DE19653543A1

DE19653543A1 - Verfahren zum Herstellen eines Blechformteiles durch Tiefziehen

Info

Publication number: DE19653543A1
Application number: DE19653543A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schiesl; Hans-Wilhelm Prof Dr Bergmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-06-25
Also published as: WO1998028097A1; EP0946311B1; EP0946311A1; US6185977B1; DE59702545D1; JP2001506543A; ES2151299T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines entsprechend den Festigkeits- bzw. Steifigkeitsanforderungen unterschiedliche Materialstärken aufweisenden Blechformteiles durch Tiefziehen.

Das gattungsgemäße Herstellungsverfahren dient insbesondere dem Leichtbau und findet in besonderer Weise bei der Herstellung von Fahrzeugkarosserien Anwendung. Während es nämlich bisher üblich war, ein Blechformteil in seiner Dicke nach dem Bereich/Abschnitt der höchsten mechanischen Anforderungen auszulegen, ist man mittlerweile dazu übergegangen, bezüglich der Materialstärken im Hinblick auf die lokal unterschiedlichen Steifigkeitsanforderungen zu differenzieren.

Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in der DE 43 07 563 C2 beschrieben. Das Patent erläutert ein Verfahren zum Fertigen eines Blechstrukturteiles, das partiell eine Mehrfachblechstruktur, bestehend aus einem Grundblech und stellenweise einem damit verbundenen Verstärkungsblech oder mehreren Verstärkungsblechen, aufweist, wobei das Grundblech und das Verstärkungsblech oder die Verstärkungsbleche gemeinsam tiefgezogen werden. Dabei wird das Verstärkungsblech bzw. werden die Verstärkungsbleche vor dem gemeinsamen Tiefziehen zumindest teilweise am Grundblech befestigt und nach dem Tiefziehen unlösbar mit dem Grundblech verbunden.

Eine entsprechende Vorgehensweise ist in der Patentanmeldung DE 42 28 396 A1 beschrieben, bei der neben einer partiellen Steifigkeitserhöhung das weitere Ziel verfolgt wird, die schwingungsfähige Masse ebener oder gering verformter Blechteilbereiche zu verringern, um damit die Eigenfrequenzen zu erhöhen.

Dem vorstehend erwähnten Stand der Technik haftet der Nachteil an, daß bei einer solchen Vorgehensweise bezüglich Fertigung und Logistik ein hoher Aufwand betrieben werden muß, der entsprechend kostenintensiv ist.

Die EP 0 486 093 B1 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Verstärkung von Teilbereichen eines Formteiles mittels eines verstärkenden Strukturgliedes erfolgt das von einem zu bedeckenden Plattenkörper getrennt verformt wird und erst anschließend mit dem ebenfalls fertig geformten Plattenkörper verbunden wird. Bei dieser Vorgehensweise ist der Formgebungsprozeß kompliziert und aufwendig.

Der Vollständigkeit halber wird noch auf die DE 41 04 256 A1 verwiesen. Dort wird insbesondere am Beispiel von Karosserieteilen für Personen- und Lastkraftwagen erläutert, wie hochbelastete lokale Bereiche (Scharnieraufnahmen, Schloßverstärkungen, Ansatzbereiche für Holme oder sonstige tragende Teile) wirkungsvoll verstärkt werden können. Im Ergebnis werden bei diesem Verfahren Formteile erstellt, die auch als sogenannte "tailored blanks" bekannt geworden sind (siehe hierzu auch VDI-Berichte Nr. 1002, 1993, Seite 45-51). In der letztgenannten Literaturstelle wird insbesondere am Beispiel eines Türinnenbleches gezeigt wie durch größere Blechdicken im Bereich der Scharnier- und Schloßbefestigung eine ausreichende Steifigkeit erzeugt werden kann. Die Gewichtsersparnis erbringt dabei ein zwischen dickeren Blechen eingebrachtes Dünnblech. Nachteilig an diesen Blechen ist die Tatsache, daß sie im Grunde genommen nur für Formteile verwendet werden können, die am fertigen Produkt nicht sichtbar sind. Beide vorgenannte Druckschriften stellen explizit auf Formkörper ab, die entweder selbst Innenteil eines Teileverbundes sind oder durch gesonderte Formteile auf einer inneren Teilfläche mit Störung der äußeren Oberfläche verstärkt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines entsprechend den Festigkeits- bzw. Steifigkeitsanforderungen unterschiedliche Materialstärken aufweisenden Blechformteiles bereitzustellen, welches kostengünstig und hinsichtlich des Formgebungsprozesses problemlos durchführbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ist in den Verfahrensmerkmalen gemäß Kennzeichen des Patentanspruches 1 zu sehen. Ein solchermaßen hergestelltes Blechformteil erfordert nur einen relativ geringen zusätzlichen fertigungstechnischen und logistischen Aufwand. Die Blechformteile zeichnen sind durch eine hohe Oberflächengüte und fließende Übergänge zwischen den Bereichen unterschiedlicher Materialstärken aus.

An sich ist es bereits aus der DE 23 32 287 B2 bekannt, zum Tiefziehen von Stahlblechen, insbesondere von Blechen aus austenitischen Stählen, eine Erwärmung im Bereich der Formgebung vorzusehen. Im Bereich der Kraftübertragung findet andererseits eine Kühlung statt. Die Wärmebehandlung dient insgesamt dem Zweck, das Tiefziehverfahren so zu gestalten, daß austenitische Stahlbleche umformbar sind. Eine über die Platinenoberfläche unterschiedliche Wärmebehandlung mit dem der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Ziel, entsprechend den Festigkeitsanforderungen unterschiedliche Materialstärken zu erhalten, findet nicht statt.

In der DE 44 25 033 A1 sind desweiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Drückumformen von Werkstücken beschrieben, wobei ein Werkstück in eine Spanneinrichtung eingespannt und durch zumindest ein Drückwerkzeug umgeformt wird. Insbesondere ist eine Laserstrahleinrichtung vorgesehen, durch die das Werkstück mit einem Laserstrahl beaufschlagt und erwärmt wird, um die Fließspannung zu senken und das Formänderungsvermögen zu verbessern. Die Umformtemperatur ist an unterschiedliche Materialien anpaßbar und regelbar. Dadurch kann eine lokale Erwärmung des Werkstückes in den Bereichen hoher Umformgrade erfolgen. Bei diversen Ausführungsbeispielen besteht auch die Möglichkeit, die Wandstärke des Werkstückes zu reduzieren, ohne daß darauf eingegangen wird, weshalb eine solche Reduzierung anzustreben ist.

In der DE 43 16 829 A1 ist desweiteren ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit Diodenstrahlung beschrieben, wobei eine Anpassung des Strahlprofiles an den Bearbeitungsprozeß erfolgen kann. Als Anwendungsmöglichkeiten werden angegeben: Umformen und Biegen eines Werkstückes, Laserstrahlbrennschneiden, Schweißen von Werkstücken, Beseitigen von Verunreinigungen oder Beschichtungen von Werkstücken, lokale Erwärmung zur Unterstützung einer spannabhebenden Werkstückbearbeitung und Löten von Werkstücken.

Durch die Verwendung hoch-, höher- und höchstfester Stahlbleche kann beispielsweise im Karosseriebau eine Reduzierung des Teilegewichtes erreicht werden. Da solche Stähle jedoch nur eine begrenzte Umformbarkeit besitzen, ist deren Einsatz häufig aufgrund funktionsbedingt erforderlicher Umformgrade in bestimmten Bereichen des tiefzuziehenden Teiles ausgeschlossen. Nach der Erfindung wird dieser Mangel dadurch behoben und eine weitere Reduzierung des Teilegewichtes durch unterschiedliche Materialstärken dadurch erreicht, daß über eine lokale Temperaturerhöhung vor oder während des Tiefziehens die Fließgrenze lokal abgesenkt und das Verfestigungs- und Formänderungsvermögen verändert wird. Damit kann erreicht werden, daß in den Bereichen, in denen funktionsbedingt hohe Festigkeiten/Steifigkeiten erforderlich sind, keine oder nur eine geringe Reduzierung der Materialstärke beim Umformen auftritt, während andererseits in den Bereichen, in denen keine oder geringere Festigkeits- /Steifigkeitsanforderungen gestellt werden, die Blechstärke während des Umformens relativ stark, d. h. auf das technisch zulässige Maß reduziert werden kann.

Je nach verwendetem Blechwerkstoff, Blechdicke und Teilegeometrie läßt sich ein unterschiedliches Fließverhalten z. B. durch die nachstehend aufgeführten Varianten erreichen.

Variante A

Eine lokale Erwärmung erfolgt nach einem der letzten Walzschritte; hierdurch entsteht ein Coil- oder Tafelblech, welches ein dem späteren Umformprozeß angepaßtes Formänderungsverhalten aufweist. Die lokale Änderung des Fließverhaltens wird werkstoffabhängig erreicht, nämlich

- bei gewalzten Stahlblechen der Qualität St 15 erfolgt eine lokale Reduzierung der Fließgrenze durch lokale Rekristallisation bzw. Erholung des Blechwerkstoffes,
- bei Dualphasenstählen (DP 500) erfolgt eine lokale Reduzierung der Fließgrenze durch lokale Veränderung des Martensit-, Ferritanteiles oder durch Änderung der Martensithärte der martensitischen Phasenbestandteile,
- bei ausscheidungsgehärteten Blechwerkstoffen erfolgt eine lokale Reduzierung der Fließgrenze durch lokale Überalterung bzw. Homogenisierung des Blechwerkstoffes

Variante B

Eine lokale Temperaturänderung erfolgt während oder unmittelbar vor der Umformung des Bleches zum Blechformteil im Tiefziehwerkzeug oder in einer dem Tiefziehwerkzeug vorgeschalteten Anwärm- bzw. Abkühlvorrichtung. Hierdurch wird in dem temperaturveränderten Bereich die Fließgrenze aufgrund deren Temperaturabhängigkeit und das Umformverhalten lokal verändert.

Variante C

Hier erfolgt die Umformung des Bleches in zwei Schritten. Nach einer ersten Verformung mit einem kleinen Umformgrad erfolgt die anschließende Endformung - nachdem die Eigenschaften des zu verformenden Bleches durch eine lokale Temperaturerhöhung entsprechend verändert wurden - mit einem hohem Umformgrad vor allem in den Bereichen, wo eine Materialstärken-Reduzierung angestrebt wird.

Normalerweise erfolgt in einem einfachen Zugversuch bei lokaler Erwärmung einer Zugprobe bevorzugt eine Einschnürung in dem beschriebenen Bereich, da die Streckgrenze wegen der erhöhten Temperatur absinkt, und so ein Bereich besonders starken Fließens entsteht.

Beim Zugversuch gelten folgende Zusammenhänge:

Dabei ist:
σ: Nennspannung
S₀: Ausgangsquerschnitt
F: Zugkraft
R_m: Zugfestigkeit
F_max: maximale Zugkraft
R_p: Dehngrenze, z. B. R_P0,2
ε: Dehnung
Δ L: Verlängerung
L₀: Anfangsmeßlänge
L: jeweilige Meßlänge

Da die bei der Einschnürung verrichtete mechanische Arbeit in Wärme umgewandelt wird, steigt die Temperatur weiter an, mit der Folge, daß die Verfestigung nicht in dem Maße steigen kann, wie die Fließspannung sinkt und es schließlich zum Versagen der Probe kommt. Stellt man hingegen in verschiedenen Bereichen gewisse Unterschiede in der Fließgrenze ein - z. B. 20% / 10% / 5% -, was durch gestaffelte Temperaturerhöhung erreicht werden kann, so kann dieses "normale", oben beschriebene Verhalten vermieden werden. Ziel der Varianten A, B und C ist die Einstellung von geringen Unterschieden in den Streckgrenzen mit unterschiedlichen Verfestigungsverhalten in den verschiedenen Bereichen.

Eine praktische Ausführung kann darin bestehen, daß der Blechwerkstoff nach einem der letzten Walzschritte durch eine lokale Erwärmung in einem Ofen mit unterschiedlichen Heizzonen mittels einer Brenneranordnung, induktiver Erwärmung oder durch Hochenergiestrahlquellen lokal in der Fließgrenze abgesenkt wird. Durch entsprechende Markierungen auf der Oberfläche des Bleches können die Bereiche, in denen die Festigkeit abgesenkt wurde, von der oder den Tiefziehpressen erkannt werden, so daß eine entsprechende Positionierung des Bleches im Umformwerkzeug möglich wird.

Eine praktische Ausführung zu den Varianten B und C kann darin bestehen, daß der Blechwerkstoff durch eine lokale Erwärmung unmittelbar vor der Umformung in einem Ofen mit unterschiedlichen Heizzonen mittels einer Brenneranordnung induktiv oder durch Hochenergiestrahlquellen lokal in der Fließgrenze verändert wird, oder dadurch, daß dies während der Umformung durch Einwirkung entsprechender Wärmequellen geschieht.

Denkbar wäre auch die Anwendung von Maßnahmen (z. B. Diodenstrahlung) entsprechend dem eingangs abgehandelten Stand der Technik.

Die mit den erfindungsgemäßen Verfahren einhergehenden Möglichkeiten zur Gestaltung unterschiedlicher Blechformteil-Festigkeiten und -Ma terialstärken sind noch erweiterbar, wenn die zum Blechformteil umzuformende Platine sich aus z. B. zwei gefügten (geschweißten) Teilblechen unterschiedlicher Stahlwerkstoffe und/oder unterschiedlicher Blechdicken zusammensetzt.

In der Zeichnung ist in Fig. 1a eine Blechplatine 1 mit einer Ausgangs-Blechdicke d₀ und mit mit unterschiedlicher Intensität wärmebehandelten Bereichen 1.1, 1.2, 1.3 dargestellt, während in Fig. 1b die zu einem Blechformteil 2 umgeformte Blechplatine 1 in Schnittdarstellung gezeigt ist, woraus ersichtlich wird, daß dabei auch Bereiche mit unterschiedlichen Blechdicken d1, d2 und d3 entstanden sind.

Fig. 2 zeigt anhand zweier Beispiele (Fig. 2a bzw. 2b) unterschiedliche Streckgrenzen mit unterschiedlichen Verfestigungsverhalten, wie sie nach der entsprechenden Wärmebehandlung in verschiedenen Bereichen der Blechplatine 1 auftreten. Gebiete, in denen beide Werkstoffbereiche plastisch fließen können, sind schraffiert. Verdeutlicht ist dies anhand von σ/ε-Schaubildern.

Ausgangssituation: In einem Werkstoff liegen nebeneinander zwei unterschiedliche Werkstoffzustände 1 bzw. 2 mit den unterschiedlichen Zugfestigkeiten R_m ¹ bzw. R_m ² und den Dehngrenzen R_p ¹ bzw. R_p ² vor.

In einem Werkstoff, der Werkstoffbereiche mit unterschiedlichen Zugfestigkeiten/Dehngrenzen besitzt, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein, damit beide Werkstoffbereiche bei einer vorgegebenen Spannung plastisch fließen können, ohne daß es dabei zum Bruch kommt:

Bedingungen:

1) R_p ² < R_p ¹ < σ
2) σ < minimum (R_m ², R_m ¹)
zu 1)
Die aufgebrachte Spannung muß größer sein als die höhere der beiden Dehngrenzen, damit sich beide Werkstoffbereiche plastisch verformen,
muß aber gleichzeitig
zu 2)
kleiner sein, als die kleinere der beiden Zugfestigkeiten, damit es nicht zum Versagen des Werkstoffs kommen kann.

In den Fig. 2a) und 2b) bedeuten:

: Bereiche möglicher auftretender Dehnungen bei Vorgabe einer Spannung innerhalb des zulässigen Bereichens Δ σ
1, 2: Werkstoffzustand 1 bzw. 2 mit R_m ¹ bzw. R_m ² und R_p ¹ bzw. R_p ²
Δ σ: Zulässiger Spannungsbereich, in dem beide Werkstoffbereiche plastisch fließen, ohne daß Werkstoffversagen eintritt
Δ ε_1,2: Zum zulässigen Spannungsbereich Δ σ gehörender Dehnungsbereich für Werkstoffbereich 1 bzw. 2

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines entsprechend den Festigkeits- bzw. Steifigkeitsanforderungen unterschiedliche Materialstärken aufweisenden Blechformteiles durch Tiefziehen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blechplatine (1), wie an sich bekannt, im Bereich der Formgebung erwärmt wird, wobei die Erwärmung zwecks Erreichen eines unterschiedlichen Werkstoff-Dehnungskoeffizienten über die Flächenerstreckung der Blechplatine (1) nur partiell oder mit unterschiedlicher Intensität erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer aus mindestens zwei gefügten Teilblechen unterschiedlicher Stahlwerkstoffe bestehenden Blechplatine (1).

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer aus mindestens zwei gefügten Teilblechen unterschiedlicher Blechdicken bestehenden Blechplatine (1).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung der Blechplatine (1) in mindestens zwei Schritten erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung zwischen zwei Umformschritten erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung nach einem der letzten Walzschritte und vor der weiteren Verarbeitung (Aufwickeln zu einem Coil, Herstellen von Blechplatinen) des Blechwerkstoffes erfolgt.