)
WERBS, Michael (Rumannstrasse 1, Hannover, 30161, DE)
International Classes:
C21D1/673; B21D37/16; B21J1/06; C21D9/46; C21D1/667
Domestic Patent References:
Foreign References:
DE10208216C1
DE102005003551A1
Attorney, Agent or Firm:
OTTEN, Herbert et al. (Grosstobeler Strasse 39, Ravensburg / Berg, 88276, DE)
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Claims:
Ansprüche :

1. Warmumformverfahren zum Formhärten von metallischen Werkstücken mit folgenden Verfahrensschritten:

- Erhitzen einer Platine oder Teilbereiche einer Platine bis zur teilweisen oder vollständigen Austenitisierung des Gefüges .

- Umformen der Platine in einem Presswerkzeug

dadurch gekennzeichnet, dass die Platine oder Teilbereiche der Platine eine Zwischenkühlung durchlaufen, sodass die im Umformwerkzeug abzuführende Wärmeenergie reduziert wird und/oder definierte Fließeigenschaften zur Vermeidung von Falten und Reissern eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkühlung durch Konvektion mittels einer oder mehrerer

Kühlstufen (5) erfolgt, wobei Luft, spezielle Gase, Sprühnebel oder Flüssigkeiten auf die Oberfläche der Platine (1) geblasen, gesprüht oder gestrahlt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zwischenkühlung durch Konvektion eine turbulente

Strömung an der Oberfläche der Platine (1) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anströmen der Platine (1) mittels geometrisch frei gestaltbaren Auslässen erzielt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die frei gestaltbaren Auslässe geeignet sind, bei einem entsprechend hohen Druck, eine turbulente Strömung an der Oberfläche der Platine (1) zu erzeugen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anströmen der Platine (1) mittels nicht- linienförmigen Auslässen erzielt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-linienförmigen Auslässe eine turbulente Strömung an der

Oberfläche der Platine (1) erzeugen.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Auslässen Düsen einsetzbar sind.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkühlung durch Kontakt der Platine (1) mit mindestens einem Bauteil der Zwischenkühlungsstation (4) erfolgt.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkühlung durch Kontakt der Platine (1) mit mindestens einem Bauteil der Zwischenkühlstation (4) erfolgt.

11.Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zwischenkühlung Kühlrollen (11, 12, 13, 14) verwendet werden, welche von einem Kühlmedium durchströmt werden.

12.Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anströmen der Platine (1) mittels geometrisch frei gestaltbaren Auslässen erzielt wird.

13.Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die frei gestaltbaren Auslässe geeignet sind, bei einem entsprechend hohen Druck, eine turbulente Strömung an der Oberfläche der Platine (1) zu erzeugen.

14.Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anströmen der Platine (1) mittels nicht-linienförmigen Auslässen erzielt wird.

15.Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-linienförmigen Auslässe eine turbulente Strömung an der Oberfläche der Platine (1) erzeugen.

16.Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an den Auslässen Düsen einsetzbar sind.

Description:
"Verfahren zum Formhärten mit Zwischenkühlung"

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur

Warmumformung, bei dem ein härtbares Stahlblech nach einer austenitisierenden Erwärmung und vor einer Abkühlung in einem Werkzeug eine Zwischenkühlung erfährt.

Stand der Technik

Bauteile aus hochfesten Blechen werden zunehmend im Automobilbau verwendet. Sie erhöhen die Festigkeit, verbessern das Crashverhalten und reduzieren das Fahrzeuggewicht deutlich. Das so genannte Formhärten oder auch Presshärten dieser hochfesten Blechwerkstoffe ermöglicht den Bau leichterer und dennoch extrem steifer Karosseriebauteile durch die Kombination von Wärmebehandlung und Formgebung mit gleichzeitiger kontrollierter Abkühlung. Bei dem Verfahren des Formhärtens wird nicht nur ein deutlicher Festigkeitszuwachs des Materials nutzbar, darüber hinaus ist auch die Verformbarkeit bei hoher Temperatur über des 20-fache höher als die Verformbarkeit von Stahlblechen mit vergleichbarer Endfestigkeit, die kalt verformt werden. Daher ist bei diesem Verfahren oftmals der Verformungsprozess in einem Schritt möglich, während bei kalter Verformung mehrere Pressenhübe erforderlich sind. Beira Formhärten unterscheidet man prinzipiell zwei Verfahren, das direkte und das indirekte Verfahren. Beim direktem Formhärten wird ein in der Regel borlegierter Stahl bei ca. 900° C bis 950° C austenitisiert und direkt aus dem Ofen möglichst schnell in ein Umformwerkzeug eingebracht und mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit umgeformt. Zum Umformen werden üblicherweise hydraulische Pressen und spezielle gekühlte Werkzeuge eingesetzt, mit denen eine für die Martensitbildung ausreichende Abkühlgeschwindigkeit realisiert werden kann. Das Abkühlen des Werkstückes bestimmt die endgültige Härte und

Festigkeit. Das nach der Umformung und Kühlung harte Werkstück wird dann hart beschnitten und weiterbearbeitet.

Beim indirekten Formhärten werden die Bleche zunächst kalt vorgeformt, danach erwärmt und in einer gekühlten Form gehärtet. Damit lassen sich komplexere Umformungen realisieren als beim direkten Formhärten.

In der DE 24 52 486 Al wird ein direktes Formhärteverfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechprofils aus einer Platine beschrieben. Danach wird ein aus härtbarem Stahl bestehendes Blechprofil auf eine Härtetemperatur erhitzt. Anschließend wird es mittels einer Warmumformung in einem entsprechenden Pressenwerkzeug umgeformt. Anschließend wird das Blechprofil ausgehärtet, wobei es in dem Pressenwerkzeug verbleibt. Da das Blechprofil bei der im Zuge des Härtevorgangs vorgenommenen Kühlung im Pressenwerkzeug verbleibt und dort eingespannt ist, weist das derart hergestellte Produkt eine gute Maßhaltigkeit auf. Nachteilig an diesem Verfahren ist die lange Zykluszeit. Dabei wird die Dauer eines Verfahrenszyklus hauptsächlich bestimmt durch die Abkühlung des umgeformten Werkstückes im Umformwerkzeug. Auch bei maximaler Kühlleistung und einer optimierten Verteilung der Kühlkanäle im Werkzeug stellt der Abkühlvorgang innerhalb des Verfahrenszyklus den zeitlich dominierenden Anteil dar. Die DE 10 2005 003 551 Al offenbart ein Warmumformverfahren, bei dem als Endprodukt ein umgeformtes Blechteil mit einem Zwischenstufengefüge angestrebt wird. Erreicht wird dies durch ein Verfahren, welches für härtbare Feinbleche, vorzugsweise für Stahlbleche mit einem C-Gehalt von etwa 0,1 % bis etwa 0,3 % anwendbar ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Anschluss an eine austenitisierende Erwärmung des Stahlbleches bis über den A C3 -Punkt sich eine vergleichsweise rasche Abkühlung bis auf einen Temperaturbereich von 400° C bis 600° C anschließt. Mit Erreichen dieses Temperaturbereiches erfolgt eine isotherme Umformung des Blechs in seine Endform. Kennzeichnend für dieses Verfahren ist, dass vor der Umformung weder das Bainit-, noch das Ferrit-, noch das Perlit-, noch das Martensitgebiet erreicht wird, und dass die Umformung isotherm erfolgt bis das Zwischenstufengebiet erreicht wird und sich ein Zwischenstufengefüge einstellt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom Stand der Technik ein Formhärteverfahren zu entwickeln, welches eine deutliche Verkürzung der Verfahrenszykluszeit darstellt und welches als Endprodukt ein umgeformtes Blech mit definierten oder vorwählbaren Festigkeitswerten hat.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die gezielte Einflussnahme auf das Fließverhalten des Werkstoffes zur Verhinderung von Falten und Reissern im umgeformten Werkstück.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zwischen dem Erwärmen und dem damit verbundenen Austenitisieren der Platinen bzw. vorgeformten Werkstücke und dem Abkühlen im Umformwerkzeug einen weiteren Prozessschritt einzuführen, um die Zeit zur Werkstückkühlung im Umformwerkzeug gegenüber bekannten Verfahren deutlich zu verkürzen. Hierbei werden die Platinen bzw. vorgeformten Werkstücke nach der Erwärmung zwischengekühlt bevor die vollständige Abkühlung in einem Umformwerkzeug erfolgt. Kennzeichnend für das erfindungsgemäße Warmumformverfahren ist, dass sowohl die Zwischenkühlung, als auch die Kühlung des umgeformten Werkstückes im Umformwerkzeug zeitlich so gesteuert werden, dass als Endprodukt ein umgeformtes Blech mit einem definierten Mischgefüge oder einem rein martensitischem Gefüge entsteht. Beide Abkühlungen müssen zeitlich genau definiert erfolgen, damit die gewünschten Gefügeumwandlungen entstehen.

Da sich das Fließverhalten von Blechwerkstoffen temperaturabhängig ändert, ist es möglich durch eine gezielte Vorkühlung der gesamten Platine oder definierter Bereiche das Fließverhalten so zu beeinflussen, dass der Materialfluss des Werkstücks während der Umformung für die Bauteilherstellbar- keit optimiert wird. So können Reisser, Falten oder auch andere Defekte vermieden werden.

Prinzipiell sieht die Erfindung zwei Arten von Zwischenkühlungen vor, durch Kontakt und durch Konvektion. Bei der Zwischenkühlung durch Kontaktkühlung werden im Durchlauf die Platinen an Kühlelementen vorbeigeführt, die beispielsweise als Kühlrollen und/oder plattenförmig ausgeführt sein können. Die Form der Kühlelemente sowie die Andruckkräfte der Platinen an die Kühlelemente bestimmen die Intensität der Kühlung. Die Erfindung umfasst Verfahren und Anlagen mit denen die Platinen gleichmäßig gekühlt werden sowie solche, bei denen eine partiell unterschiedliche Kühlung erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet darüber hinaus die Möglichkeit die Zwischenkühlung unter Schutzgasatmosphäre durchzuführen um eine Verzunderung zu verhindern.

Mögliche Bauformen dieser Anlagen können Ähnlichkeiten zu bekannten Richtmaschinen aufweisen, wobei bei der erfindungsgemäßen Zwischenkühlung im Gegensatz zum Richten nicht die plastische Verformung der Platinen das Ziel ist, sondern deren Kühlung.

Bei der Zwischenkühlung durch Konvektionskühlung werden die Werkstücke durch Anblasen mit Luft, speziellen Gasen, Sprühnebel oder Anstrahlen mit Flüssigkeiten gekühlt. Es sind Verfahren und Anlagen möglich, bei denen die Werkstücke im Durchlauf gekühlt werden und solche bei denen die Kühlung im Stillstand erfolgt. Wie bei der Kontaktkühlung ist es auch bei der Konvektionskühlung denkbar, dass die Werkstücke bzw. Platinen sowohl gleichmäßig als auch partiell unterschiedlich gekühlt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet auch die Verwendung und Bearbeitung von gefügten Platinen oder von Platinen mit partiell unterschiedlichen Dicken.

Bei der Konvektionskühlung ist es vorteilhaft, wenn sich an der Oberfläche der angeströmten Platinen turbulente Strömungen bilden. Dadurch wird die Kühlwirkung verbessert. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den, anhand der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Figur 1 Prinzip einer Anlage für das erfindungsgemäße Verfahren zum Formhärten mit Zwischenkühlung durch Konvektion Figur 2 Prinzip einer Anlage für das erfindungsgemäße Verfahren zum Formhärten mit Zwischenkühlung durch Kontakt

Figur 3 Ausführungsbeispiel 1 einer Kontaktkühlung

Figur 4 Ausführungsbeispiel 2 einer Kontaktkühlung Figur 5 Ausführungsbeispiel 3 einer Kontaktkühlung

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Formhärten mit einer Zwischenkühlung durch Konvektion. Dabei wird zunächst eine Platine 1 von einem Platinenstapel 2 abgehoben und in einen Ofen 3 zugeführt. Der Transport der Platine 1 in den Ofen 3 und auch in die im Folgenden beschriebenen

Bearbeitungsstationen erfolgt mit marktüblichen im Stand der Technik bekannten Teiletransportsystemen . Der Ofen 3 kann beispielsweise als Rollenherdofen ausgeführt werden. Um eine Austenitisierung zu erreichen muss die Platine 1 bei Durchlaufen des Ofens 3 auf eine ausreichende Temperatur erhitzt werden. Anschließend wird die Platine 1 nicht wie beim konventionellen direkten Formhärten in ein kühlbares Umformwerkzeug eingelegt, sondern sie durchläuft eine Zwischenkühlungsstation 4. Die Zwischenkühlstation 4 besteht aus einer oder mehreren Kühlstufen 5, bei denen Luft oder spezielle Gase durch eine oder mehrere Öffnungen auf die Platine 1 geblasen werden und so eine Kühlwirkung erzielen. Diese Öffnungen können unterschiedliche Formen haben. Sie können beispielsweise als Bohrungen ausgeführt werden, aber auch alle anderen geometrischen Formen sind denkbar. Ebenfalls können in die Kühlstufen 5 Düsen eingebaut werden um die Kühlwirkung zu verbessern. Auch linienförmige Öffnungen sind denkbar, allerdings weisen diese häufig ungünstige Strömungsbedingungen auf.

Nachdem die Platine 1 die Zwischenkühlungsstation durchlaufen hat, wird sie in eine Umformpresse 6 eingelegt. Schematisch dargestellt sind in Figur 1 ein Stößel 7 mit einem

Oberwerkzeug 8 sowie ein Tisch 9 mit einem Unterwerkzeug 10. Bei der Umformpresse 6 handelt es sich in der Regel um eine hydraulische Presse, weil der Stößel 7 mit dem Oberwerkzeug 8 im unteren Umkehrpunkt mehrere Sekunden stehen bleiben muss. Neben hydraulischen Pressen können diese Anforderung auch Servopressen oder Kniehebelpressen erfüllen und sind somit auch für diese Formhärteverfahren geeignet. Nachdem die zwischengekühlte Platine 4 in das Unterwerkzeug 10 der Umformpresse 6 eingelegt wurde, bewegt sich der Stößel 7 mit dem Oberwerkzeug 8 nach unten und formt die Platine 4 zu deren Endkontur um. Nach Beenden des Umformvorganges bleibt das Werkzeug 8, 10 zunächst in geschlossenem Zustand. Während dieser Zeit wird die umgeformte Platine 4 so lange und so schnell gekühlt, bis sich im umgeformten Werkstück das gewünschte Gefüge einstellt. Durch die Abkühlung im geschlossenen Werkzeug 8, 10 bleibt die Form des Werkstückes stabil und es werden sehr gute Genauigkeiten am umgeformten Werkstück erreicht. Die Kühlung im Werkzeug 8, 10 erfolgt in der Regel mittels sich im Unterwerkzeug 10 und im Oberwerkzeug 8 befindliche Kühlkanäle. Die Zeitdauer der Kühlung in geschlossenen Werkzeug 8, 10 verringert sich beim erfindungsgemäßen Formhärteverfahren gegenüber den konventionellen Formhärteverfahren erheblich, weil aufgrund der Kühlung in der Zwischenkühlungsstation, die Wärmeenergie, welche im Kühlwerkzeug 8, 10 abgeführt werden muss, deutlich reduziert wird. Nachdem das umgeformte Werkstück eine gewünschte Temperatur erreicht hat, wird das umgeformte Werkstück aus der Umformpresse 6 entnommen und abgestapelt.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Formhärten mit einer Zwischenkühlung durch Kontakt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel durch die Art der Zwischenkühlung. Bei der Zwischenkühlungsstation 4 in Figur 2 handelt es sich um eine Kontaktkühlung. Dabei wird die Platine 1 durch den Kontakt mit Kühlrollen 11 gekühlt. Die Kühlrollen 11 sind in diesem Beispiel paarweise angeordnet. Die Paare von Kühlrollen 11 spannen die Platine 1 ein. Mindestens eines der

Kühlrollenpaare wird angetrieben, so dass die Platine 1 durch die Zwischenkühlstation 4 hindurchbefördert wird. Der Anpressdruck und die Form der Kühlrollen beeinflussen dabei die Kühlleistung. Als Kühlmedium zur Wärmeabfuhr aus den Kühlrollen 11 kommen prinzipiell alle gängigen Kühlmedien in Frage .

In Figur 3, Figur 4 und Figur 5 sind unterschiedliche Varianten für die Anordnung der Kühlrollen 11 dargestellt. Bei der Anordnung in Figur 3 wird die Platine 1 von zwei kleineren Kühlrollen 13 gegen eine Kühlrolle 12 mit großem Durchmesser gedrückt. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Platine 1 die Kühlrolle 12 über einen großen Umschlingungswinkel berührt. Dadurch garantiert diese Anordnung eine gute Kühlleistung.

In Figur 4 ist eine Kühlrollenanordnung dargestellt, welche der in Figur 2 entspricht. Die Kühlrollen 11 sind dabei paarweise angeordnet und üben von beiden Seiten eine Anpresskraft auf die Platine 1 aus. Hierdurch sind hohe Anpresskräfte möglich, welche eine gute Kühlleistung garantieren.

Figur 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Anordnung der Kühlrollen. Im Unterschied zur Anordnung in Figur 4 sind die sich gegenüber liegenden Kühlrollen 14 versetzt zueinander angeordnet. Dadurch ergeben sich zwischen Platine und Kühlrollen größere Berührungsflächen, was sich vorteilhaft auf die Kühlleistung auswirkt.

Die Erfindung ist nicht auf dargestellte oder beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch Weiterbildungen der Erfindung im Rahmen der Schutzrechtsansprüche .

B C l Tezugszeichenliste

1 Platine

2 Platinenstapel 3 Ofen

4 ZwischenkühlungsStation

5 Kühlstufen

6 Umformpresse

7 Stößel 8 Oberwerkzeug

Tisch

10 Unterwerkzeug

11 Kühlrollen

12 Kühlrollen 13 Kühlrollen

14 Kühlrollen