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EFB-Forschungsbericht Nr. 486

Verfahren zur punktförmigen Bauteilgradierung beim Presshärten im Werkzeug

efb486

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dirk Landgrebe, Dipl.-Ing. Katja Silbermann, Dipl.-Ing. Norbert Pierschel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

88 Seiten (sw, 48 teils farbige Abb., 15 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-538-1

Preis (Digital) EUR 63,00

Preis (Print) EUR 71,00

Zusammenfassung

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Werkzeugkonzepts für die lokale Gradierung beim Presshärten von Blechen als Voraussetzung für mechanisches Fügen und Lochen sowie für Abstelloperationen, z. B. zur Einbringung von Laschen. Diese kleinflächige Gradierung soll durch die gezielte Verringerung der Abkühlgeschwindigkeit einzelner Bereiche des Bauteils erreicht werden, was wiederum eine vollständige Martensitbildung verhindert.

Zunächst werden im Stand der Technik die aktuellen Möglichkeiten zur Erzeugung gradierter Bauteile beim Presshärten dargestellt. Anschließend erfolgt die Erläuterung der Motivation bzw. der Problemstellungzum Projekt sowie die Zielsetzung. Anschließend werden die Projektergebnisse dargestellt.

Im Arbeitspaket 1 „Definition des Anforderungsprofils" wird die mit dem projektbegleitenden Ausschuss festgelegte Grundausrichtung des Projekts beschrieben. Untersucht wird der direkte Presshärteprozess des Werkstoffs MBW 1500+AS150 mit einem modularen Hutprofilwerkzeug, in dessen Flanschbereich die Heizelemente zur Bauteilgradierung eingebracht werden. Weiterhin werden die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften des Bauteils dargestellt, die sich aus mechanischen und thermischen Fügeprozessen ergeben.

Im Arbeitspaket 2 „Analytische Beschreibung und FE-Simulation" werden der Modellaufbau und die Prozessparameter sowie die Ergebnisse der mittels LS-DYNA durchgeführten Simulation des Gradierungsprozesses dargestellt. Ein Vergleich mit den im Experiment ermittelten Härte- und Temperaturverläufen im Gradierungsbereich zeigt eine gute Übereinstimmung.

Arbeitspaket 3 „Werkzeug- und Anlagentechnik" stellt den grundlegenden Aufbau des Versuchswerkzeugs sowie die eingesetzten Heizelemente dar. Im Werkzeug-Unterteil sind im Flanschbereich Heizelemente aus 2.4668 und Silicium-Carbid der Durchmesser 15 mm und 30 mm eingebracht, welche mittels Federkraft auf das Werkstück gedrückt werden.

Ihnen gegenüberliegend befindet sich eine Luftspaltisolation im Oberwerkzeug. Die Heizelemente sind mittels keramischer Heizpatronen bis 800 °C temperierbar. Durch die Wärmezufuhr wird der Werkstoff im Gradierungsbereich derart in seiner Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst, dass keine vollständige Martensitbildung erfolgt.

Die Versuchsplanung und -durchführung wird in Arbeitspaket 4 beschrieben. Es beinhaltet die Darstellung der verwendeten Anlagentechnik sowie des Messkonzepts, welches sich auf die Erfassung von Temperaturverläufen von Werkstück, Werkzeug und Heizelement während des Presshärtens fokussiert.

In Arbeitspaket 5 „Systematisierung, Aus- und Bewertung der Versuchsergebnisse" werden die gemessenen Härtewerte der einzelnen Versuche dargestellt sowie der Einfluss von Heizelementdurchmesser, -material, -bauart und -temperatur sowie Blechdicke und Werkzeug-Zuhaltezeit diskutiert. Mit Heizelementen Ø 15 mm konnte keine signifikante Härtereduzierung erreicht werden. Die besten Ergebnisse konnten mit der Heizelementvariante B (aus hochwärmeleitfähigem Silicium-Carbid) mit Ø 30 mm erreicht werden. Bei einer Zuhaltezeit des Werkzeugs von 5 s wurde für die Blechdicke s = 1,0 mm eine minimale Härte von 340 HV und für s = 1,5 mm von 290 HV gemessen.

Im Arbeitspaket 6 „Wirtschaftlichkeit / Anwenderrichtlinien" erfolgt ein wirtschaftlicher Vergleich der punktförmigen Gradierung im Werkzeug mit dem Entfestigen des pressgehärteten Bauteils mittels Lasererwärmung. Bedingt durch die kürzere Verweilzeit in der Laserbeschneidanlage erweist sich die Gradierung im Werkzeug als wirtschaftlicher.

Die Anwenderrichtlinien bündeln die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse zu Bauteileigenschaften, Werkzeugbau, Prozessführung und Simulation. Abschließend werden die Ansätze zur weiteren Nutzung und Verwertung der Forschungsergebnisse dargestellt.

Das Ziel des Forschungsvorhabens, die Entwicklung eines Werkzeugkonzepts sowie die Identifikation von Prozessparametern, mit welchen eine kleinflächige Gradierung beim Presshärten im Werkzeug erzielt werden kann, wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Verfahren zur punktförmigen Bauteilgradierung beim Presshärten im Werkzeug" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18018BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 486 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The objective of this project is the development of a tool concept for the local grading in press hardening of sheet metal as a requirement for mechanical joining and punching as well as for setting operations, e.g. introduction of tabs. This small-scale grading shall be achieved by specifically reducing the cooling rate of individual areas of the part, which in turn prevents complete martensite formation.

First, the current possibilities for producing graded parts during press hardening are pre-sented in the state of the art. Afterwards, the motivation and the problem definition for the project as well as the objective are explained. Subsequently, the project results are presented. Work package 1 "Definition of the requirement profile" describes the basic orientation of the project as defined by the project-accompanying committee. The direct press hardening process of the material MBW 1500 + AS150 with a modular cap-profile tool is tested, in whose flange area the heating elements for component grading are introduced.

Furthermore, the requirements for the mechanical properties of the part are shown, resulting from mechanical and thermal joining processes.

In the work package 2 "Analytical description and FE simulation" the model structure and the process parameters as well as the results of the simulation of the grading process calculated by LS-DYNA are displayed. A comparison with the hardness and temperature gradients in the grading area determined in the experiment shows a good accordance.

Work package 3 "Tool and Plant Technology" presents the basic structure of the test tool and the heating elements used. In the lower part of the tool, heating elements made of 2.4668 and silicon carbide with a diameter of 15 mm and 30 mm are inserted in the flange area, which are pressed onto the workpiece by spring force. Opposite there is an air gap insulation in the upper part of the tool. The heating elements can be tempered with ceramic heating cartridges up to 800 °C. As a result of the heat supply, the material in the grading area is influenced in its cooling rate in such a way that no complete martensite formation takes place.

The experimental design and -procedure is described in work package 4. It contains the representation of the used plant engineering as well as the measurement concept, which focuses on the recording of temperature gradients of workpiece, tool and heating element during the press hardening.

In work package 5 "Systematization, analysis and evaluation of the test results", the meas-ured hardness values of the individual tests are shown and the influence of the heating element diameter, material, design type and temperature as well as sheet thickness and tool dwell time are discussed. With heating elements Ø 15 mm, no significant reduction in hardness could be achieved. The best results were achieved with the heating element variant B (made of highly heat-conductive silicon carbide) with Ø 30 mm. With a tool closing time of 5 s, a minimum hardness of 340 HV was measured for the sheet thickness s = 1.0 mm and 290 HV for s = 1.5 mm.

In the work package 6 "Economy / User Guidelines" an economic comparison between the punctiform grading in the tool and the softening of the press-hardened part by laser heating takes place. Due to the shorter residence time in the laser cutting machine, grading in the tool proves to be more economical. The user guidelines bundle the findings gained in the project into component properties, toolmaking, process control and simulation. Finally, the approaches to further use and utilization of the research results are presented.

The goal of the research project, the development of a tool concept as well as the identification of process parameters with which a small-scale grading during press hardening in the tool can be reached, was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungs- und Kurzzeichenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik und Forschung
3 Problemstellung, Forschungsziel und Arbeitsprogramm
3.1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
3.2 Angestrebtes Forschungsziel
4 Projektergebnisse
4.1 AP 1 - Definition des Anforderungsprofils
4.2 AP 2 - Analytische Beschreibung und FE-Simulation
4.2.1 Modellaufbau und Prozessparameter
4.2.2 Werkstoffmodell
4.2.3 Simulationsergebnisse
4.2.4 Zusammenfassung
4.3 AP 3 - Werkzeug- und Anlagentechnik
4.3.1 Versuchswerkzeug
4.3.2 Heizpatrone
4.3.3 Heizelementvarianten
4.4 AP 4 - Versuchsplanung und -durchführung
4.4.1 Werkstückwerkstoff
4.4.2 Anlagentechnik und Messkonzept
4.4.3 Versuchsplan
4.5 AP 5 - Systematisierung, Aus- und Bewertung der Versuchsergebnisse
4.5.1 Härteanalysen
4.5.2 Fazit und Einordnung der Versuche
4.6 AP 6 - Wirtschaftlichkeit / Anwenderrichtlinien
4.6.1 Wirtschaftliche Bewertung
4.6.2 Anwenderrichtlinien
5 Nutzung und Verwertung der erzielten Forschungsergebnisse
5.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
5.2 Innovativer Beitrag der erzielten Ergebnisse
5.3 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten
6 Literaturverzeichnis