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Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik, Professur Formgebende Fertigungsverfahren

Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius

Spezielle Fertigungsverfahren und Mikrofertigungstechnik

Presshärten

8. Dezember 2015

Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius

- 4 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Einleitung – Motivation für die

Warmblechumformung

Höhere Steifigkeit der Karosserie für mehr Sicherheit

Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs für niedrigeren Kraftstoffverbrauch

Ziel

Kaltumformung hochfester Stähle

Warmumformung und kontrolliertes Formhärten

Technologien

Einführung strengerer Umweltgesetze

Einführung strengerer Sicherheitsvorschriften

Herausforderung

- 5 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

200 1200400 600 800 1000

Zugfestigkeit R m in MPa

0

10

20

30

40

50

60

Bru

chd

ehn

un

g A

80

in %

weiche Stähle, Baustähle

Bake hardeningStähle

Isotrope Stähle

MikrolegierteStähle

hochfeste IF-Stähle

Dualphasen Stähle

Work hardeningStähle

TRIP StähleTRIP 1000

DP800 / 1000

KomplexphasenStähle CP1000

Festigkeitsklassen - Stahl

(Quelle: ThyssenKrupp Steel Europe AG)

F

sb,max

kf,0

(Kalt-)verfestigung oderGefügeumwandlung

kf,0

- 6 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Nachteile der Kaltumformung von

hochfesten Stählen

Hohe Presskräfte sind erforderlich (2-4-fach höher als bei „weichen“ Stahlgüten)

Starke Rückfederung der Teile nach dem Umformen (siehe Beispiel)

Hohe Abweichungen der Werkstoffeigenschaften von Coil zu Coil

Sehr steife Werkzeuge aus teurem Werkstoff und dennoch erhöhter Verschleiß

Neue Produktionsanlagen (Pressen) erforderlich

- 7 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Presshärten

Zugfestigkeit Rm

Bru

ch

de

hn

un

g A

80

Austenitisieren

T > Ac3 Transfer

Umformen und Abschrecken (Härten)

s

ss

dTmin/dt ≈ 27 K/s

s

T

22MnB5

- 8 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Hardening and temperingPrinzip Härten und Anlassen

Kornwachstum allgemeinKornwachstum allgemein

Zeit

(Quelle: Henseler, Brückner-Foit)

Werkstück

Abschrecken

Anlassen

Durch-wärmen

Zeit

Tem

per

atu

r

J ≈ 830 °CJ ≈ 830 °C

- 9 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Einteilung Umformverfahren

Temperaturverlauf Presshärten

KaltumformungKaltumformung WarmumformungWarmumformungHalbwarmumformungHalbwarmumformung

Unterhalb

Rekristallisations-

temperatur

Oberhalb

Rekristallisations-

temperatur

Grenzbereich

Rekristallisations-

temperatur

Beginn UmformungEnde UmformungHärten

- 10 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Verfahrensvarianten des Presshärtens

Platine Vorformen Austenitisieren Transport Kalibrieren und

Härten

s

Platine Austenitisieren Transport Umformen und

Härten

Direktes Presshärten

s

Indirektes Presshärten

- 11 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

ProzessablaufTem

pera

tur

Tin

°C

950

800

600

200

Abschre

cken

Um

form

en

Tra

nsfe

r

Auste

nitis

iere

n

Erw

ärm

en

Wärmeübertragung

Phasenumwandlung

Strahlung, Konvektion

Austenit Martensit

Zeit t in s

200 300 8 1 7

Wärmeübergang

- 13 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Pressgehärtete Bauteile

Quelle Benteler

- 14 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Pressgehärtete Bauteile

Schweller innen

Seitenaufprallträger

B-Säule innen

Trägerteil im Boden

Tunnel

Montageplatte

Stirnwand

Stoßfänger

Dachrahmen innen

- 15 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Höchstfester Vergütungsstahl 22MnB5

C (%) Mn (%) Cr (%) B (%) P (%) S (%) Si (%) Al (%) Ti (%)

0,22 1,2 0,15 0,002 0,025 0,008 0,2 0,01 0,003

Legierungsanteile

ZTU-Schaubild

Tem

pe

ratu

r

Zeit

27K/sPerlit

Ferrit

Bainit

Martensit

Mindestabkühlrate für Martensitbildung

Austenit

- 16 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Geeigneter Stahl für Presshärten

Martensit + (Bainit) 1065 1506 5,6

Lieferzustand

Nach dem Presshärten

Gefüge desGrundwerkstoffs

Rm

in MPaRp0,2

in MPaA80in %

Ferrit + Perlit 457 608 17,7

Mikrolegierter unbeschichteter Borstahl

Borstahl mit Al-Si Beschichtung für direktes Presshärten

Borstahl mit Al-Zn Beschichtung

Borstahl mit Nano-X Anstrich für indirektes Presshärten

22MnB5

0,22

C (%)

1,2

Mn (%)

0,15

Cr (%)

0,002

B (%)

0,025

P (%)

0,008

S (%)

0,2

Si (%)

0,01

Al (%)

0,003

Ti (%)

- 17 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

22MnB5

Lieferzustand und nach dem Presshärten

Lieferzustand

20 mm

Ferrit + Perlit

Nach dem Presshärten

Martensit + Bainit

20 mm

- 18 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Erwärmungsmethoden

Ofen Konduktive Erwärmung Induktive Erwärmung

Rollen Brenner Elektrokabel Induktionsspule

- 19 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Ofenanlage

Die Ofenlänge ist abhängig von der Leistung der Anlage und beträgt zwischen 20 m

und 50 m.

- 20 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Praxisbeispiel

Presse

Ausfahrtische

Platinenlader

Roboter für Teilehandling

Ofen

Zentrierstation

Fertigteilstapelplatz

Zentralsteuerung

Presshärtanlage

- 21 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Einfluss der Austenitisierungstemperatur

- 22 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Erwärmungskurve

Temperatur in °C

Zeit

in

s

0 200 400 600 800 1000

Blechdicke in mm

0,5

1,0

1,5

2,0

- 23 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Abkühlung durch Konvektion

und Strahlung

Abkühlung durch Konvektion

und Strahlung

Mit abnehmender Wärmekapazität (Blechdicke)

verkürzt sich die kritische Transferzeit

Mit abnehmender Wärmekapazität (Blechdicke)

verkürzt sich die kritische Transferzeit

Transferzeit

- 24 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Einfluss Umformbeginn

8

7

6 Stempel

Matrize

Punkt

5 6 7 8 9

9

7

1 2 3 4

80

1 2

Ble

chd

icke

sin

mm

1,33

TUB = 800 °C

4 5 6

1,8

1,4

1,6

1,7

1,5TUB = 700 °C

Flie

ßsp

ann

un

g k f

in M

Pa

100

500

200

300

400

00

650 °C

800 °C

Δkf 800-650

0,3 0,4 0,50,20,1Umformgrad φ

Umformzeit t = 1,5 s

Temperaturdifferenz nach der Umformung ΔT ≈ 150 °C

TUB: Temperatur zu Beginn der Umformung

- 25 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Einfluss Umformbeginn

8

7

6 Stempel

Matrize

Punkt

5 6 7 8 9

9

7

1 2 3 4

80

1 2

Ble

chd

icke

sin

mm

1,33

TUB = 800 °C

4 5 6

1,8

1,4

1,6

1,7

1,5TUB = 700 °C

Flie

ßsp

ann

un

g k f

in M

Pa

100

500

200

300

400

00

550 °C

700 °C

Δkf 700-550

0,3 0,4 0,50,20,1Umformgrad φ

Umformzeit t = 1,5 s

Temperaturdifferenz nach der Umformung ΔT ≈ 150 °C

TUB: Temperatur zu Beginn der Umformung

- 26 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Einfluss Umformbeginn

8

7

6 Stempel

Matrize

Punkt

5 6 7 8 9

9

7

1 2 3 4

80

1 2

Ble

chd

icke

sin

mm

1,33

TUB = 800 °C

4 5 6

1,8

1,4

1,6

1,7

1,5TUB = 700 °C

Flie

ßsp

ann

un

g k f

in M

Pa

100

500

200

300

400

00

550 °C650 °C

700 °C 800 °C

Δkf 800-650

Δkf 700-550

0,3 0,4 0,50,20,1Umformgrad φ

Umformzeit t = 1,5 s

Temperaturdifferenz nach der Umformung ΔT ≈ 150 °C

TUB: Temperatur zu Beginn der Umformung

- 27 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Austenitisierungszeit

- 28 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Automatisierungsvarianten

Teile Handling mit Roboter Teile Handling mit Feeder

- 29 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Zentrieren der Platinen

oder vorgeformten Bauteile

Der Zeitraum vom Ofenausgang bis zum geschlossenen Werkzeug ist

entscheidend für die Bauteilqualität.

Nach dem Zentrieren werden die Bauteile vom Roboter in das Werkzeug eingelegt.

- 31 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Platinenbeschnitt - Schneidverfahren

- 33 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Prozessauslegung und Prozessführung

Umformbeginn

Umformzeit

Umformgeschwindigkeit

Zeitlicher Prozessablauf

Niederhalterdistanz

Werkzeugkühlung

Werkzeugauslegung

- 34 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Thermo-mechanische FE-Simulation des

Presshärtens

Thermische Analyse

Mechanische Analyse

Thermische Randbedingungen

Wärmeübergangskoeffizienten

Wärmekapazität

Temperaturverläufe

Spannungen

Dehnungen

Mechanische EigenschaftenE-Modul

Querkontraktionszahl

Fließspannung

Anisotropiewerte

Reibung

Kontaktbedingungen

Wärmeleitung

Konvektion

Strahlung

- 35 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

FE-Simulation des Presshärtens

Mechanische Analyse Thermische Analyse

Mechanisches Modell Thermisches ModellVerschiebung

Materialkennwerte

Thermo-Mechanisches Modell

Thermisches Modell

MSC. MARC

Mechanisches Modell

Pam Stamp 2G

TemperaturGeometrie

Ge

om

etr

ie

Temperatur in °CBlechdicke in mm

595

570

545

520

1,80

1,76

1,72

1,68

TemperaturMaterial-

datenbank

- 41 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Prozessparameter

f T

s

Fließspannung

E-Modul

Querkontraktionszahl

ReibungMe

ch

an

isc

he

Pa

ram

ete

r

Th

erm

isc

he

Pa

ram

ete

r Wärmekapazität

Wärmeleitung

Wärmeübergangskoeffizienten:

Konvektion

Leitung

Strahlung

Niederhalter

Matrize

Stempel

Platine

pc f T

condh f p,T

convh f T

radh f T

f T

f p,Tm

fk f , ,T ,T

E f T

q

q

q

q

F

Platine Austenitisieren Transport Umformen und

Härten

Direktes Presshärten

- 42 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Wechselwirkung zwischen Fließverhalten,

Wärmeübertragung und Phasenumwandlung

Kontaktbedingungen

Wärmeentwicklung

infolge der Umformung

Wärmeausdehnung

Umwandlungswärme

Thermische

Kennwerte

Phasenumwandlung

Transformationsplastizität

Materialkennwerte

Phasenumwandlung

Fließverhalten

Volumenänderung

Materialkennwerte

Phasenumwandlung

Wärmeübertragung

- 43 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Wärmeübergangskoeffizient

A: Kontaktfläche

cP: Wärmekapazität

t: Zeit

T( t ): Temperatur

T0: Anfangstemperatur der Probe

Tu: Temperatur der Kontaktplatte

0

Acond cph t

u uT t T T e T

Federnd gelagerte Distanzstifte

Wasser-

kühlung

Probe

58x160 mm2

Grundplatte

Auswechselbare

Kontaktplatte

Versuchsaufbau

Probe

Auswechselbare

Kontaktplatte

Thermoelement

Ni/Cr-Ni

- 44 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Einflussgrößen auf die Fließspannung

Ausscheidungs-zustand

Gefügezustand

Korngröße Phasenaufbau

Umform-

temperatur

Umform-

geschwindigkeitUmformgrad

WerkstoffHomogenität

Isotropie

Chemische

Zusammen-

setzung

Anzahl der

UmformschrittePausenzeiten

Ermittlung derAnisotropiewerte

Walzrichtung

0°45°

90° r0 , r45 , r90

r =r0+r90-2r45

2

Stapelfehler-energie

Temperatur

Flie

ßs

pa

nn

un

g

Ermittlung derWarmfließkurven

T0 T0+ T T0+2 T

Warmfließkurven

mögliche Abhängigkeit derr-Werte von der Temperatur

UmformgradF

ließ

sp

ann

ung

- 45 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Ermittlung der Warmfließkurven

StromzuführungCCD-Kamera

Probe

Kraftmessdose

Ni/Cr-Ni

Thermoelemente

Druckluftdüse

Umformgrad φ

Fli

eß

sp

an

nu

ng

kf

in M

Pa

0

100

200

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

800 °C

300

400

500500 °C

650 °C

22MnB5

dφ/dt = 0,1 s-1

Exp.

Sim.

- 46 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Ablauf der Warmzugversuche

TZugversuch= T1

Tem

pera

tur

in °

C

Zeit in minca. 5 min

950

Abkühlgeschwindigkeitwährend des Presshärtens

a

a:

TZugversuch = T2

TZugversuch = T3

Umformgrad

Fließspannung

T3

T2

T1

- 48 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Demonstratorgeometrie

•

Volumenmodell:

MSC. MARC

PAM-STAMP

Schalenmodell:

LS-DYNA

Temperatur in °C

170

140

110

80

50

20

Matrize

Niederhalter

Stempel

•

•

Werkzeugmodell

LS-DYNAY

X

Z

YX

Z

Symmetrie-ebene

•

WerkzeugsystemBauteil (400x150 mm)

- 49 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Thermografieaufnahmen

Vor demPresshärten Haltezeit: 20 sHaltezeit: 5 s Haltezeit: 10 s Haltezeit: 15 s

Prozessablauf in s

0

Abkühlen

8 9,2

Um-formen

20 200 380 650 20 150 280 410 20 110 200 290 20 70 120 170200 400 600 800

Transport

14,2 19,2 24,2 29,2

Temperatur in °C

- 50 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Temperaturmessung am Werkzeug

Thermoelement

Stempel

T1 ,

T3

T2 , T4

0 50 100 150 200 250 300

100

80

60

40

20

T2

T1

T2

T3

T4

Tem

pera

tur

in °

CZeit in s

- 51 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

T1

T2

T3

T4

T1 ,

T3

T2 , T4

Zeit in sTem

pera

tur

in °

C

100

80

60

40

202,5 5 7,5 10 12,5 15

T4

T3

T2

T1

0

Thermoelement

Stempel

Temperaturmessung am Werkzeug

- 52 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Werkzeugtemperierung

- 54 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Prozessoptimierung

Niederhalterdistanz

0

1

2

3

4

Blechdicke in mm

1,76

1,69

1,62

1,55

1,48

s

LN

H

LS-DYNA

LNH

in m

m

FE-Modell Werkzeugsystem

Stempel

Nieder-halter

Platine

Matrize

Nicht

umformbar

Optimal

Nicht

reproduzierbar

Wärm

eü

bert

rag

un

gNiederhalterdistanz LNH

- 55 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Prozessoptimierung

Niederhalterdistanz

s

LN

H

1,76

1,74

1,72

1,70

1,68

LS-DYNA

FE-Modell Werkzeugsystem

Stempel

Nieder-halter

Platine

Matrize

Nicht

umformbar

Optimal

Nicht

reproduzierbar

Blechdicke in mm

Niederhalterdistanz LNH

0

1

2

3

4

LNH

in m

m

Wärm

eü

bert

rag

un

g

- 56 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Prozessoptimierung

Niederhalterdistanz

LNH

in m

m

1,77

1,74

1,71

1,68

1,65

s

LN

H

LS-DYNA

0

1

2

3

4

FE-Modell Werkzeugsystem

Stempel

Nieder-halter

Platine

Matrize

Nicht

umformbar

Optimal

Nicht

reproduzierbar

Wärm

eü

bert

rag

un

g

Blechdicke in mm

Niederhalterdistanz LNH

- 57 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Härtemessung

ZTU-Diagramm

22MnB5

s

Vic

ke

rsh

ärt

e

600

12

34

5 05

1015

20

500

400

300

200

100

0

s

A - A

1

2

3

4

5

A

A

A+F

A+P

A+B

A+M

0,2100

150475

Abkühlenin K/s

HV

200

100

0

800

700

600

500

400

300

900

0,1 1 10 100 1000

50%

Time in s

Tem

pera

tur

in °

C

3

182

27

473

20

417

Abschreckzeit: 5 s

Abschreckzeit: 10 s

- 58 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Zugfestigkeit und Härte

Kaltumformen

Zugfestigkeit Rm in MPa (Vickershärte)

Warmumformen und Abschrecken an der Luft

Warmumformen und Abschrecken im Wasser

Indirektes Presshärten, t = 7 s

Direktes Presshärten, t = 5 s

Direktes Presshärten, t = 7 s

Direktes Presshärten, t = 10 s

632 (188)

1087 (363)

1102 (371)

1420 (470)

1451 (492)

1453 (496)

1480 (511)

0 250 750 1000 1250 1500

Prozessführung

500

t : Haltezeit

- 60 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

B-Säule mit gradierten Eigenschaften

Thermische Prozessführung(Tailored heated / annealed)Thermische Prozessführung(Tailored heated / annealed)Tailor-welded blanksTailor-welded blanks

Höchstfester Vergütungsstahl22MnB5

Rm = 600 MPa

A = 15%

Mikrolegierter Stahl

Rm = 500 MPa

A = 15%

Höchstfester Vergütungsstahl22MnB5

Rm = 1.500 MPa

A = 4,5%

ÜbergangszoneSchweißnaht

- 61 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Herstellung der Bauteile mit gradierten

Eigenschaften

Tailored PropertiesTailored Properties

- 62 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Verfahrenshistorie

Formgehärtete Seitenaufprallträger werden in PKW-Türen eingebaut.

Das Verfahren wurde bereits zur Herstellung von Sägeblättern verwendet

In den 80er Jahren wurde es erstmals in der Automobilindustrie eingesetzt.

Das Verfahren wurde für die schwedische Firma Plania in Luleå patentiert

Das erste Sicherheitsbauteil, ein Seitenaufprallträger, wurde im Saab 9000

eingesetzt

In den USA kam das Verfahren in den frühen 90er Jahren zur Anwendung

Heute sind mehr als 100 Produktionsanlagen auf der ganzen Welt im Einsatz

(Quelle: )

- 63 -FT II – Umformtechnik WS2014/15 | Sonderverfahren Presshärten

Vor- und Nachteile des Presshärtens

Vorteile

Hohe Zugfestigkeit bis zu 1.500 MPa

Gewichtsreduzierung des Bauteils

Größere Konstruktionsfreiheit

Sehr gute Wiederholgenauigkeit bei langen Produktionsläufen ohne Rückfederung

Erforderliche Presskräfte für Formhärten zwischen 4 - 12 MN (400 - 1.200 to)

gegenüber 25 - 30 MN (2.500 3.000 to) bei Kaltumformung von hochfesten Stählen

Nachteile

Neue Investitionen für Produktionsanlagen erforderlich

Das Beschneiden der hochfesten Bauteile ist teuer und verschleißbehaftet

Wenige Firmen haben Erfahrung mit Konstruktion und Bau der

Formhärtewerkzeuge

Um die Zunderbildung zu verhindern, sind Materialbeschichtungen,

Schutzgasatmosphäre im Ofen oder ein Abstrahlen der Bauteile erforderlich