DE10339069A1

DE10339069A1 - Pressgehärtetes Bauteil mit einer Wölbstruktur

Info

Publication number: DE10339069A1
Application number: DE2003139069
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. Brodt (FH); Dieter Dipl.-Ing. Lange
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein metallisches Bauteil (3), insbesondere ein Strukturbauteil einer Fahrzeugkarosserie, das lokal eine erhöhte Steifigkeit aufweisen soll. Um eine hohe Bauteilfestigkeit zu erreichen, wird das Bauteil (3) aus einem höherfesten Stahl gefertigt. Zur Ausformung der dreidimensionalen Bauteilform kommt ein Warmumformverfahren zum Einsatz, im Zuge dessen das Bauteil (3) gehärtet wird. Während dieses Warmumformverfahrens wird eine lokale steifigkeitserhöhende Verformungsstruktur (13) in das Bauteil (3) eingeformt, die aus einem periodischen Gitter aneinandergrenzender Zellen besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Blech mit hoher Festigkeit, das in einem definierten, lokal begrenzten Versteifungsbereich mit einer steifigkeitserhöhenden Verformungsstruktur versehen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der DE 100 06 348 C2 als bekannt hervorgeht.

Aus der DE 100 06 348 C2 ist ein Strukturbauteil für eine Fahrzeugkarosserie bekannt, das in einem lokal begrenzten Versteifungsbereich mit einer Verformungsstruktur – bestehend aus einem periodischen Gitter aneinandergrenzender Zellen – versehen ist: Durch diese Verformungsstruktur, die mit Hilfe eines Ziehverfahrens in das Blech eingeformt wird, kann die lokale Steifigkeit des Bauteils gegenüber herkömmlichen Bauteilen erheblich erhöht werden.

Allerdings ist das Verfahren der DE 100 06 348 C2 nicht zur Herstellung von Bauteilen aus höherfesten Stählen (d.h. Stählen mit einer Festigkeit von > 500 MPa) geeignet: In diesem Fall kann aufgrund des starken Rücksprungverhaltens des Blechs die lokale Verformungsstruktur nicht mit Hilfe eines konventionellen Ziehverfahrens in das Blech eingebracht werden. Die Herstellung eines Bauteils aus einem höherfesten Blech, welches mit einer lokalen steifigkeitserhöhenden Verformungsstrukturen versehen ist, ist somit mit dem Verfahren der DE 100 06 348 C2 nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein aus der DE 100 06 348 C2 bekanntes Bauteil in einer solchen Weise zu verbessern, dass die Festigkeit des Bauteils erheblich erhöht ist, während das Bauteil gleichzeitig eine hohe lokale Steifigkeit aufweist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils bereitgestellt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst.

Danach wird das Bauteil aus einem höherfesten, warmumformbaren Stahl gefertigt, wobei die Ausformung der dreidimensionalen Bauteilform mit Hilfe eines Warmumformverfahrens erfolgt. Durch dieses Warmumformen (auch „Presshärten" genannt) wird das Bauteil (lokal oder als Ganzes) gehärtet, wodurch eine erhebliche Festigkeitserhöhung erreicht wird. Im Zuge des Presshärtens wird eine lokale steifigkeitserhöhende Verformungsstruktur in das Bauteil eingeformt, die aus einem periodischen Gitter aneinandergrenzender Zellen besteht.

Vorzugsweise besteht die Verformungsstruktur aus einem periodischen Muster flacher hexagonaler Beulen, welche in ihren Randbereichen, in denen sie an benachbarte Beulen angrenzen, mit Verrundungen versehen sind. Die Höhe, der Verrundungsradius und die flächige Ausdehnung der Beulen kann lokal variieren, so dass der durch die Beulen erreichte lokale Versteifungseffekt hochgenau auf die Bauteilanforderungen abgestimmt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine selektive Einstellbarkeit der lokalen Werkstoffkennwerte auf dem Bauteil: So kann die lokale Härte des Bauteils durch selektives Abschrecken der Beulenstruktur während des Warmumformens gezielt erhöht werden. Weiterhin kann die Härte des Bauteils lokal reduziert werden, indem diese Bereiche gezielt von der Abschreckung ausgespart werden (z.B. durch Vorsehen eines lokalen Luftspalts zwischen Ober- und Unterwerkzeug, der beim Abkühlen des Bauteils im Warmumformwerkzeug eine Abschreck-Härtung dieses Bereiches unterbindet). Auf diese Weise können gezielt „weiche" (d.h. ungehärtete) und „harte" (d.h. gehärtete) Bereiche auf ein und demselben Bauteil vorgesehen werden, während durch die Wahl der lokalen Verformungsstruktur gezielt steifere und weniger steife Bereiche auf dem Bauteil erzeugt werden können.

Weiterhin können durch die lokale Einstellung der Werkstoffkennwerte gezielte Falteigenschaften des Bauteils erreicht werden, so dass das Bauteil bei hohen Belastungen eine vordefinierte Biegung bzw. Faltung etc. erfährt. Dies spielt eine große Rolle bei Strukturbauteilen im Fahrzeugbau, z.B. bei Längsträgern, bei denen im Crashfall durch gezieltes Falten und Beulen des Bauteils die eingebrachte Energie abgebaut wird. Durch die steifigkeitserhöhende Verformungsstruktur, die im Zuge der Warmumformung in das Bauteil eingebracht wird, wird neben der (durch das Presshärten erreichten) Streckgrenzen- und Zugfestigkeitserhöhung auch eine Steifigkeitserhöhung des Bauteils erreicht, die eine Erhöhung des Kraftniveaus und der Energieaufnahme bei gleicher Blechdicke zur Folge hat.

Gegenüber anderen bekannten Verfahren zum Einbringen von periodischen Verformungsstrukturen in Bleche – wie z.B. der Wölbstrukturierung der DE 43 11 987 C1 – unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, dass es aufgrund des hohen Verformungsgrades beim Warmumformen eine erheblich größere Beulenhöhe gestattet. Außerdem können auch höherfeste Bleche mit größerer Blechdicke verarbeitet werden.

Ein Beispiel für ein mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellenden Bauteils ist ein Schweller für eine Fahrzeugkarosserie. Wird dieser Schweller aus einem hochfesten Blech mit Hilfe der Warmumformung hergestellt, und werden im Zuge der Warmumformung Bereiche des Schwellers mit einer steifigkeitserhöhenden Verformungsstruktur versehen, so kann auf die herkömmlicherweise am Schweller vorgesehenen Versteifungsbleche verzichtet werden, ohne dass Festigkeits- und Steifigkeitseinbußen in Kauf genommen werden müssen. Gegenüber einem herkömmlichen Schweller, der durch lokale Verstärkungsbleche versteift ist, kann also die Teilezahl reduziert werden, was mit erheblichen Gewichts- und Kosteneinsparungen verbunden ist.

Besonders vorteilhaft ist es, das Bauteil nach der Warmumformung durch ein Beschichtungsverfahren anzulassen (d.h. zu vergüten). Dadurch wird einerseits die Korrosionsfestigkeit des Bauteils erhöht, andererseits kann durch das Anlassen sowohl die Zugfestigkeit als auch die Streckgrenze gezielt beeinflusst werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigen:

1 einen Ausschnitt einer Fahrzeugkarosserie in einer Explosionsdarstellung;

2 eine Darstellung des Schwellers der 1;

3 eine Schnittansicht des Schwellers der 2 entlang der Linie III-III in 2;

4 eine Detailansicht der Wölbstruktur des Schwellers der 2 gemäß dem Ausschnitt IV in 2;

5 eine Schnittansicht durch die Wölbstruktur der 4 entlang der Linie V-V in 4.

1 zeigt einen Ausschnitt einer Fahrzeugkarosserie 1 in einer Explosionsdarstellung. Zur Versteifung und Festigkeitserhöhung der Karosserie 1 im unteren Türbereich 2 ein Schweller 3 vorgesehen, welcher als C-förmiges Profilteil ausgebildet ist und zwischen Bodengruppe 4 und Seitenwandbeplankung 5 eingefügt ist. Sicherheitstechnisch spielt im Falle eines Seitenaufpralls die Festigkeit und die Verwindungssteifigkeit des Schwellers 3 eine maßgebliche Rolle, weswegen der Schweller 3 in bezug auf seine Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften optimiert sein muss.
Der Schweller 3 ist einteilig ausgebildet und umfasst eine aufrechte Wange 6, von deren oberem und unterem Rand Flansche 7,8 in Fahrzeugrichtung abragen (siehe 2 und 3). Die oberen Flansche 8 sind im Bereich der A- und B-Säule 9,10 unterbro chen, so dass der Schweller in diesen Bereichen an ein A-Säulen-Innenteil bzw. ein B-Säulen-Innenteil aufgesetzt und mit diesen verbunden werden kann. Die Ränder der Flansche 7,8 sind mit aufrecht abragenden Fügeflanschen 11,12 versehen, im Bereich derer der Schweller 3 an die Bodengruppe 5 (bzw. an einen von der Bodengruppe 5 abragendes Innenschweller) angebunden wird. Im Bereich der aufrechten Wange 6 und der Flansche 7,8 ist der Schweller 3 mit einer steifigkeitserhöhenden Verformungsstruktur 13 versehen, die die Form eines hexagonalen Gitters flacher Beulen 14 aufweist (siehe 4 und 5). Die Beulen 14 der Verformungsstruktur 13 stoßen entlang eines hexagonalen Netzes von Berandungslinien 15 aneinander, die mit einem Radius 16 verrundet sind. Im Bereich der Fügeflansche 11,12 – sowie auch in weiteren Fügebereichen 17, in denen der Schweller 3 mit der Bodengruppe 2 oder mit weiteren Anschlussteilen verbunden wird – ist die Verformungsstruktur ausgespart; in diesen Bereichen 11,12,17 ist der Schweller somit näherungsweise eben und liegt in Zusammenbaulage mit dem Fügepartner 2 flächig auf diesem auf.
Zur Herstellung des Schwellers 3 wird eine Platine aus warmumformbarem Stahlblech verwendet. Diese Platine wird auf eine oberhalb der Umformtemperatur des Stahlwerkstoffs liegende Temperatur erwärmt, dann im Warmzustand bei mäßiger Werkzeugbeanspruchung in die gewünschte Form umgeformt und anschließend unter mechanischer Fixierung des gewünschten Umformzustands in dem geschlossenen Umformwerkzeug und/oder in einem anschließenden Fixierwerkzeug definiert abgekühlt und dadurch gezielt wärmebehandelt. Einzelheiten dieses Warmumformprozesses sind beispielsweise in der DE 100 49 660 A1 beschrieben.
Um den Schweller 3 nach Beendigung des Warmumformprozesses aus dem Umformwerkzeug entnehmen zu können, sind die Flansche 7,8 gegenüber der aufrechten Wange 6 um Winkel 18,19 geneigt, die kleiner als 90° sind (siehe 3). Die Winkel 18,19 müssen umso geringer gewählt werden, je größer die Höhe 20 der Beulen 14 im Bereich der Flansche 7,8 ist und je spitzer benachbarte Beulen 14 im Bereich ihrer Berandungen 15 aneinanderstoßen. Im Ausführungsbeispiel der 2 bis 5 beträgt die Beulenhöhe 20 zwischen 2 mm und 5 mm, während die Gitterkonstante 21 der Beulenstruktur zwischen 35 mm und 60 mm misst. Die Beulenhöhe 20 kann auch innerhalb des Verformungsbereiches 23 variieren, um eine räumlich variierende lokale Steifigkeit zu erhalten. Die Berandung 15 ist im Bereich der aufrechten Wange 6 mit einem Radius 16 von 7 mm verrundet, während der Verrundungsradius 16 im Bereich der Flansche 7,8 40 mm beträgt. Die „flache" Verrundung im Flanschbereich 7,8 hat zur Folge, dass die Flansche 7,8 mit einem verhältnismäßig großen Winkel 18,19 gegenüber der aufrechten Wange abgeknickt sein kann, ohne die Entnahme des Schwellers 3 aus dem Umformwerkzeug zu beeinträchtigen.
Im Bereich der aufrechten Wange 6 des Schwellers 3 sind mehrere (im Ausführungsbeispiel der 2 zwei) Trennbereiche 22 vorgesehen, die frei von einer Verformungsstruktur 13 und näherungsweise eben sind. Sinn dieser Trennbereiche 22 ist es, die Reparatur des Schwellers 3 im Falle von Beschädigungen zu erleichtern: Um ein einfaches Trennen und Fügen zu ermöglichen, werden diese Trennbereiche 22 während des Warmumformens gezielt von der Härtung ausgespart; sie befinden sich daher beim fertigen Schweller 3 noch in der ungehärteten Werkstoffstruktur. Werden Teile des Schwellers 3 – beispielsweise der zwischen den Trennbereichen 22 gelegene Mittelbereich 23 – im Zuge eines Crashs beschädigt, so kann (durch Schnitte im Bereich dieser Trennbereiche 22) der beschädigte Mittelbereich 23 aus dem Schweller 3 herausgetrennt und durch einen neuen Mittelbereich 23 ersetzt werden, der im Bereich der Trennbereiche 22 mit dem Vorderbereich 24 und dem Hinterbereich 25 des Schwellers 23 verbunden wird. Da die Trennbereiche 22 eine ungehärtete Werkstoffstruktur aufweisen, kann das Durchtrennen des Schwellers 3 in diesen Bereichen 22 verschleißarm mit Hilfe herkömmlicher Schneidewerkzeuge erfolgen; weiterhin kann das Ersatz-Mittelteil 23 mit Hilfe herkömmlicher Fügeverfahren (z.B. Punktschweißen) an den Vorder- und den Hinterbereich 24,25 des Schwellers 3 angefügt werden. – Alternativ zur selektiven Aus sparung der Trennbereiche 22 während des Härteverfahrens kann auch zunächst der gesamte Schweller 3 gehärtet werden, und anschließend können die Trennbereiche 22 einer lokalen Wärmebehandlung unterworfen, im Zuge derer die Härte dieser Bereiche reduziert wird.
Während der Schweller 3 im Ausführungsbeispiel der 2 bis 5 mit einer Verformungsstruktur 13 aus einem hexagonalen Muster aneinandergrenzender Beulen 14 versehen ist, so sind prinzipiell die unterschiedlichsten (periodischen) Verformungsstrukturen möglich: So können insbesondere Sickenfelder, Wabenstrukturen unterschiedlicher Geometrie, periodische Bombierungen sowie Kombinationen dieser Strukturierungen in das Blech eingebracht werden. Neben der in 4 gezeigten sechseckigen Verformungsstruktur 13 sind – neben Verformungsstrukturen beliebiger höherer Symmetrie – insbesondere auch dreieckige und quadratische Verformungsstrukturen möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren, in dem ein Bauteil im Zuge des Presshärtens mit einer gitterförmigen lokalen Verformungsstruktur versehen wird, lässt sich auf ein weites Spektrum unterschiedlicher Karosseriebauteile anwenden: So können insbesondere die Strukturbauteile des Fahrzeugrahmens mit Hilfe dieses Verfahrens festigkeits- und steifigkeitsoptimiert hergestellt werden. Weiterhin kann das Verfahren mit Vorteil an Dachrahmen für Fahrzeugkarosserien angewendet werden: Die Dachrahmen haben ein so hohes Gewicht, dass sie im Rohbau aufwendig gestützt werden müssen, um ein Durchhängen zu vermeiden. Werden diese Dachrahmen allerdings mit der erfindungsgemäßen steifigkeitserhöhenden Verformungsstruktur versehen, so kann die Eigensteifigkeit des Dachrahmens in einem solchen Maße erhöht werden, dass auf zusätzliche Stützwerkzeuge verzichtet werden kann.

Claims

Bauteil aus einem Stahlblech mit hoher Festigkeit, das in einem definierten, lokal begrenzten Versteifungsbereich mit einer steifigkeitserhöhenden Verformungsstruktur versehen ist, – wobei die Verformungsstruktur aus einem periodischen Gitter aneinandergrenzender Zellen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) durch ein Warmumformungsverfahren hergestellt ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest lokal Zugfestigkeitswerte von > 900 MPa, vorzugsweise > 1200 MPa aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungsstruktur (13) durch ein Gitter hexagonaler Beulen (14) gebildet sind, welche in ihren Randbereichen (15) mit Verrundungen (16) versehen sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) lokal begrenzte Bereiche (22) aufweist, in denen die Härte des Bauteils (3) lokal reduziert ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Schweller (3) für eine Fahrzeugkarosserie (1) ist.
Verfahren zur Herstellung eines metallischen Strukturbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils, welches mit einer steifigkeitserhöhenden Verformungsstruktur (13) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass das Bauteil (3) mit Hilfe eines Warmumformungsverfahrens hergestellt wird und – dass die steifigkeitserhöhende Verformungsstruktur (13) im Zuge des Warmumformungsverfahrens in das Bauteil (3) eingeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, – dass das Bauteil (3) nach der Warmumformung durch ein Beschichtungsverfahren angelassen wird.