Was ist Heißprägen?
Das Warmumformen, in Europa als Presshärten bekannt, und in Asien Heißpressumformen, ist ein thermisches Umformverfahren für Bleche, bei dem während des Umformprozesses eine Umformung und eine metallurgische Wärmebehandlung erfolgen. Das Presshärten wurde ursprünglich in den 1970er Jahren entwickelt, um landwirtschaftliche Werkzeuge aus gehärtetem Stahl herzustellen, hat aber seitdem einen großen kommerziellen Einfluss auf die Herstellung von leichten und hochfesten Weißkarosserien in der Automobilindustrie. Reduzierter Kraftstoffverbrauch und Fahrzeugsicherheit haben den universellen Einsatz von ultrahochfesten Stahlbauteilen durch das Aufkommen des Heißprägeverfahrens ermöglicht.
Die frühe Entwicklung und Weiterentwicklung des Warmumformens konzentrierte sich aufgrund der etablierten Verwendung und Verfügbarkeit im Weißkörpersektor auf kohlenstoffarmen Mangan-Bor-legierten Stahl 22MnB5. Durch Erhitzen von 22MnB5-Blech auf über 900 °C wird die Mikrostruktur des Metalls von ferritischem Stahl in austenitischen Stahl umgewandelt. Durch schnelles Abkühlen im Stanzwerkzeug wird die Stahlphase dann in Martensit umgewandelt, mit einer Festigkeit von bis zu 1500 MPa [220 KSI]. Inzwischen wurden höhere Kohlenstoffstahlsorten mit speziellen Beschichtungen und fortschrittlichen chemischen Zusammensetzungen entwickelt, die eine Festigkeit von bis zu 2000 MPa [290 KSI] und viele bedeutende Vorteile bei der Verarbeitung und den Materialeigenschaften aufweisen.
Das Heißprägen erfordert eine programmierbare servohydraulische Presse mit schnellen Vorschubgeschwindigkeiten und Verweilzeit, um die Tonnage für Warmumform- und Kühlprozesse wiederholbar zu steuern. Zu den Zusatzgeräten gehören typischerweise ein Rollenherd- oder Etagenofen zum Erhitzen des Blechs, Roboter für den Materialtransfer oder Zuführungen, ein Werkzeugkühlsystem und Teileschneidvorgänge. Pressenrahmentyp, Führungssysteme, Geschwindigkeiten, Tonnage, Materialzuführungsrichtung, schneller Werkzeugwechsel und außermittige Belastungsfähigkeit müssen alle sorgfältig bewertet werden, um sicherzustellen, dass eine Presse für spezifische Heißprägeanwendungen optimiert ist.
Materialüberlegungen
Jedes wärmebehandelbare oder schwer umformbare Metall kann vom Heißprägen profitieren, wenn die Herstellung komplexer hochfester Teile von Vorteil ist. Einige Beispielmaterialien sind in Tabelle 1 unten aufgeführt.
| Festigkeit | der | Materialgüte |
| Stahl, 0,22% C | 22MnB5 | 1500 MPa |
| Stahl, 0,30% C | 30MnB5 | 1800 MPa |
| Stahl, 0,37% C | 37MnB5 | 2000 MPa |
| Aluminiumlegierung, Serie 6000 | 6061-T6 | 300 MPa |
| Aluminiumlegierung, Serie 7000 | 7075-T76 | 500 MPa |
| Magnesiumlegierung | AZ31B-H | 300 MPa |
| Titanlegierung | Ti-6Al-4V | 900 MPa |
| Kupfer-Nickel-Legierung | C71500 | 500 MPa |
Tabelle 1: Beispiele für Blechwerkstoffe zum Heißprägen.
Nicht alle Metalle zeigen beim Warmumformen die hohe Festigkeitstransformation, die in Borstählen zu finden ist. Die Zugabe von Bor zu Kohlenstoffstählen fördert die Phasenumwandlung zu Martensit bei schneller Abkühlung. Stahlbleche, die nicht für die Phasenumwandlung legiert sind, können nicht auf ultrahohe Festigkeit gehärtet werden, jedoch kann eine Härteanpassung durch Zonenkühlung und Erwärmung verwendet werden, um das Gefüge und damit die Materialeigenschaften zu steuern. Die meisten Nichteisenlegierungen zeigen eine begrenzte Verbesserung der Härte, aber das Heißpressen kann die Umformbarkeit komplexer Formen verbessern, das Zurückfedern eliminieren und Fehler in vielen Anwendungen reduzieren.
Korrosion, Entkohlung und Zunder von Blechen bei hohen Ofentemperaturen sind ein Thema beim Warmumformen. Unbeschichtete Stähle erfordern Inertgasatmosphären, um die Zunderbildung zu minimieren. Korrosionsbeständige Beschichtungen, wie beispielsweise Aluminium-Silizium, werden häufig auf Stahlbleche aufgebracht, um das Entfernen von Zunder überflüssig zu machen. Die Zugabe spezieller Legierungselemente kann auch die Korrosion reduzieren und in einigen Fällen die erforderliche Kühlung reduzieren, um die Härte zu erhalten und mehrstufige Umformvorgänge zu ermöglichen.
Metallurgen und Stahlhersteller haben erhebliche Anstrengungen unternommen, um die für das Warmumformen verwendeten Materialien zu verbessern. Abbildung 1 unten zeigt die Beziehung zwischen Dehnung und Zugfestigkeit für Borstahl 22MnB5 im geglühten und warmumgeformten Zustand im Vergleich zu anderen Stahlzusammensetzungen wie Weichstahl und konventionellen hochfesten Stählen. Das überlagerte Temperatur-Zeit-Phasen-Diagramm auf der rechten Seite veranschaulicht die Bedingungen, die zur Herstellung von martensitischem Stahl erforderlich sind, sowie die Zeit- und Temperaturzonen, in denen andere Phasen in 22MnB5 auftreten.
Vorteile des Heißprägens
Vorteile von heißgeprägten Strukturbauteilen sind die außergewöhnliche Zugfestigkeit im umgeformten Zustand und die komplexen umformbaren Geometrien. Die erhöhte Festigkeit der warmgeprägten Teile ermöglicht eine Gewichtsreduzierung der Komponenten durch die Verwendung dünnerer Bleche bei gleichzeitiger Beibehaltung der strukturellen Integrität und des Crashverhaltens. Weitere Vorteile sind nachfolgend aufgeführt:
- Weniger Fügevorgänge durch Schweißen oder Befestigen.
- Weniger Teilrückfederung und Teilverzug.
- Weniger Teilefehler wie Risse und Brüche.
- Reduzierte Presstonnage im Vergleich zur Kaltumformung.
- Möglichkeit, Materialeigenschaften nach Teilzone anzupassen.
- Fähigkeit zur Verbesserung der erhaltenen Mikrostrukturen.
- Weniger Arbeitsschritte zum fertigen Produkt.
Wann sollte Heißprägen verwendet werden?
Die Zahl der warmumgeformten Karosserieteile und der Grad der Gewichtsreduzierung nehmen in diesem hart umkämpften und streng regulierten Markt weiter zu.
Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung und anderen aufstrebenden Märkten beginnen die Vorteile einer höheren Festigkeit und eines geringeren Gewichts zu erfahren, die durch das Heißprägen schwer umformbarer fortschrittlicher Legierungen möglich werden.
Zu den Verfahren, die ähnliche Ergebnisse erzielen können, gehören:
Stanzen von Metall [Kalt]: Wenn das zu formende Material bei Raumtemperatur ausreichend dehnbar ist, können ähnliche hochfeste Teile hergestellt werden, ohne dass das Blech erhitzt und geglüht werden muss. Herkömmlichere Konstruktionsmethoden für Teile und Formen zur Handhabung der Rückfederung sind in der Regel erforderlich, um genaue Teile herzustellen.
Warmprägen: Wird normalerweise für Nichteisenlegierungen verwendet, die bei Raumtemperatur schwer umformbar sind. Nach der Umformung ist häufig ein kontrollierter Abkühl- und Alterungsprozess erforderlich, um lösungsgehärtete Mikrostrukturen wiederherzustellen, die vorhanden sind, bevor das Blech durch Erhitzen geglüht wird.
Hydroforming: Ein fortschrittliches Verfahren zum Umformen von Blechen und Rohren, das hydraulischen Druck anstelle eines festen Stempels verwendet, um Geometrien herzustellen, die nicht zum Stanzen geeignet sind, einschließlich hinterschnittener oder ausgebeulter Formen.
Fertigung: Für Prototyping oder Kleinserien können Teile aus mehreren Blechen durch Schweißen oder andere Fügeverfahren hergestellt werden. In den meisten Fällen ist die Fertigung nur dann sinnvoll, wenn das Produktionsvolumen nicht hoch genug ist, um die Kosten für dedizierte Werkzeuge zu rechtfertigen.
Überblick
Beim Warmumformen werden ultrahochfeste Stähle, die erwärmt und in Form gebracht wurden, schnell abgeschreckt. Der Prozess beginnt mit dem Entstapeln eines Rohlings, der zum Erhitzen in einen Ofen oder Ofen geladen wird. Der erhitzte Rohling wird von einem Pressenzuführsystem an eine hydraulische Heißprägepresse übergeben, die sich schließt, um sehr schnell eine Tonnage zu erzeugen, und das Teil dann hält, bis es abgekühlt ist. Nach Abschluss dieses Vorgangs wird das gehärtete Bauteil automatisch von einem Pressenentladesystem zur Endbearbeitung aus der hydraulischen Presse entladen. Abbildung 3 unten zeigt die Grundelemente des Heißprägens.
Feige. 3: Direkte und indirekte Heißprägeprozesselemente
Erfolgsfaktoren
Direktes Heißprägen ist in der Industrie verbreiteter. Beim indirekten Heißprägen wird vor dem Erhitzen ein Kaltumformschritt hinzugefügt.
Eine umfassende Betrachtung aller Parameter, die das Heißprägen beeinflussen, würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen. Stattdessen werden wir uns einige Schlüsselfaktoren ansehen, die sich gut für eine akzeptable Prozessökonomie eignen: Materialeigenschaften, Abschreckwerkzeuge, Produktionsraten und Fehlerreduzierung.
Materialeigenschaften:
Eine hohe Materialhärtbarkeit führt zu einer höheren Festigkeit, die das Gewicht des Teils direkt reduziert. Im Automobilsektor bedeutet dies einen geringeren Kraftstoffverbrauch und eine erhöhte Sicherheit der Passagiere. Hohe Zugfestigkeit ist nicht die einzige Anforderung. Die Crashfestigkeit hängt auch von den energieabsorbierenden duktilen Stahleigenschaften ab, die in Knautschzonen vorhanden sind. Hochfeste Stähle müssen beide dieser Ziele erfüllen. Schlüsselmethoden, um diese Ergebnisse zu erzielen, sind Tailored Blanks und die zonenbasierte Wärmebehandlung im Abschreckwerkzeug.
Form- und Abschreckwerkzeuge:
Ein gut konstruiertes Form- und Abschreckwerkzeug ist entscheidend für den Erfolg des herzustellenden Teils. Hochfeste Zonen müssen schnell abgeschreckt werden, um die gewünschten Materialeigenschaften zu erzielen. Isolierte Komponentenzonen, die duktilere Eigenschaften erfordern, werden langsamer abgekühlt und in einigen Fällen wird das Werkzeug erhitzt, um die richtige Mikrostruktur zu erreichen. Spezialisierte Warmarbeitsstähle, die den Härten wiederholter thermischer Zyklen standhalten, sind erforderlich, um den Werkzeugverschleiß zu minimieren und Werkzeugausfälle zu reduzieren. Die Arbeitsflächen des Werkzeugs werden oft durch Nitrieren und andere Materialabscheidungstechniken gehärtet, um Abrieb zu widerstehen und die Werkzeugstandzeit zu erhöhen.
Produktionsraten:
Das Presshärten ist ein wesentlich langsamerer Prozess als das herkömmliche Stanzen, hauptsächlich aufgrund der Zeit, die zum Abschrecken des Teils erforderlich ist. Typische Presszyklusgeschwindigkeiten betragen 10 bis 30 Sekunden, wobei dickere Materialien aufgrund der zusätzlichen Zeit, die zum Abschrecken benötigt wird, länger dauern. Eine zusätzliche Verzögerung kann auch auf die Notwendigkeit des Laserbeschneidens zurückgeführt werden, wenn das abgeschreckte Teil zu hart für das Besäumen und Stanzen nach der Bearbeitung ist. Eine Technik, die verwendet wurde, um die Zykluszeiten zu verkürzen, ist die Zugabe von Silizium zu der Legierungszusammensetzung, die Austritte mit höherer Abschrecktemperatur ermöglicht, um eine schnellere mehrstufige Umformung mit Heißpressstanzen und -trimmen zu ermöglichen.
Fehlerreduzierung:
Das Warmumformen wird aufgrund des Glühprozesses, der das Umformen tiefer und komplexer Formen ermöglicht, aber hohe Temperaturen bedeuten klebrigen Stahl, einen Hallpass auf Rückfederung als Fehler. Die hohe Temperatur bedeutet auch, dass das Blech nicht geschmiert werden kann und Reibung ein erhebliches Problem darstellt. Darüber hinaus können Materialbeschichtungen, die verwendet werden, um Entkohlung und Zunderbildung während des Erhitzens des Rohlings zu verhindern, für die Werkzeugoberflächen sehr abrasiv sein. Daher ist es wichtig, die Reibung zu beherrschen, um eine übermäßige Verdünnung, Spaltung und Rissbildung im Teil sowie übermäßigen Werkzeugverschleiß durch den Abrieb zu vermeiden.
Die Konstruktion von Teilen und Presswerkzeugen zur Reduzierung und Vermeidung von Fehlern während des Warmumformungsprozesses konzentriert sich in erster Linie auf die Aufrechterhaltung der Umformtemperaturen und die Kontrolle des Materialflusses. Wenn das Blech zu schnell abkühlt, bevor die Umformung abgeschlossen ist, kommt es wahrscheinlich zu einer Verhärtung und Rissbildung des Teils. Wenn die Reibung bei der Umformung nicht effektiv gesteuert oder reduziert werden kann, werden die Teile Falten bilden.
Die Minimierung der negativen Auswirkungen von Reibung und die Aufrechterhaltung des Materialflusses sind eine große Herausforderung beim Heißprägen. Die hohen Temperaturen lassen die Verwendung von Umformschmierstoffen nicht zu und das Metall wird im heißen Zustand sehr weich und klebrig. Bei der Konstruktion sollte versucht werden, den Oberflächenkontakt zwischen der Teilegeometrie und dem Blechzuschnitt so weit wie möglich zu minimieren. Eine Minimierung des Kontakts ermöglicht einen freieren Materialfluss. Allerdings muss der Fluss während des Zyklus auch kontrolliert werden, um Faltenbildung am Flansch und eine Fehlausrichtung des Teils zu verhindern.
Eine weitere große Herausforderung ist es, das Blech heiß genug zu halten, um Härten und Risse während des Umformprozesses zu vermeiden. Die Kontraktion des Materials während der Abkühlung kann die Kontrolle der Teilegeometrie erschweren. Hinzu kommt der Werkzeugverschleiß durch Abrieb und thermische Wechselbeanspruchung, der die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzen und die Qualität der Teile beeinträchtigen kann. Warmarbeitsstähle sind in der Regel erforderlich, um die Auswirkungen von Temperaturschocks, Verformung und Verschleiß zu minimieren. Der Verschleiß kann durch eine gehärtete Oberflächenbehandlung, wie z.B. Nitrieren, in den fertigen Matrizen weiter reduziert werden. Die Aufrechterhaltung einer guten Oberflächenqualität ermöglicht schnelle Zykluszeiten und eine kontrolliertere Härtung der Teile beim Abschrecken.
Einige gängige Techniken zur Förderung eines erfolgreichen Teile- und Werkzeugdesigns sind unten in Tabelle 2 aufgeführt.
Design-Element | Kontrollierte Ausgabe |
Minimieren Sie den Kontakt zwischen Stumpf und Rohling | Reduzierung der Reibung |
Pads mit offenem Spalt auf Flanschen | Höhe der Falten begrenzen |
Pads mit geschlossenem Spalt auf Flanschen | Bügelfalten |
Zentralisierte Stick Pads | Leerer Ort |
Nadel- oder Kantenlehren | Seitliche Verschiebung |
Dynamisches Ausmessen | Schrumpfung |
Oberflächenhärtung von Gesenken | Werkzeugverschleiß / Zykluszeit |
Begrenzen Sie die Verwendung von Druckpolstern | Reduzierung der Reibung |
Tabelle 2: Strategien für das Design von Teilen und Werkzeugen.
Grundparameter
Die Konfiguration einer Presse zur Herstellung von Warmumformteilen beginnt mit den Anforderungen an den Teileherstellungsprozess. Die Konfiguration erfordert Informationen zu Materialtyp, Teilespezifikationen, Produktionsvolumen, Produktionsgeschwindigkeit und Zielpreis. Diese Faktoren haben dann direkten Einfluss auf die Handhabungs-, Umform- und Abschreckanforderungen, die wiederum die Spezifikationen der Anlage und des Werkzeugs beeinflussen. Ein Diagramm der Temperatur gegenüber der Prozesszeit unten veranschaulicht die Schritte im Prozess, die die Prozessanforderungen und die erreichbare Produktionsrate bestimmen.
Beim Kauf einer Heißprägepresse oder einer vollautomatischen Heißprägepressenlinie sind mehrere Schlüsselvariablen zu berücksichtigen.
- Hydraulik- und Steuersysteme für eine Heißprägepresse müssen vollständig programmierbar sein und eine wiederholbare Tonnagesteuerung bieten. Aus diesem Grund verwenden viele Heißprägeanwendungen servohydraulische Pressen. Bei diesen Systemen muss das Öl extrem sauber sein und es kann sich lohnen, zusätzlich zu den Standard-Patronenfiltern Online- oder Offline-Filtersysteme in Betracht zu ziehen.
- Servohydraulik ist im Allgemeinen viel komplizierter in der Konstruktion, und die meisten Kunden freuen sich über eine Remote-Verbindung vom OEM zur Presse, um bei der Fehlersuche zu helfen.
- Obwohl es viele verschiedene Schaltungsdesigns gibt, möchte die Presse typischerweise einen Vorpresskreislauf haben, der bei Bedarf schnell auf das Pressen mit voller Tonnage umgestellt werden kann.
- Da Heißprägepressen teuer sind und in der Regel mehrere Produkte mit mehreren Werkzeugen verarbeiten müssen, sind Werkzeugwagen zusammen mit automatischen Werkzeugspannsystemen beliebt, um die Werkzeugwechselzeit zu reduzieren und die Jahresproduktion zu maximieren.
Das Bett einer Presse muss in der Lage sein, die Stellfläche des größten erwarteten Werkzeugsatzes aufzunehmen. Bei rechteckigen oder komplexen Rohlingsformen bestimmt die Ausrichtung des Teils innerhalb des Betts die Gesamtbettabmessungen. Eine grobe Schätzung der Bettgröße kann anhand der Rohlingsgröße berechnet werden. Ein breiter Zugang zum Bett von allen vier Seiten einer Heißprägepresse ist vorteilhaft für den automatisierten Materialtransfer und schnelle Werkzeugwechsel.
Das Steuerungssystem für eine hydraulische Heißprägepresse sollte eine vollständig programmierbare und wiederholbare Tonnagesteuerung ermöglichen, um den Prozess zu optimieren und den Energieverbrauch zu senken. Die Presse sollte in der Lage sein, genügend Tonnage zu produzieren, um das Teil zu formen und zu halten/zu härten, aber zu hohe Tonnage sollte vermieden werden. Eine über das erforderliche Maß hinaus aufgebrachte Tonnage kann zu übermäßigem Energieverbrauch und Werkzeugverschleiß führen. Ein typischer Bereich für Heißprägetonnage liegt zwischen 500 und 1500 Tonnen.
Der erhitzte Rohling beginnt sofort nach dem Entfernen aus dem Ofen schnell abzukühlen, daher ist es wichtig, dass die Presse schließt und Tonnage erzeugt, um das Teil sehr schnell zu formen. Das automatisierte Laden von Teilen erfordert typischerweise, dass die Presse um einen beträchtlichen Betrag geöffnet ist, um einen ausreichenden Spielraum zu ermöglichen. Dieser große Freiraum macht es noch wichtiger, dass die Presse sehr schnell öffnen und schließen kann. Typischerweise werden Schließgeschwindigkeiten von 500 bis 1.000 mm pro Sekunde benötigt. Schnelle Rücklaufgeschwindigkeiten sind etwas langsamer, aber optimiert, um die Zykluszeiten zu reduzieren.
Einige erweiterte Heißprägefunktionen umfassen:
- Mehrstufige Umformung vor dem Abschrecken durch Verwendung fortschrittlicher Stähle, die den Verlust von Martensit bei höheren Temperaturen verhindern.
- Heißstanzen und Heißbesäumen vor dem Abschrecken und Teilhärten.
- Induktionsöfen, die Rohlinge nach Teilzonen auf unterschiedliche Temperaturen vorwärmen können, um Teile mit mehreren Mikrostrukturen herzustellen.
Bildreferenzen
- Feige. 1: HS101-F1, Garcia Aranda L, Chastel Y, Fernandez Pascual J, Dal Negro T, 2002 Experimente und Simulation des Warmumformens von abschreckbaren Stählen. Fortschrittliche Technologie der Plastizität 2, 1135-40
- Feige. 2: HS101-F2, A. Nagathan und L. Penter, Kapitel 7: Heißprägen“, in Sheet Metal Forming Processes and Applications (T. Altan und A. Tekkaya, Hrsg.), S. 153{163, ASM International, 2012.
- Feige. 3: HS101-F3, H. Engels, O. Schalmin, C. Müller-Bollenhagen, „Steuerung und Überwachung des Warmumformprozesses borlegierter Vergütungsstähle“, Internationale Konferenz „Neue Entwicklungen in der Blechumformung“ Technologie“, S. 135~150, Stuttgart Deutschland, 2006
- Abb. 4: HS101-F5, Erhardt, R., Boke, J.: Industrial application of hot forming press simulation,1st International Conference on Hot Sheet Forming of High-Performance, Steel, Kassel, Germany, (2008) pp. 83-88.
- Feige. 5: HS101-F6, Macrodyne 1000 Tonnen Heißprägepressenlinie
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