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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