DE102014213688A1 - Hot forming tool with integrated punching or riveting unit for joining fasteners - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Warmformwerkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung von Blechbauteilen mit mindestens zwei Werkzeughälften zu Härten eines zu bearbeitenden Blechbauteils oder zum Umformen und Härten eines zu bearbeitenden Blechbauteils, wobei eine Fügeeinrichtung zum Einbringen eines Verbindungselements in das Blechbauteil, vor dem Härten des Blechbauteils.The invention relates to a thermoforming tool and a method for producing sheet metal components with at least two mold halves for hardening a sheet metal component to be machined or for forming and hardening a sheet metal component to be machined, wherein a joining device for introducing a connecting element into the sheet metal component, before curing of the sheet metal component.
Description
Die Erfindung betrifft ein Warmformwerkzeug zur Herstellung von Blechbauteilen mit mindestens zwei Werkzeughälften zum Härten eines zu bearbeitenden Blechbauteils oder zum Umformen und Härten eines zu bearbeitenden Blechbauteils. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von warmumgeformten Blechbauteilen.The invention relates to a thermoforming tool for producing sheet metal components with at least two tool halves for hardening a sheet metal component to be machined or for forming and hardening a sheet metal component to be machined. Moreover, the invention relates to a method for the production of hot-formed sheet metal components.
Im heutigen Automobilbau erhöht sich der Komfort für die Fahrzeuginsassen zunehmend, durch den Einsatz von Sonderausstattungen. Diese umfassen viele elektromechanische Bauteile wie Sensoren, Motoren, Aktuatoren, und dienen dazu dem Fahrer die Fahraufgabe zu erleichtern. Gleichzeitig mit dem Komfortzuwachs erhöht sich jedoch auch das Fahrzeuggewicht. Um dem entgegen zu wirken, wird im Stand der Technik versucht, die Strukturbauteile der Karosserie gewichtsreduziert auszugestalten.In today's automotive industry, the comfort for the vehicle occupants increases increasingly by the use of special equipment. These include many electromechanical components such as sensors, motors, actuators, and serve the driver to facilitate the driving task. However, as the comfort increases, so does the vehicle weight. In order to counteract this, it is attempted in the prior art to design the structural components of the body in a weight-reduced manner.
Die Strukturbauteile der Karosserie sind nicht nur maßgeblich an der Stabilität des Fahrzeugs beteiligt, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Sicherheit im Crash-Fall. Um diesen Zielkonflikt zwischen Reduktion des Bauteilgewichts von Strukturbauteilen bei gleichzeitiger Beibehaltung bzw. Realisierung hoher mechanischer Kennwerte aufzulösen, hat es sich in der Vergangenheit bewährt, Strukturbauteile mittels Warmumformung herzustellen. Warmumformprozesse sind in der Literatur auch als Formhärten oder Presshärten beschrieben.The structural components of the body are not only significantly involved in the stability of the vehicle, but also play a crucial role in safety in the event of a crash. In order to resolve this conflict of interest between reduction of the component weight of structural components while retaining or realizing high mechanical characteristics, it has proved useful in the past to produce structural components by means of hot forming. Hot forming processes are also described in the literature as mold hardening or press hardening.
Zur Herstellung formgehärteter Bauteile, insbesondere zur Herstellung von Karosseriebauteilen sind zwei prinzipiell unterschiedliche Verfahren bekannt. Bei dem direkten Warmumformverfahren wird zunächst eine Platine in einem Ofen auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls erwärmt und in einem Werkzeug anschließend zeitgleich umgeformt und abgekühlt d. h. formgehärtet. In dem indirekten Warmumformverfahren wird aus einer Platine zuerst durch Kaltumformen ein fertig geformtes und beschnittenes Bauteil aus Stahl erzeugt. Dieses wird dann in einer Erwärmungsanlage auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls erwärmt und in einem Werkzeug anschließend durch rasches Abkühlen formgehärtet. In beiden Warmumformverfahren, wird die Platine oder ein bereits fertig geformtes und beschnittenes Bauteil aus Stahl im Anschluss an die Erwärmung auf die Austenitisierungstemperatur in dem Werkzeug thermomechanisch umgeformt, wobei die thermomechanische Umformung bei einer Temperatur oberhalb der Austinitisierungsendtemperatur Ac3 (ca. 830°C) bevorzugt zwischen 900 und 1100°C erfolgt. Die Abkühlung der umgeformten Werkstücke erfolgt mittels einer Kühlung, die sich in einem geschlossenen Werkzeugkörper befinden. Dadurch können Bauteile mit besonders hohen mechanischen Eigenschaften, insbesondere mit hohen Festigkeiten erzeugt werden. Hierbei ist es bekannt unbeschichtetes Blechmaterial oder Bleche mit einer Aluminium-Silizium Beschichtung im direkten Verfahren umzuformen. Ferner ist es auch bekannt Bleche mit einer Zinkbeschichtung im indirekten Verfahren umzuformen. Bleche mit einer Zinkeisenbeschichtung können sowohl im direkten wie auch im indirekten Verfahren umgeformt werden.For the production of form-hardened components, in particular for the production of body components, two principally different methods are known. In the direct hot forming process, a board is first heated in an oven to a temperature above the austenitizing temperature of the steel and then simultaneously formed and cooled in a tool d. H. form-hardened. In the indirect hot forming process, a finished molded and trimmed steel component is first produced from a board by cold forming. This is then heated in a heating plant to a temperature above the austenitizing temperature of the steel and then mold hardened in a tool by rapid cooling. In either hot stamping process, the blank or an already finished and trimmed steel part is thermo-mechanically deformed following heating to the austenitizing temperature in the tool, with thermo-mechanical forming preferably at a temperature above the final austinitization temperature Ac3 (about 830 ° C) between 900 and 1100 ° C takes place. The cooling of the formed workpieces by means of a cooling, which are located in a closed tool body. As a result, components with particularly high mechanical properties, in particular with high strengths, can be produced. It is known to form uncoated sheet metal or sheets with an aluminum-silicon coating in the direct process. Furthermore, it is also known to transform sheets with a zinc coating in the indirect process. Sheets with a zinc-iron coating can be formed both directly and indirectly.
Um eine Baugruppe zu erstellen, an der mindestens eines der Bauteile eine warmumgeformtes Blechbauteil ist, werden gemäß dem Stand der Technik erforderliche Verbindungselemente in einem nachgelagerten Arbeitsschritt auf das warmumgeformte Bauteil aufgeschweißt. Das Aufbringen eines Verbindungselements, in einem nachgelagerten Prozessschritt hat Nachteile dahingehend, dass zusätzliche Transportkosten von Presswerk (Warmumform-Werkzeug) zu der Schweißerei entstehen. Das externe Fügen in einem gesonderten Prozessschritt, z. B. mittels Widerstandsschweißen ist kostenintensiver als die im Werkzeug integrierte Technik, z. B. des Stanznietens. In der Praxis ist eine Kostenreduzierung bis zu 50% möglich. Daneben entsteht auch ein logistischer Mehraufwand für den Transport und die Lagerung der Bauteile. Bei dem Verschweißen des Verbindungselements mit dem Blechbauteil kommt es durch den thermischen Prozess zu einer Beschädigung der Blechbauteilbeschichtung. Diese Beschädigung bietet einen Angriffspunkt für Korrosion. In nachgeordneten Fertigungsschritten, muss diese beschädigte Stelle der Blechbauteiloberfläche wieder verschlossen werden, beispielsweise durch Verzinken jedes einzelnen Bauteils. Dieser Prozess ist aufwendig und kostenintensiv.In order to produce an assembly on which at least one of the components is a hot-formed sheet-metal component, according to the prior art, required connection elements are welded onto the hot-formed component in a downstream working step. The application of a connecting element in a downstream process step has disadvantages in that additional transport costs are incurred by the press shop (hot forming tool) to the welding shop. The external joining in a separate process step, for. B. by resistance welding is more expensive than the integrated technology in the tool, z. B. the punch rivet. In practice, a cost reduction of up to 50% is possible. In addition, there is also a logistical overhead for the transport and storage of the components. When the connecting element is welded to the sheet-metal component, the thermal process causes damage to the sheet-metal component coating. This damage provides a point of attack for corrosion. In downstream production steps, this damaged point of the sheet metal component surface must be closed again, for example by galvanizing each component. This process is complicated and costly.
Um diese Nachteile zum umgehend, werden Verbindungselemente als integrale Bestandteile der Blechbauteile ausgebildet, wie beispielsweise in der
Ausgehend von diesem Stand der Technik, macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe ein alternatives Warmformwerkzeug anzugeben sowie ein alternatives Verfahren zum Herstellen von warmumgeformten Bauteilen mit daran angeordneten Verbindungselementen anzugeben. Es ist eine besondere Aufgabe der Erfindung ein Warmformwerkzeug und ein Verfahren anzugeben, mit dem der Fertigungsaufwand wesentlich reduziert wird.Based on this prior art, it is an object of the present invention to specify an alternative thermoforming tool as well as an alternative method for producing thermoformed components with connecting elements arranged thereon. It is a particular object of the invention to provide a thermoforming tool and a method with which the production cost is substantially reduced.
Diese Aufgabe wird mit einem Warmformwerkzeug gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with a thermoforming tool according to independent claim 1 and a method according to independent claim 6. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Warmformwerkzeug zur Herstellung von Blechbauteilen mit mindestens zwei Werkzeughälften zum Härten eines zu bearbeitenden Blechbauteils oder zum Umformen und Härten eines zu bearbeitenden Blechbauteils vor. Dabei kann eine Fügeeinrichtung zum Einbringen eines Verbindungselements in das Blechbauteil, vor dem Härten des Blechbauteils vorgesehen sein. Die Erfindung eignet sich somit zur Anwendung im direkten oder im indirekten Warmumformverfahren. Bei dem indirekten Verfahren werden die Verbindungselemente bereits in dem vorgelagerten Prozess der Kaltumformung eingebracht, wobei dann allerdings im Warmumformwerkzeug, in dem das Bauteil gehärtet wird, entsprechende Aussparungen für die Verbindungselemente vorzusehen sind. Im indirekten Warmumformen erfolgt im Werkzeug keine weitere Umformung des Bauteiles, sondern nur eine Umwandelung des Gefüges, wodurch das Blechbauteil gehärtet wird. In diesem Fall ist das Warmumformwerkzeug ein Härtewerkzeug. Beim direkten Verfahren erfolgt im Warmumformwerkzeug nicht nur ein Härten, sondern auch eine Änderung der Bauteilgeometrie. Durch Vorsehen einer Fügeeinrichtung in oder unmittelbar an dem Warmformwerkzeug können Verbindungselemente unmittelbar während des Warmumformens an das Blechbauteil angebracht werden. Ein zusätzlicher, späterer Bearbeitungsschritt entfällt. Indem das Fügen vor dem Härten des Blechbauteils stattfindet, kann das Verbindungselement mit geringen Kräften und Kosten in das Blechbauteil eingebracht werden. To achieve this object, the invention proposes a thermoforming tool for the production of sheet metal components with at least two tool halves for hardening a sheet metal component to be machined or for forming and hardening of a sheet metal component to be machined. In this case, a joining device for introducing a connecting element into the sheet metal component, be provided before curing of the sheet metal component. The invention is therefore suitable for use in direct or indirect hot forming process. In the indirect method, the connecting elements are already introduced in the upstream process of cold forming, in which case, however, corresponding recesses for the connecting elements are to be provided in the hot forming tool in which the component is hardened. In indirect hot forming in the tool no further deformation of the component, but only a conversion of the structure, whereby the sheet metal component is cured. In this case, the hot forming tool is a hardening tool. In the direct method not only hardening takes place in the hot forming tool, but also a change of the component geometry. By providing a joining device in or directly on the thermoforming tool, connecting elements can be attached directly to the sheet-metal component during hot-forming. An additional, later processing step is eliminated. By joining takes place before curing of the sheet metal component, the connecting element can be introduced into the sheet metal component with low forces and costs.
Weiterhin kann die Fügeeinrichtung das Verbindungselement mit einer Fügegeschwindigkeit im Bereich von 1.000 mm/s bis 15.000 mm/s, bevorzugt im Bereich von 5.000 mm/s bis 13.000 mm/s und besonders bevorzugt mit 10.000 mm/s mit dem Blechbauteil verbinden. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Stabilität der Fügeverbindung sehr stark von der Prozessgeschwindigkeit bzw. von der Geschwindigkeit mit der das Fügeelement in das Blechbauteil eingebracht wird abhängt. Beim langsamen Setzen bei max. 100 mm/s kann es zu einem unerwünschten Aufstauchen des Fügeelements kommen. Dieser Mangel konnte durch eine Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit bzw. der Fügegeschwindigkeit behoben werden, wobei in dem angegebenen Bereich besonders gute Kennwerte der Fügeverbindung realisiert wurden. Die Eckwerte dieser Bereichsangaben, sollen explizit mit umfasst sein. Durch eine hohe Fügegeschwindigkeit kommt es zu einer kurzfristigen Temperatursteigung und dadurch zu einer verbesserten Fließfähigkeit der Fügeteilwerkstoffe. Durch die Fließfähigkeit wird der Werkstoff an der Rändelung des Bolzenschafts verdrängt und es kann ein hoher Formschluss erzielt werden.Furthermore, the joining device can connect the connecting element with a joining speed in the range of 1,000 mm / s to 15,000 mm / s, preferably in the range of 5,000 mm / s to 13,000 mm / s and particularly preferably 10,000 mm / s with the sheet metal component. Investigations have shown that the stability of the joint connection depends very much on the process speed or on the speed with which the joining element is introduced into the sheet metal component. When setting slowly at max. 100 mm / s may lead to an undesirable upsetting of the joining element. This deficiency could be remedied by increasing the process speed or the joining speed, whereby particularly good characteristic values of the joint connection were realized in the specified range. The basic values of these ranges are to be included explicitly. A high joining speed leads to a short-term increase in temperature and thus to an improved flowability of the joining part materials. Due to the flowability of the material is displaced at the knurling of the bolt shaft and it can be achieved a high positive locking.
Ferner kann die Fügeeinrichtung als Stanz- und/oder Nietvorrichtung ausgebildet sein. Die Verwendung einer Stanzvorrichtung bietet den Vorteil, dass selbststanzende Verbindungselemente wie selbststanzende Muttern oder Buchsen verwendet werden können, die ohne vorherige Bearbeitung des Blechbauteils, beispielsweis ohne Vorlochung, unmittelbar mit dem Blechbauteil gefügt werden können. Somit wird die Fertigungskomplexität weiter reduziert. Alternativ dazu kann das Blechbauteil vorgelocht werden, zur Aufnahme eines Verbindungselements. Nach dem Vorlochen des Blechbauteils können Einpresselemente, wie beispielsweise Muttern, Schrauben, Bolzen und/oder Stifte als Verbindungselement verwendet werden und in das Blechbauteil eingebracht werden.Furthermore, the joining device can be designed as a punching and / or riveting device. The use of a punching device has the advantage that self-piercing connection elements such as self-piercing nuts or bushings can be used, which can be joined directly to the sheet metal component without prior processing of the sheet metal component, for example without pre-punching. Thus, the manufacturing complexity is further reduced. Alternatively, the sheet metal component can be pre-punched, for receiving a connecting element. After pre-punching the sheet metal component, press-in elements such as nuts, screws, bolts and / or pins can be used as a connecting element and be introduced into the sheet metal component.
Zusätzlich kann das Warmformwerkzeug eine Bevorratungseinrichtung aufweisen, in der Fügeelemente gelagert sind, wobei aus der Bevorratungseinrichtung Fügeelemente zu der Fügeeinrichtung überführbar sind. Die Bevorratungseinrichtung kann dabei als Magazin ausgebildet sein, in der die genannten Verbindungselemente gelagert sind. Über eine Zuführeinrichtung kann das Magazin mit dem Warmformwerkzeug verbunden sein, so dass Verbindungselemente zugeführt werden können. Dadurch kann ein hoher Grad an Automatisierung erreicht werden, wobei beim Warmumformen eines Blechbauteils selbsttätig eine vorbestimmte und gewünschte Anzahl an Verbindungselementen der Fügeeinrichtung des Warmformwerkzeugs zugeführt wird, um mit dem Blechbauteil verbunden zu werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können auch mehrere Bevorratungseinrichtungen vorgesehen sein, wobei in jeder Bevorratungseinrichtung eine Sorte von Fügeelementen gelagert ist. Dadurch können verschiedene Fügeelemente an einem Blechbauteil während eines Umformvorgangs angeordnet werden.In addition, the thermoforming tool can have a storage device in which joining elements are mounted, wherein joining elements can be transferred from the stocking device to the joining device. The storage device can be designed as a magazine in which the said connecting elements are mounted. Via a feed device, the magazine can be connected to the thermoforming tool, so that connecting elements can be supplied. Thereby, a high degree of automation can be achieved, wherein when hot forming a sheet metal component automatically a predetermined and desired number of connecting elements of the joining device of the thermoforming tool is supplied to be connected to the sheet metal component. In a further embodiment of the invention, a plurality of storage devices may also be provided, wherein a sort of joining elements is mounted in each storage device. As a result, different joining elements can be arranged on a sheet metal component during a forming process.
Darüber hinaus kann die Fügeeinrichtung mit einem Elektromotor betrieben werden. Es hat sich herausgestellt, dass mit Hilfe von Elektromotoren hohe Prozessgeschwindigkeiten beim Fügen der Fügeelemente mit dem Blechbauteil erzielen lassen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Schlagzylindern, die mit Druckluft betrieben werden.In addition, the joining device can be operated with an electric motor. It has been found that with the help of electric motors high process speeds can be achieved when joining the joining elements with the sheet metal component. This is a significant advantage over known from the prior art impact cylinders that are operated with compressed air.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Blechbauteilen mit einem Warmformwerkzeug wie im Vorhergehenden beschrieben bei dem das Blechbauteilen zwischen mindestens zwei Werkzeughälften des Warmformwerkzeugs gehärtet oder zwischen zwei Werkzeughälften umgeformt und gehärtet wird. Bei dem Verfahren kann vor dem Härten des Blechbauteils ein Verbindungselement mit dem Blechbauteil gefügt werden.In a further aspect, the invention relates to a method for producing sheet metal components with a thermoforming tool as described above in which the sheet metal components are hardened between at least two tool halves of the thermoforming tool or formed and hardened between two mold halves. In the method, a connecting element may be joined to the sheet metal component before the sheet metal component is hardened.
Zudem kann zum Fügen des Verbindungselements mit dem Blechbauteil das Verbindungselement mit einer Fügegeschwindigkeit im Bereich von 1.000 mm/s bis 15.000 mm/s, bevorzugt im Bereich von 5.000 mm/s bis 13.000 mm/s und besonders bevorzugt mit 10.000 mm/s mit dem Blechbauteil verbindet wird. Hieraus ergeben sich die bereits mit Bezug zu dem Warmformwerkzeug genannten Vorteile. In addition, for joining the connecting element with the sheet metal component, the connecting element with a joining speed in the range of 1,000 mm / s to 15,000 mm / s, preferably in the range of 5,000 mm / s to 13,000 mm / s and particularly preferably 10,000 mm / s with the Sheet metal component is connected. This results in the advantages already mentioned with reference to the thermoforming tool.
Darüber hinaus kann das Fügeelement mit einer als Stanz- und/oder Nietvorrichtung ausgebildeten Fügeeinrichtung eingebracht werden.In addition, the joining element can be introduced with a joining device designed as a punching and / or riveting device.
Die Fügeelemente können in einer Bevorratungseinrichtung gelagert sein und aus der Bevorratungseinrichtung zu der Fügeeinrichtung überführt werden.The joining elements can be stored in a storage device and transferred from the storage device to the joining device.
Im Sinne dieser Erfindung, können insbesondere die folgenden Bauteile als Verbindungselemente eingesetzt werden: Selbsstanzende Muttern, Taumel- oder Pressnietelemente, Anschlagbolzen, Mehrstufennieten, Nietmuttern, Einpressmuttern, Einpressbolzen (wahlweise mit Gewinde oder ohne Gewinde als Führungsstift), Kugelnietbolzen (geeignet für besonders hohe Belastungen), Führungsstifte mit Splintnut, Elemente mit Innen oder Aussengewinde, Abstandshalter mit Gewinde, Einpressbolzen mit Gewinde, Einpressbolzen mit doppelseitigem Gewinde, Grobgewindebolzen, Hohe Mutter bzw. Abstandshalter, geschlossene Muttern, Nietmutter mit Dichtfunktion und Innen-Außengewinde, Kombinationsmutter mit Abstandshalern oder Führungsbuchse (Innen und Aussenführung) Doppel-Niet-Achsbolzen für die Herstellung von Lagerstellen oder als Distanz, selbststanzende Bolzen/Nietbolzen, Einpressschrauben mit übergroßem Kopf, im Blech verliergesicherte jedoch drehbare Schrauben/Muttern. In einem warmumgeformten Blechbauteil könnenFor the purposes of this invention, in particular the following components can be used as connecting elements: self-piercing nuts, wobble or Pressnietelemente, stop bolts, multi-stage rivets, rivet nuts, Einpressmuttern, Einpressbolzen (either threaded or unthreaded as a guide pin), Kugelietbolzen (suitable for particularly high loads ), Split pin guide pins, female or male threaded fasteners, threaded spacers, threaded studs, double-threaded studs, coarse-threaded studs, high nut or spacers, closed nuts, self-clinching rivet nut and female internal thread, combination nut with spacers or guide bushing ( Inner and outer guide) Double rivet axle bolts for the production of bearing points or as a distance, self-piercing bolts / rivet bolts, press-in screws with oversized head, but self-locking screws / nuts that are lost in the sheet metal. In a hot-formed sheet metal component can
Mit der Erfindung kann ein optimaler Prozessablauf mit einem sehr geringen Fertigungskomplexität erzeugt werden, da die Verbindungstechnik direkt in dem Warmumformprozess integriert ist. Gesonderte Transporte, Umverpackungen, Zwischenlagerungen sind nicht notwendig. Zudem entstehen auch keine Beschädigungen an der Oberfläche des Blechbauteils, wodurch sich ein optimaler Korrosionsschutz ergibt.With the invention, an optimal process flow can be generated with a very low manufacturing complexity, since the connection technology is integrated directly in the hot forming process. Separate transports, outer packaging, intermediate storage are not necessary. In addition, no damage to the surface of the sheet metal component, which results in optimal corrosion protection.
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| DE102014213688.1A Pending DE102014213688A1 (en) | 2014-07-15 | 2014-07-15 | Hot forming tool with integrated punching or riveting unit for joining fasteners |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102014213688A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024094407A1 (en) * | 2022-11-02 | 2024-05-10 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Method for producing a press-hardened shaped sheet-metal part with a press-in element and press-hardened shaped sheet-metal part with a press-in element |
| DE102023105866A1 (en) | 2023-03-09 | 2024-09-12 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Method for producing a press-hardened sheet metal component and sheet metal component with a press-fit element |
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-
2014
- 2014-07-15 DE DE102014213688.1A patent/DE102014213688A1/en active Pending
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