EFB-Forschungsbericht Nr. 400

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Konduktive Erwärmung von Formplatinen für das Presshärten

efb400
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dr.-Ing. Sven Hübner, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover

124 Seiten - 72,00 EUR (sw, 112 teils farbige Abb., 3 Tab.)
ISBN 978-3-86776-444-5

 

Zusammenfassung

Das Presshärten ist ein etabliertes Verfahren zur Umsetzung des automobilen Leichtbaus mit Stahl. Hierbei wird der Umformvorgang mit einer Wärmebehandlung in einem Prozess kombiniert. Das Erwärmen der Platinen erfolgt im industriellen Einsatz in der Regel in bis zu 60 m langen gasbetriebenen Rollenherdöfen. Eine Alternative hierzu bietet die konduktive Erwärmung. Die bisherigen Umsetzungen beziehen sich auf die Erwärmung von rechtecknahen Blechzuschnitten mittels einfacher Zweielektrodensysteme. Die konduktive Erwärmung von Formplatinen ist mit Zweielektrodensystemen nicht möglich. Ferner ist der Literatur zu entnehmen, dass eine konduktive Erwärmung von Formzuschnitten allgemein nicht möglich ist. Dieses Projekt erbrachte den Nachweis, dass es dennoch möglich ist.

Das vorliegende Forschungsvorhaben hat sich mit der Vergrößerung des Einsatzgebiets der konduktiven Erwärmung für das Presshärten beschäftigt. Die Erwärmung von geometrisch komplexen Formplatinen erfolgte mittels eines Mehrelektrodensystems. Dabei wurden einzelne Elektrodenpaare abwechselnd angesteuert und so eine partiell angepasste Energieumsetzung realisiert. Als Bauteilgeometrie wurde mit einem B-Säulenzuschnitt eine Praxisgeometrie in Realgröße umgesetzt. Der Erwärmungsprozess wurde mittels FEM-Berechnungen ausgelegt. Basierend darauf wurde eine Anlagentechnik zur konduktiven Erwärmung der Formplatine aufgebaut und eine Steuerung hierfür entwickelt. Mit dieser Anlage wurden zunächst Grundlagenuntersuchungen zur Erwärmung von Rechteckplatinen durchgeführt. Darauf aufbauend wurden Erwärmungsstrategien für die Formplatine erarbeitet. Aus den Untersuchungen wurde die Erkenntnis gewonnen, dass die Formplatinen mittels eines Mehrelektrodensystems prinzipiell erwärmbar sind. Alternativ zur Projektarbeit wurde eine weitere Technologie zur Erwärmung von Formplatinen vorgestellt, wobei Formzuschnitte innerhalb kürzester Zeit homogen erwärmt werden konnten.

Weiterhin wurden Presshärtversuche durchgeführt, wobei die Bauteile hinsichtlich ihrer Härte, ihres Gefüges und ihrer Zunderbildung analysiert wurden. Im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurde abschließend die Technologie der konduktiven Erwärmung energetisch und verfahrenstechnisch in Bezug auf eine industrielle Anwendbarkeit betrachtet.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Konduktive Erwärmung von Formplatinen für das Presshärten“ wurde unter der Fördernummer AiF 16248N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 400 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Press hardening is an established process in the automotive light weight construction with steel. Press hardening combines a hot forming process with following hardening of the part. Hence, the sheet metal blanks have to be heated before the forming process. In industry applications, sheet metal blanks are heated by using gas-driven roller hearth furnaces. An alternative technology is conductive heating.

Previous research used simple two-electrode-systems to heat rectangle blanks. However, using this technology for shaped blanks was not possilble. These outcomes are backed by further literature that declares conductive heating of shaped blanks as gernerally not possible.
In this research the application field of the conductive heating was extended. Conductive heating of complex shaped blanks was realised by using a multi-electrode-system. Single electrode pairs were triggered to realise a partial energy conversion. A B-pillar shaped blank geometry with actual dimensions was used as the specimen. The heating process was calculated by using the finite element analysis.

Based on this investigation a plant for conductive heating of shaped blanks was designed and a control system for the heating process was developed. Firstly, basic research on heating of rectangle blanks was conducted and several heating strategies were developed. These experiments carried out that shaped blanks can be heated with a conductive multi-electrode-system principially. An alternative technology for conductive heating of shaped blanks was presented. The shaped blanks can be heated homogenious in a short time.

Furthermore, press hardening experiments were conducted. The parts were analysed concerning hardness, microstructure and oxide scale. The economical process efficiency of the conductive heating was considered. An industrial applicability was examined regarding energy consumption and practical transfer.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen
Zusammenfassung
1    Einleitung
2    Stand der Technik
2.1    Presshärten
2.2    Konduktive Erwärmung
2.2.1    Patentlage
2.2.2    Konduktive Erwärmung von Rohren und Massivmaterial
2.2.3    Konduktive Erwärmung von Blechwerkstoffen
3    Problemstellung und Zielsetzung
4    Durchgeführte Arbeiten
4.1    Material und Platinengeometrien
4.2    Konzeption der Anlage für den Multi-Elektrodenbetrieb
4.3    Begleitende FEM-Simulationen
4.4    Entwicklung und Bau des Elektrodensystems
4.4.1    Elektrische Funktionsweise
4.4.2    Pneumatik
4.4.3    Wasserkühlung
4.4.4    Versuchsanlage
4.4.5    Anlagensteuerung
4.5    Erwärmungsversuche
4.5.1    Temperaturabgleich
4.5.2    Rechteckplatine 220 mm x 690 mm
4.5.3    Rechteckplatine 140 mm x 225 mm (Teilplatine IFUM-Bumper)
4.5.4    Formplatine B-Säulenzuschnitt
4.5.5    Alternative zur Projektarbeit: Technologie zur Erwärmung von Trapezbereichen
4.6    Implementierung der Anlage in einen Presshärtprozess
4.6.1    IFUM-Bumper
4.6.2    Kühlplattenwerkzeug
4.7    Presshärtversuche
4.8    Bauteilanalyse
4.8.1    IFUM-Bumper
4.8.2    Formplatine B-Säule
4.9    Auswertung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
4.9.1    Energetische Betrachtung
4.9.2    Technische Verfahrenseinschätzung für eine industrielle Anwendbarkeit
5    Ergebnisse
6    Literatur


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