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EFB-Forschungsbericht Nr. 272

Halbwarmumformung hoch- und höchstfester Stähle

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Cord Schäffner, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover

84 Seiten (sw 59 Abb,.)

ISBN: 978-3-86776-305-9

Preis (Digital) EUR 56,00

Preis (Print) EUR 63,00

Zusammenfassung

Die verstärkte Umsetzung von Leichtbaukonzepten im Automobilbau und hohe Anforderungen an die Fahrzeugsicherheit führen zu einer weiten Verbreitung des Presshärtens zur Herstellung höchstfester Karosseriekomponenten. Dieses Verfahren verbindet die Umformung mit einer gleichzeitigen Wärmebehandlung von härtbaren Blechwerkstoffen zur Steigerung der Bauteilfestigkeit.

Die Erwärmung der Platinen für dieses Verfahren erfolgt in der industriellen Praxis derzeit vorwiegend durch Konvektion und Strahlung in langen Rollenherdöfen. Dies ist mit erheblichem Anlagenaufwand und langen Prozesszeiten verbunden. Daher besteht insbesondere bei der Erwärmung der Platinen Optimierungspotenzial, um die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens zu verbessern.

Ziel dieses Forschungsprojekts war, dies durch die Realisierung eines konduktiven Erwärmungssystems zu erreichen. Zu diesem Zweck wurde ein entsprechendes Anlagenkonzept entwickelt, umgesetzt und erprobt. Die Untersuchungen zeigen, dass auf diese Weise mit relativ geringem Anlagenaufwand eine sehr schnelle Temperierung der Platinen und damit eine deutliche Reduzierung der Prozesszeit und des Aufwands für das Presshärten möglich sind.

In einem weiteren Schritt erfolgten Entwicklung und Herstellung eines praxisnahen Modellwerkzeugs für das Presshärten, in das die konduktive Erwärmungseinrichtung integriert wurde. Auf diese Weise konnte der Temperierungsprozess in das Werkzeug verlagert werden. Dadurch entfallen der Transport und die aufwändige Positionierung der erwärmten Platinen im Pressenraum. Mit dem entwickelten Verfahren und den dazugehörigen Komponenten wurden pressgehärtete Blechformteile hergestellt. Ein Vergleich der mechanischen Eigenschaften mit konventionell erzeugten Teilen zeigte, dass sich mit diesem Verfahren in Teilbereichen sogar bessere Resultate erzielen lassen. Ein weiterer Vorteil dieser Methode besteht in der deutlich geringeren Zunderbildung. Diese Effekte lassen sich vor allem auf die deutliche Verkürzung der Erwärmungszeit zurückführen.

Im Verlauf dieses Forschungsprojekts wurden ein Presshärtprozess mit praktikabler und sehr effektiver konduktiver Erwärmung von Zuschnitten sowie das dazugehörige Anlagenkonzept entwickelt, umgesetzt und erprobt. In Versuchen ließen sich vielfältige Vorteile und Variationsmöglichkeiten bei der Prozessgestaltung aufzeigen und verifizieren. Das Projekt bildet damit eine breite Basis für die Dimensionierung und Umsetzung und liefert schwerwiegende Argumente für den industriellen Einsatz einer solchen Anlage. Die für dieses Forschungsprojekt gesetzten Ziele wurden erreicht und zu einem großen Teil auch übertroffen.

Das Forschungsvorhaben „Halbwarmumformung hoch- und höchstfester Stähle“ wurde unter der Fördernummer AiF 14353N von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 272 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The importance of high-strength steel concepts for car bodies has increased in the last years due to the necessity of reduction in weight and increasing crash safety. The processing of these materials is connected with an increase of spring back and a decrease of formability. Therefore it has not been possible to realise complex geometries and contouring accuracy with these materials by applying conventional forming processes.

One technology to manufacture highest-strength, complex automotive components is represented by press hardening. This process combines partly concurrent forming and heat treatment of sheet metal material with the objective of hardening.

Press hardening is more complex than conventional deep drawing, because the sheet metal has to be heated and cooled very extensively and by this the material properties of the formed parts are influenced significantly. Presently continuous annealing furnaces are used to heat up the blanks for press hardening by convection and heat radiation. The equipment is expensive, needs a lot of space and results in high energy consumption. Also an effective fast process control is very difficult. The aim of this project was to develop and test a conductive heating system as an alternative to compensate these disadvantages.

Inhalt

1 Einleitung
1.1 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung
1.2 Forschungsziel
2 Stand der Technik
2.1 Leichtbaubestrebungen in der Automobilindustrie
2.2 Stähle mit erhöhten Festigkeiten
2.3 Warmumformung
2.4 Presshärten
2.4.1 Erwärmung für das Presshärten
2.4.2 Konduktive Erwärmung
2.4.3 Weitere Aspekte des Presshärtens
2.4.4 Simulation des Presshärtens
3 Aufbau der Versuchsanlagen / Versuche
3.1 Versuchswerkstoff
3.2 Ermittlung mechanischer Kennwerte
3.2.1 Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit der Erwärmungstemperatur
3.2.2 Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit der Erwärmungsdauer
3.2.3 Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit der Abkühlgeschwindigkeit
3.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der Variation der Wärmebehandlungsparameter 
3.3 Gefügeuntersuchungen und Härtemessungen
3.4 FE-Simulationen
3.4.1 Simulation des Umform- und Abkühlprozesses
3.4.2 Simulation der konduktiven Platinenerwärmung
3.5 Entwicklung und Fertigung der Versuchskomponenten
3.5.1 Konstruktion und Fertigung des temperierten Tiefziehwerkzeugs
3.5.2 Ermittlung optimaler Widerstandserwärmungsparameter
3.5.3 Aufbau der Erwärmungsanlage
3.5.4 Integration der Erwärmungsanlage in das Werkzeug
3.6.1 Erwärmungsversuche
3.6.2 Umformversuche ohne Platinenerwärmung zur Werkzeugerprobung
3.6.3 Presshärtversuche mit konduktiver Erwärmung im Werkzeug
3.6.4 Analyse der Bauteileigenschaften
4 Vergleich des konduktiven Erwärmungssystems mit  konventionellen Rollenherdöfen
5 Zusammenfassung und Ausblick
6 Durchführende Forschungsstelle
7 Literaturverzeichnis