DE102018207488A1

DE102018207488A1 - Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils

Info

Publication number: DE102018207488A1
Application number: DE102018207488.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Kerscher; Markus Pfestorf
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-11-21
Also published as: US20190352734A1; CN110479846A; US11993824B2

Abstract

Die Erfindung betrifft 1 ein Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugstrukturbauteils, mit den Schritten:- Bereitstellen einer Basisstruktur (11) aus einem warmumformbaren Material,- Anordnen mindestens einer Verstärkungsstruktur (13) in einem zu verstärkenden Bereich der Basisstruktur (11),- Vor- oder Endfixieren der Verstärkungsstruktur (13) an der Basisstruktur (11), insbesondere durch eine stoffschlüssige Verbindung,- Kaltumformen der Basisstruktur (11) mit daran angeordneter Verstärkungsstruktur (13), und- Presshärten der Basisstruktur (11) mit daran angeordneter Verstärkungsstruktur (13).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils, insbesondere eines Kraftfahrzeugstrukturbauteils, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Um die aktuellen Anforderungen an Crashsicherheit zu erfüllen, werden Karosseriestrukturen zeitgenössischer Kraftfahrzeuge in speziellen Bereichen verstärkt. Durch die lokale Verstärkung kann in allen anderen Bereichen dünnwandigeres Material verwendet werden, so dass das Gesamtgewicht der Karosseriestruktur sinkt. Als Verstärkung im Karosseriegerippe einer Fahrzeugstruktur werden nur warmumgeformte bzw. pressgehärtete Stähle verwendet. Pressgehärtete Blechformteile, die bspw. als Strukturbauteile für Kraftfahrzeugkarosserien verwendet werden, und Verfahren zu deren Herstellung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beim Presshärten wird ein presshärtegeeignetes Stahlblechmaterial in einem Presshärtewerkzeug geformt und abschreckgekühlt, wodurch sich hohe Festigkeiten von bis zu 1600 MPa und mehr erzielen lassen. Im Seitenrahmen werden im Wesentlichen die A-Säule, die B-Säule sowie die Schwellerverstärkungen auf diese Weise hergestellt. Für das Presshärten können auch sogenannte Tailored Welded Blanks (TWB) verwendet werden. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass die verwendete Ausgangsplatine aus einzelnen miteinander verschweißten (oder gegebenenfalls auch verlöteten) Blechstücken bzw. Teilplatinen mit unterschiedlichen Blechdicken gebildet ist, wie bspw. in der DE 10 2004 054 795 B4 beschrieben. Bei pressgehärteten Bauteilen bzw. warmumgeformten Bauteilen kann für eine lokale Verstärkung nur ein Tailored Welded Blank verwendet werden oder eine Verstärkung mit Hilfe eines zusätzlichen Bauteils erzeugt werden.
Die Verwendung eines Tailored Welded Blanks verursacht je nach Ausprägung der erforderlichen Lasernaht entsprechend zusätzliche Kosten. Darüber hinaus schränkt die an dem Tailored Welded Blank vorhandene Laserschweißnaht die Gestaltungsfreiheit ein. Bei der alternativen Verwendung eines zusätzlichen Bauteils entstehen zusätzliche Bauteilkosten und zusätzliche Fertigungsaufwände, da ein weiteres Verstärkungsbauteil in dem Karosserieherstellprozess mit dem Strukturbauteil verbunden werden muss.
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein vereinfachtes Verfahren anzugeben, bei dem die Komplexität der einzelnen Verfahrensschritte reduziert ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Merkmal des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilehafte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den hiervon abhängigen Patentansprüchen angeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils, insbesondere eines Kraftfahrzeugstrukturbauteils, vor. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer Basisstruktur aus einem warmumformbaren Material, Anordnen mindestens einer Verstärkungsstruktur in einem zu verstärkenden Bereich der Basisstruktur, Vor- oder Endfixieren der Verstärkungsstruktur an der Basisstruktur, insbesondere durch eine stoffschlüssige Verbindung, Kaltumformen der Basisstruktur mit daran angeordneter Verstärkungsstruktur, und Presshärten der Basisstruktur mit daran angeordneter Verstärkungsstruktur. Kraftfahrzeugstrukturbauteile im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere Längsträger, Querträger, A-, B-, C-, D-Säulen, Schweller, Dachseitenrahmen, Dachspriegel usw.
Dies bietet den Vorteil, dass die Verstärkungsstruktur und die Basisstruktur gemeinsam umgeformt werden und so zwei Bauteile erzeugt werden, die absolut passgenau aufeinander liegen. Darüber hinaus sind diese Bauteile bereits stoffschlüssig, zum Beispiel durch Verschweißen, miteinander verbunden. Darüber hinaus kann gegenüber einer konventionellen mehrteiligen Lösung ein Werkzeugsatz eingespart werden. Selbstverständlich können an einer Basisstruktur mehrere Verstärkungsstrukturen angeordnet sein, wenn mehrere Bereiche der Basisstruktur verstärkt werden sollen. Diese Bereiche können miteinander zusammen hängen oder voneinander diskret getrennt sein.
Gemäß einer ersten Alternative des Verfahrens wird die Basisstruktur mit der Verstärkungsstruktur mittels einzelner Heftpunkte vorfixiert. Dies bietet den Vorteil eines beschleunigten Herstellungsverfahrens, wenn eine Vorfixierung der Basisstruktur zur lagegenauen Positionierung und Ausrichtung der Basisstruktur und der Verstärkungsstruktur zueinander ausreicht.
In einer zweiten Alternative des Verfahrens kann zum Endfixieren die Basisstruktur mit der Verstärkungsstruktur vollumfänglich entlang des Umfangs der Verstärkungsstruktur punktgeschweißt werden. Dies bietet den Vorteil, dass schon vor dem Umform- und Presshärteschritt eine vollständige endgültige Verbindung der Basisstruktur mit der Verstärkungsstruktur realisiert wird.
In beiden Verfahrensalternativen kann optional zwischen der Basisstruktur und der Verstärkungsstruktur vor dem Punktschweißen zusätzlich ein niedrig schmelzender Werkstoff eingebracht werden. Dieser Werkstoff schmilzt beim Presshärten auf und verbindet die Basisstruktur und die Verstärkungsstruktur beim Abkühlen flächig miteinander. Der Werkstoff kann als Platine, insbesondere als Klebstofffolie, Metallfolie, Zinkfolie oder temperaturbeständiger Kunststoff ausgebildet sein. Alternativ kann der Werkstoff auch als Paste, insbesondere als Lotpaste beispielsweise aus Kupfer oder Messing ausgebildet sein. In einer weiteren Alternative kann der Werkstoff pulverförmig ausgebildet sein. In allen vorher beschriebenen Alternativen kann anstatt einer durchgehenden, die Verstärkungsstruktur großflächig benetzenden/abdeckenden Folie oder Platine der Werkstoff auch lediglich abschnittsweise auf die Verstärkungsstruktur oder die Basisstruktur aufgebracht werden. Dabei werden in Bereichen, in denen die Basisstruktur und die Verstärkungsstruktur nach dem Fügen miteinander in berührendem Kontakt stehen sogenannte Werkstoffdepots angelegt. Hierbei werden Ansammlungen von Pulver oder Paste oder einzelne Werkstoffplatinen haftend auf die Basisstruktur oder die Verstärkungsstruktur aufgebracht. Dies kann bevorzugt in einem gewünschten Muster erfolgen. Beim Presshärten schmelzen diese Depots auf und erzeugen eine oder mehrere lokale Verbindungen zwischen den beiden Bauteilen. Durch Vorsehen dieses Werkstoffs kann die Bauteilsteifigkeit der Baugruppe gesteigert werden.
Weiterhin kann als warmumformbares Material für die Basisstruktur und/oder die Verstärkungsstruktur jeweils 22MnB5 oder 20MnB8 verwendet werden. 22MnB5 ist ein für die Warmumformung geeignetes Stahlmaterial, das jedoch hohe Abkühlgeschwindigkeiten benötigt. Zur Vermeidung von Mikrorissen durch das Umformen von Blechen mit Zink Beschichtung, ist es erforderlich, beim direkten Prozess eine Vorkühlung der Platine von ca. 900 °C auf ca. 600 °C durchzuführen. Gegenüber 22MnB5 bietet ein verzinkter Stahl der Güte 20MnB8 bei der Verwendung im Warmumformprozess den Vorteil, dass nicht so hohe Abkühlgeschwindigkeiten benötigt werden.
Weiterhin können die Basisstruktur und/oder die Verstärkungsstruktur eine Zink- oder eine Zinkeisenbeschichtung aufweisen. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik verwendeten Platinen mit einer Aluminiumsiliziumbeschichtung, bietet die verzinkte Oberfläche den Vorteil, dass die Zinkbeschichtung bzw. die Zinkeisenbeschichtung einen kathodischen Korrosionsschutz des Bauteils sicherstellt. Bevorzugt erfolgt das Umformen und Presshärten einer verzinkten Platine im zweistufigen indirekten Verfahren, wodurch sowohl die Blechoberfläche als auch das Presshärtewerkzeug weniger belastet sind.
Die Basisstruktur kann mit daran angeordneter Verstärkungsstruktur vor dem Presshärten auf eine Austentisierungstemperatur von im Wesentlichen 900 °C erwärmt und dann pressgehärtet werden. Dies bietet den Vorteil, dass sowohl die Basisstruktur wie auch die Verstärkungsstruktur gehärtet werden und sich somit in beiden Bauteilen ein vergleichsweise hartes Materialgefüge einstellt.
Gemäß des Verfahrens wird die Verstärkungsstruktur als Patch ausgebildet. Hierbei werden aus einer Ausgangsplatine ein oder mehrere Patches ausgeschnitten, die dann als Verstärkungsstruktur dienen.
In einer ersten Variante des Verfahrens wird die Basisstruktur als ein aus einer Ausgangsplatine ausgeschnittenes, im Wesentlichen flächiges Grundbauteil ausgebildet. Hierbei werden aus einer Ausgangsplatine ein oder mehrere Grundbauteile ausgeschnitten. An dieses Grundbauteil werden dann eine oder mehrere Verstärkungsstrukturen stoffschlüssig angeordnet.
In einer zweiten Variante des Verfahrens wird die aus der Ausgangsplatine ausgeschnittene Verstärkungsstruktur auf die Ausgangsplatine der Basisstruktur aufgeklebt, bevor die Basisstruktur aus dessen Ausgangsplatine ausgeschnitten wird.
Weiterhin kann nach dem Kaltumformen der Basisstruktur mit daran angeordneter Verstärkungsstruktur das so entstandene Halbzeug fertig beschnitten werden. Danach erfolgt lediglich das Aufheizen der Basisstruktur mit daran angeordneter Verstärkungsstruktur in einem Ofen auf eine Temperatur von im Wesentlichen 900 °C. Dies bietet den Vorteil, dass ein Beschnitt des Bauteils vor dem Aushärten und somit noch im Wesentlichen im weichen Zustand des Materials durchgeführt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann nach dem Presshärten zumindest die Basisstruktur auf eine gewünschte Randkontur final beschnitten werden. Dieser letzte Zuschnittschritt bringt den Vorteil, dass etwaiger Verzug beim Presshärten korrigiert werden kann.
Die Erfindung ermöglicht eine sehr gute Anpassung des Fahrzeugstrukturbauteils an die zu erwartete Belastung, da das Verstärkungsstruktur bzw. die Verstärkungsstrukturen gezielt nur dort aufgebracht werden kann/können, wo eine Verstärkung erforderlich ist. Bislang werden an belasteten Stellen bzw. in belasteten Bereichen große Blechdicken vorgesehen, wobei die betreffenden Bereiche aus verfahrenstechnischen Gründen zumeist flächengrößer sind, als es die tatsächliche Belastung erfordert. Die Erfindung bietet also sowohl für die Bauteilgestaltung als auch für die Herstellung mehr Freiheitsgrade. Ferner kann an der betreffenden Stelle (d. h. dort, wo wenigstens eine Verstärkungsstruktur aufgebracht wird) die Blechdicke des Grundbauteils reduziert werden, wodurch sich Gewichtseinsparungen ergeben. Die Möglichkeit der Blechdickenreduktion führt aber auch dazu, dass die Blechdickenunterschiede geringer sind, wodurch sich Vorteile beim Umformen und Presshärten ergeben, insbesondere im Hinblick auf die Werkzeuggestaltung. Die geringeren Blechdickenunterschiede haben aber auch Vorteile beim Erwärmen für das nachfolgende Presshärten. Zum einen verringert sich die benötige Erwärmungsenergie und -zeit. Zum anderen wird eine Überhitzung verhindert. Die Erwärmungszeit richtet sich nämlich nach dem dicksten Bereich mit der größten Blechdicke, sodass dünnere Bereiche mit kleineren Blechdicken überhitzen können.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert werden.
Dabei zeigen beispielhaft in schematischer Darstellung:

1 eine Basisstruktur gemäß einer ersten Variante des Verfahrens;
2 eine Platine mit mehreren Verstärkungsstrukturen;
3 eine Basisstruktur gemäß der ersten Verfahrensvariante mit daran angeordneten Verstärkungsstrukturen;
3a eine Basisstruktur gemäß der zweiten Variante der vorliegenden Erfindung;
4 Basisstrukturen mit daran angeordneten Verstärkungsstrukturen;
5 ein Kaltumformwerkzeug;
6 ein Halbzeug unmittelbar nach dem Kaltumformen;
7 den Aufheizprozess in einem Ofen; und
8 ein Presshärtewerkzeug.

1 zeigt eine Basisstruktur 11, hier als eine Ausgangsplatine ausgebildet. Auf der Platine sind Umrisse 12 markiert. Diese stellen beispielhaft Ausgangselemente zur Erzeugung von B-Säulen dar.
2 zeigt eine zweite Ausgangsplatine, auf der Verstärkungsstrukturen 13 erkennbar sind. Solche Verstärkungsstrukturen 13 werden als Patches aus der Platine erzeugt, beispielsweise durch Herausstanzen, Beschneiden, usw.
Gemäß einer ersten Verfahrensvariante, die in 3 dargestellt ist, werden die aus deren Ausgangsplatine herausgetrennten Patches 13 auf die Basisstruktur 11 bzw. die Ausgangsplatine, auf der die B-Säulenausgangselemente 12 angezeichnet sind, in vorbestimmten Bereichen aufgebracht. Solche vorbestimmten Bereiche bilden nach dem Umformen und Presshärten die Abschnitte der B-Säule aus, die besonders hohe mechanische Anforderungen erfüllen müssen. Das Aufbringen erfolgt indem die Verstärkungsstrukturen 13 auf die Basisstruktur 11 durch stoffschlüssiges Verbinden befestigt werden. Ein solcher Stoffschluss kann durch Schweißen, bevorzugt durch Punktschweißen, Kleben, Löten oder ähnliche Verfahren erfolgen. Nach dem Aufbringen der Verstärkungsstruktur 13 auf die Basisstruktur 11 werden aus der Ausgangsplatine die Umrisse 12 herausgestanzt oder herausgeschnitten. Die daraus erzeugten Halbzeuge sind in 4 abgebildet, bei denen die nun entstandene Basisstruktur 11' abgebildet ist, mit daran angeordneter Verstärkungsstruktur 13.
Gemäß einer zweiten Verfahrensvariante werden aus der in 1 gezeigten Ausgangsplatine 11 entlang der Konturlinien 12 ein oder mehrere Basisstrukturen 11' ausgeschnitten. Diese Basisstrukturen 11' sind in 3a abgebildet. Wie in der ersten Verfahrensvariante werden die Verstärkungsstrukturen 13 in vorbestimmten Bereich der Basisstruktur aufgeklebt, so dass sich die in 4 gezeigten Halbzeuge ergeben.
Mit anderen Worten unterscheiden sich die beiden Verfahrensvarianten dadurch, dass in der ersten Variante zuerst die Verstärkungspatches 13 auf die Ausgangsplatine geklebt werden und dann die Basisstrukturen 11 aus der Ausgangsplatine ausgeschnitten werden wobei in der zweiten Variante zuerst die Basisstrukturen 11' aus der Ausgangsplatine ausgeschnitten werden und dann die Verstärkungsstruktur 13 aufgebracht werden.
Dieses Halbzeug wird dann in einem Kaltumformschritt plastisch umgeformt. 5 zeigt ein solches Umformwerkzeug 15, das eine obere und eine untere Werkzeughälfte in Form einer Matrize und einer Patrize aufweist. Die in 4 dargestellten Halbzeuge werden zwischen die Werkzeughälften eingebracht und mechanisch umgeformt. Der so entstandene, dreidimensional umgeformte Bauteilrohling ist in 6 dargestellt. Dieser Rohling kann ggf. durch einen Beschnitt auf eine endkonturnahe Form oder auf eine Endkonturform gebracht werden.
Danach wird das dreidimensional kaltumgeformte Halbzeug gemäß 7 in einem Ofen oder in einer anderen geeigneten Aufheizvorrichtung erwärmt und auf eine Austenitisierungstemperatur im Bereich oberhalb der AC3-Temperatur von ca. 900 °C gebracht. Das derart aufgewärmte Halbzeug wird in einem Presshärtewerkzeug gemäß 8 eingebracht und abgekühlt. Das Presshärtewerkzeug 16 umfasst eine obere und eine untere Werkzeughälfte. Abschließend wird das pressgehärtete Halbzeug aus dem Presshärtewerkzeug 16 entnommen. Gegebenenfalls können sich noch mechanische Bearbeitungsschritte wie Entgraten Bohren, Beschneiden und dergleichen anschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004054795 B4 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Blechbauteils (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugstrukturbauteils, mit den Schritten: - Bereitstellen einer Basisstruktur (11) aus einem warmumformbaren Material, - Anordnen mindestens einer Verstärkungsstruktur (13) in einem zu verstärkenden Bereich der Basisstruktur (11), - Vor- oder Endfixieren der Verstärkungsstruktur (13) an der Basisstruktur (11), insbesondere durch eine stoffschlüssige Verbindung, - Kaltumformen der Basisstruktur (11) mit daran angeordneter Verstärkungsstruktur (13), und - Presshärten der Basisstruktur (11) mit daran angeordneter Verstärkungsstruktur (13).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vorfixieren die Basisstruktur (11) mit der Verstärkungsstruktur (13) mittels einzelner Heftpunkte punktgeschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Endfixieren die Basisstruktur (11) mit der Verstärkungsstruktur (13) vollumfänglich entlang des Umfangs der Verstärkungsstruktur (13) punktgeschweißt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Basisstruktur (11) und der Verstärkungsstruktur (13) vor dem Punktschweißen zusätzlich einen niedrig schmelzender Werkstoff eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als warmumformbares Material für die Basisstruktur (11) und/oder die Verstärkungsstruktur (13) jeweils 22MnB5 oder 20MnB8 verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur (11) und/oder die Verstärkungsstruktur (12) eine Zink- oder eine Zinkeisenbeschichtung aufweist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur (11) mit daran angeordneter Verstärkungsstruktur (12) vor dem Presshärten auf eine Austenitisierungstemperatur von im Wesentlichen 900 °C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (13) als Patch ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur (11) als ein aus einer Ausgangsplatine ausgeschnittenes, im Wesentlichen flächiges Grundbauteil (11') ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur (11) als Ausgangsplatine ausgebildet ist, aus der nach dem Vor- oder Endfixieren der Verstärkungsstruktur ein im Wesentlichen flächiges Grundbauteil ausgeschnitten wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Presshärten zumindest die Basisstruktur (11) auf eine gewünschte Randkontur beschnitten wird.