Hausarbeit In Internationales Wirtschaftsingenieurwesen Lehrveranstaltung: Produktionsverfahren- und Systeme (PVS)

Umformmaschinen – Direktes Presshärten

Tobias Reith, BSc 1510336060

Begutachter: Prof. (FH) Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Aziz Huskic

Wien, 15.01.2016

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Inhaltsverzeichnis

1   Fertigungsschritte des Direkten Presshärtens ................................................................... 3  

2   Vor- und Nachteile des Direkten Presshärtens .................................................................. 4  

3   Wahl und Beschreibung einer geeigneten Umformmaschine zur Herstellung einer B-Säule eines PKWs ................................................................................................................... 5  

4   Vor- und Nachteile von Hydraulischen Pressen und der PCHflex-Technologie der Schuler AG 7  

5   Literaturverzeichnis ............................................................................................................ 8  

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1 Fertigungsschritte des Direkten Presshärtens Zur Herstellung der B-Säule bei PKWs kommt ausschließlich der borlegierte Vergütungsstahl 22MnB5 zum Einsatz. Der Grund hierfür liegt in der extremen Festigkeit von über 1500MPa, die mit Hilfe des Umformverfahrens „Direktes Presshärten“ (bzw. Formhärten) realisiert werden können. Dieses Verfahren verdrängt vermehrt die kaltumgeformten, hoch- bzw. höchstfesten Mehrphasenstähle. Entscheidend ist die hohe Festigkeit vor allem in Teilen der Karosserie, welche nicht Einknicken dürfen, um so den Menschen zu schützen, wie dies zum Beispiel bei der B-Säule der Fall ist. Die Kräfte bei einem Zusammenstoß werden so auf Bauteile wie der Dach- oder Bodenstruktur umgeleitet. Im Folgenden wird genauer auf den Prozessverlauf des Direkte Presshärtens eingegangen. [1]

Abbildung 1: Prozessschritte des Direkten Presshärtens [1]

An erster Stelle erfolgt das Zuschneiden der Platine auf eine bestimmte Größe. Verwendet wird hierbei für den Prozess des Direkten Presshärtens überwiegend Blech mit einer Aluminium-Silizium Beschichtung, um die Platine vor Verzunderung bei 950°C zu schützen und die notwendigen Haftungseigenschaften auf dem Grundwerkstoff (22MnB5) beim Warmumformprozess zu gewährleisten. Nach einem groben Zuschnitt wird das Werkstück in einen Ofen gelegt, um eine Diffundierung von Eisen aus den Randschichten des Grundwerkstoffes in die Beschichtung zu ermöglichen. Dieser Prozess wird als „Austenitisieren“ bezeichnet und resultiert in der Entstehung einer Fe-Al-Si Schicht. Die Temperatur und Zeit im Ofen beeinflusst die Schichtdicke, welche jedoch maximal 40 Micrometer erreichen sollte, um so etwaige Fügeprozesse (z.B. Widerstandspunktschweißen) nicht negativ zu beeinflussen. Nach einer Verweildauer von 4-10 min unter ca. 950°C im Ofen wird das Werkstück mit Hilfe eines Transfersystems innerhalb 3-10 Sekunden in eine Presse gelegt. Hier findet der charakterisierende Schritt des Direkten Presshärtens statt, dem Warmumformen und Vergüten in der Umformmaschine. Um die Temperatur der Martensitbildung (>410°C) zu erreichen, müssen Stößelgeschwindigkeiten von bis zu 350 km/h umgesetzt werden. Der Formgebungsprozess dauert hierbei nur 1-2 Sekunden und findet bei Temperaturen von 600-800°C statt. Nach dem Umformungsprozess kühlt das Werkstück im Werkzeug weitere 10-20 Sekunden auf etwa 150-200°C ab und beendet somit die Gefügeumwandlung.

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Abbildung 2: Verlauf beim Formhärten hinsichtlich der Bruchdehnung und Zugfestigkeit [2]

Nachdem das Werkstück seine endgültigen mechanischen Eigenschaften erreicht hat, wird dies auf seine finale Form gebracht und unnötiger Grat abgeschnitten. Im letzten Schritt kann nun die Oberfläche finalisiert werden, um den nötigen Korrosionsschutz zu erreichen. Eine sehr verbreitete Methode ist hierbei das Sheradisieren, ein Zink-Diffusions-Verfahren. [1] Abbildung 2 zeigt dazu den Verlauf der Eigenschaften des Werkstückes beim Direkten Presshärten. [2]

2 Vor- und Nachteile des Direkten Presshärtens In folgender Tabelle soll übersichtlich auf die Vor- und Nachteile des Direkten Presshärtens hingewiesen werden. [2]

Vorteile Nachteile - deutlich höhere Festigkeiten, als z.B. mit Kaltumformen

- Maßabweichungen des Werkstücks nach dem Öffnen des Werkzeuges möglich

- größere Gewichtseinsparung, durch höhere Festigkeiten

- wesentlich höhere Kosten für die Anlagentechnik und Werkzeugkühlung

- komplexere Bauteilgeometrien durch hohes Formänderungsvermögen

- hohe thermische Belastung des Werkzeugs (spezielle Werkzeugstähle nötig)

- geringere notwendige Umformkraft (warmes Werkstück)

- sehr aufwendig durch zusätzliche Prozessschritte (Erwärmen)

- geringe Rückfederung beim Presshärten durch das Abkühlen im Werkzeug

- lange Zykluszeiten durch Reinigung und Nachbearbeitung

- sehr hoher Energiebedarf

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3 Wahl und Beschreibung einer geeigneten Umformmaschine zur Herstellung einer B-Säule eines PKWs

Als grundlegende Pressenart kommt beim „Direkten Presshärten“ vorzugsweise eine Hydraulische Presse zum Einsatz. Der Grund liegt in der hohen Flexibilität, die es ermöglicht, den Umformprozess individuell für jeden Bauteil anzupassen. Bei der Hydraulischen Presse kann genau eingestellt werden, wie lange beispielsweise das Werkzeug zum Aushärten und Abkühlen des Werkstücks geschlossen bleiben sollte. Um den Prozess des Formhärtens weiter voran zu treiben, wurde von der Schuler AG ein Kompetenzzentrum in Göppingen geschaffen, das sich speziell mit diesem Thema und weiteren Anwendung für die automobile Serienfertigung auseinander setzt. [3] Erst im August 2015 stellte die Schuler AG ihr neuestes hydraulisches Pressensystem namens Schuler PCHflex vor, welches bis zu 4 Teile pro Hub und somit 4 Millionen Teile im Jahr herstellen kann. [4] In Abbildung 3 ist der Aufbau und die einzelnen Komponenten einer typischen Hydraulischen Presse der Schuler AG aufgezeigt. [5]

Abbildung 3: Aufbau einer Hydraulischen Presse der Schuler AG [5]

Die Schuler AG ist Weltmarktführer im Bereich Formhärten und versucht durch stetige Optimierungen hinsichtlich Flexibilität, Effizienz und Produktivität, diesen Platz zu halten. Das PCHflex Pressensystem (Pressure Controlled Hardening) soll diesen Zweck erfüllen. Der Vorteil des PCHflex-Verfahren ist ein druckgeregeltes Härten und Abkühlen, wodurch die

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Abkühlzeit und somit die Zykluszeit zum konventionellen Verfahren enorm verkürzt werden kann (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Vergleich der konventionelle und der PCH-Methode [6]

Die innovative Methode ist hierbei ein hydraulisches Kissen mit einem passenden Werkzeug. Der Druck kann so optimal geregelt werden und es bilden sich keine Wärmenester. [6]

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4 Vor- und Nachteile von Hydraulischen Pressen und der PCHflex-Technologie der Schuler AG

In folgender Tabelle soll übersichtlich auf die Vor- und Nachteile des PCHflex Pressensystem der Schuler AG hingewiesen werden. [6]

Vorteile PCHflex Nachteile PCHflex - Hochwertige Mehrfachfertigung - hohe Investitionskosten - hohe Ausbringung und reproduzierbare Bauteilqualität

- Optimale Kraftverteilung Im Werkzeug - Keine Kippung des Stößels - Kompensierung der Durchbiegung des Tisches, Stößels und Werkzeugs

- kürzere Werkzeugeinarbeitungen (kein Nachtuschieren und Unterlegen von Mehrfachwerkzeugen mehr nötig)

- Kupplung entweder automatisch oder manuell

- Kein zusätzlicher Wartungsaufwand - Kompatibilität der Werkzeuge mit älteren Pressen

- Werkzeugwechsel ebenso mit dem PCHflex-System sehr schnell

In folgender Tabelle soll allgemein auf die wichtigsten Vor- und Nachteile von Hydraulischen Pressen eingegangen werden. [7]

Vorteile Hydraulische Presse Nachteile Hydraulische Presse - Übertragung großer Kräfte (durch hohe Energiedichte)

- Temperaturempfindlichkeit, - Viskositätsänderung und - Kompressibilität des Öls

- stufenlose Regelbarkeit hinsichtlich von Geschwindigkeit und Kraft

- Dichtungsprobleme

- einfache und rasche Bewegungsumkehr -Leistungsverluste durch Flüssigkeitsreibung - Überlastungsschutz - Betriebsungenauigkeit durch

Wärmestauung - hohe Lebensdauer und geringe Wartung - hohe erforderliche Herstellgenauigkeit

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5 Literaturverzeichnis [1] Bernd Hochholdinger, Simulation des Presshärteprozesses und Vorhersage der

mechanischen Bauteileigenschaften nach dem Härten. ETH Zürich, 2012.

[2] Alexander Brosius, Thomas Kloppenborg, Hossein Karbasian, and Erman Tekkaya, Stand der Simulation bei thermisch unterstützten Umformprozessen. Inst. f. Umformtechnik u. Leichtbau TU Dortmund, 2008.

[3] Dietmar Kuhn, "Form- und Presshärten für hochbelastbare Strukturteile," http://www.maschinenmarkt.vogel.de/, 2007.

[4] Schuler AG, "Formhärte-Technologie der nächsten Generation," https://www.schulergroup.com/unternehmen/presse/pressemeldungen/tab/archiv/2015/2015_08_20_pchflex/index.html, August 2015.

[5] Schuler AG, "Die ganze Welt der Blechumformung," Forming the future, 2014.

[6] hieke ingenieurbüro data gmbh, "Formhärten mit PCH flex - Flexibel, Effizient, Produktiv," Schuler AG, 2015.

[7] Aziz Huskic, "Umformmaschinen Teil 4," Skriptum zur Lehrveranstaltung Produktionsverfahren und -systeme, 2015.