Die Hochgeschwindigkeits-Warmumform-Produktionslinie für ultrahochfesten Stahl (Aluminium)
Hauptmerkmale
Die Produktionslinie ist darauf ausgelegt, den Fertigungsprozess von Automobilteilen durch den Einsatz von Warmumformtechnologie zu optimieren. Dieses Verfahren, in Asien als Warmumformung und in Europa als Presshärten bekannt, beinhaltet das Erhitzen des Rohmaterials auf eine bestimmte Temperatur und dessen anschließendes Pressen in entsprechenden Formen mittels hydraulischer Presstechnik. Dabei wird der Druck aufrechterhalten, um die gewünschte Form zu erzielen und eine Phasenumwandlung des Metalls zu bewirken. Die Warmumformtechnik lässt sich in direkte und indirekte Warmumformverfahren unterteilen.
Vorteile
Einer der Hauptvorteile warmumgeformter Strukturbauteile ist ihre hervorragende Umformbarkeit, die die Herstellung komplexer Geometrien mit außergewöhnlicher Zugfestigkeit ermöglicht. Die hohe Festigkeit warmumgeformter Teile erlaubt die Verwendung dünnerer Bleche, wodurch das Gewicht der Bauteile reduziert wird, ohne die strukturelle Integrität und das Crashverhalten zu beeinträchtigen. Weitere Vorteile sind:
Reduzierte Verbindungsarbeiten:Durch die Heißprägetechnologie verringert sich der Bedarf an Schweiß- oder Schraubverbindungen, was zu einer höheren Effizienz und verbesserter Produktintegrität führt.
Minimierte Rückfederung und Verformung:Durch das Warmumformverfahren werden unerwünschte Verformungen wie Rückfederung und Verzug minimiert, wodurch eine präzise Maßgenauigkeit gewährleistet und der Bedarf an Nachbearbeitung reduziert wird.
Weniger Teilefehler:Warmumgeformte Teile weisen im Vergleich zu kaltumgeformten Teilen weniger Defekte wie Risse und Spalten auf, was zu einer verbesserten Produktqualität und weniger Abfall führt.
Untere Presskraft:Durch das Warmumformen wird im Vergleich zu Kaltumformverfahren die erforderliche Presskraft reduziert, was zu Kosteneinsparungen und einer höheren Produktionseffizienz führt.
Anpassung der Materialeigenschaften:Durch die Heißprägetechnologie können die Materialeigenschaften anhand bestimmter Bereiche des Bauteils individuell angepasst werden, wodurch Leistung und Funktionalität optimiert werden.
Verbesserte mikrostrukturelle Eigenschaften:Durch Heißprägen lässt sich die Mikrostruktur des Materials verbessern, was zu besseren mechanischen Eigenschaften und erhöhter Produktlebensdauer führt.
Optimierte Produktionsschritte:Durch Heißprägen werden Zwischenschritte in der Fertigung eliminiert oder reduziert, was zu einem vereinfachten Produktionsprozess, höherer Produktivität und kürzeren Lieferzeiten führt.
Produktanwendungen
Die Hochgeschwindigkeits-Warmumformanlage für hochfesten Stahl (Aluminium) findet breite Anwendung in der Fertigung von Karosserieteilen für Automobile. Dazu gehören Säulenbaugruppen, Stoßfänger, Türträger und Dachrelingbaugruppen für Pkw. Darüber hinaus wird der Einsatz von durch Warmumformung verarbeitbaren Hochleistungslegierungen zunehmend in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigungsindustrie und in Schwellenländern erforscht. Diese Legierungen bieten die Vorteile höherer Festigkeit und geringeren Gewichts, die mit anderen Umformverfahren nur schwer zu erreichen sind.
Zusammenfassend gewährleistet die Hochgeschwindigkeits-Warmumformanlage für hochfesten Stahl (Aluminium) die präzise und effiziente Fertigung komplex geformter Karosserieteile. Dank überlegener Umformbarkeit, reduziertem Fügeaufwand, minimierten Fehlern und verbesserten Materialeigenschaften bietet diese Produktionslinie zahlreiche Vorteile. Ihre Anwendungsmöglichkeiten erstrecken sich auf die Herstellung von Rohkarosserieteilen für Pkw und bieten Potenzial für die Luft- und Raumfahrt, die Verteidigungsindustrie und aufstrebende Märkte. Investieren Sie in die Hochgeschwindigkeits-Warmumformanlage für hochfesten Stahl (Aluminium), um herausragende Leistung, Produktivität und Vorteile im Leichtbau in der Automobilindustrie und verwandten Branchen zu erzielen.
Was ist Heißprägen?
Warmumformung, in Europa auch als Presshärten und in Asien als Warmpressen bekannt, ist ein Umformverfahren, bei dem ein Rohling auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und anschließend in der entsprechenden Matrize unter Druck gestanzt und abgeschreckt wird. Dadurch wird die gewünschte Form erzielt und eine Phasenumwandlung im Metall induziert. Bei der Warmumformung werden Borstahlbleche (mit einer Ausgangsfestigkeit von 500–700 MPa) in den austenitisierten Zustand erhitzt, schnell in die Matrize überführt und dort mit einer Abkühlrate von über 27 °C/s abgeschreckt. Anschließend erfolgt eine Haltezeit unter Druck, um hochfeste Stahlbauteile mit gleichmäßiger martensitischer Struktur zu erhalten.
Die Vorteile des Heißprägens
Verbesserte Zugfestigkeit und die Fähigkeit zur Herstellung komplexer Geometrien.
Durch die Verwendung dünnerer Bleche konnte das Bauteilgewicht reduziert werden, wobei die strukturelle Integrität und die Crashsicherheit erhalten blieben.
Verringerter Bedarf an Verbindungsvorgängen wie Schweißen oder Verschrauben.
Minimierte Rückfederung und Verformung der Teile.
Weniger Materialfehler wie Risse und Spalten.
Geringerer Presskraftbedarf im Vergleich zur Kaltumformung.
Fähigkeit, die Materialeigenschaften auf Basis spezifischer Bauteilzonen anzupassen.
Verbesserte Mikrostrukturen für bessere Leistung.
Optimierter Fertigungsprozess mit weniger Arbeitsschritten zur Herstellung eines fertigen Produkts.
Diese Vorteile tragen zur Gesamteffizienz, Qualität und Leistungsfähigkeit warmumgeformter Strukturbauteile bei.
Weitere Details zum Heißprägen
1. Heißprägen vs. Kaltprägen
Beim Warmumformen wird das Stahlblech vorgewärmt, beim Kaltumformen wird das Stahlblech direkt ohne Vorwärmen umgeformt.
Kaltumformung bietet deutliche Vorteile gegenüber der Warmumformung. Sie weist jedoch auch einige Nachteile auf. Aufgrund der höheren Spannungen, die beim Kaltumformprozess im Vergleich zur Warmumformung entstehen, sind kaltumgeformte Produkte anfälliger für Risse und Spalten. Daher ist für die Kaltumformung eine präzise Stanzausrüstung erforderlich.
Beim Warmumformen wird das Stahlblech vor dem Umformen auf hohe Temperaturen erhitzt und gleichzeitig im Werkzeug abgeschreckt. Dies führt zu einer vollständigen Umwandlung des Stahlgefüges in Martensit, wodurch eine hohe Festigkeit von 1500 bis 2000 MPa erreicht wird. Folglich weisen warmumgeformte Produkte eine höhere Festigkeit auf als kaltumgeformte.
2. Ablauf des Heißprägeprozesses
Beim Warmumformen, auch bekannt als Presshärten, wird ein hochfestes Blech mit einer Ausgangsfestigkeit von 500–600 MPa auf Temperaturen zwischen 880 und 950 °C erhitzt. Anschließend wird das erhitzte Blech schnell umgeformt und im Werkzeug abgeschreckt, wobei Abkühlraten von 20–300 °C/s erreicht werden. Die Umwandlung von Austenit in Martensit während des Abschreckens erhöht die Festigkeit des Bauteils deutlich und ermöglicht die Herstellung von Stanzteilen mit Festigkeiten von bis zu 1500 MPa. Warmumformverfahren lassen sich in zwei Kategorien einteilen: direktes und indirektes Warmumformen.
Beim direkten Warmumformen wird der vorgewärmte Rohling direkt in ein geschlossenes Werkzeug zum Stanzen und Abschrecken eingeführt. Zu den nachfolgenden Prozessschritten gehören Abkühlen, Kantenbeschneiden und Lochen (oder Laserschneiden) sowie die Oberflächenreinigung.
Merkmal 1: Heißprägeverfahren – direkte Heißprägung
Beim indirekten Warmumformverfahren wird der Kaltumformungsschritt vor den eigentlichen Schritten Erhitzen, Warmumformen, Kantenbeschneiden, Lochen und Oberflächenreinigung durchgeführt.
Der Hauptunterschied zwischen indirektem und direktem Warmumformen liegt im zusätzlichen Kaltumformungsschritt vor dem Erhitzen beim indirekten Verfahren. Beim direkten Warmumformen wird das Blech direkt in den Heizofen eingeführt, während beim indirekten Warmumformen das kaltumgeformte, vorgeformte Bauteil in den Heizofen gegeben wird.
Der Prozessablauf beim indirekten Warmumformen umfasst typischerweise die folgenden Schritte:
Kaltumformung (Vorformung) – Erhitzen – Heißprägen – Kantenbeschneiden und Lochen – Oberflächenreinigung
Feature 2: Heißprägeverfahren – indirekte Heißprägung
3. Die Hauptausrüstung für das Warmumformen umfasst einen Heizofen, eine Warmumformpresse und Warmumformwerkzeuge.
Heizofen:
Der Heizofen ist mit Heiz- und Temperaturregelungseinrichtungen ausgestattet. Er kann hochfeste Bleche innerhalb einer vorgegebenen Zeit auf die Rekristallisationstemperatur erhitzen und so einen austenitischen Zustand erreichen. Er muss für die Anforderungen einer automatisierten, kontinuierlichen Großproduktion geeignet sein. Da der erhitzte Rohling nur von Robotern oder Roboterarmen gehandhabt werden kann, benötigt der Ofen eine automatisierte Be- und Entladung mit hoher Positioniergenauigkeit. Beim Erhitzen unbeschichteter Stahlbleche muss er zudem einen Gasschutz gewährleisten, um Oberflächenoxidation und Entkohlung des Rohlings zu verhindern.
Warmumformpresse:
Die Presse ist das Herzstück der Warmumformtechnik. Sie muss schnelles Stanzen und Halten ermöglichen und über ein Schnellkühlsystem verfügen. Die technische Komplexität von Warmumformpressen übertrifft die herkömmlicher Kaltumformpressen bei Weitem. Derzeit beherrschen nur wenige ausländische Unternehmen die Konstruktions- und Fertigungstechnologie solcher Pressen, und sie sind alle auf Importe angewiesen, was sie teuer macht.
Heißprägeformen:
Warmumformwerkzeuge führen sowohl die Umformung als auch die Abschreckphase durch. In der Umformphase wird der Rohling in den Formhohlraum eingeführt. Die Formgebung erfolgt zügig, um die vollständige Formgebung des Bauteils sicherzustellen, bevor die martensitische Phasenumwandlung des Materials einsetzt. Anschließend folgt die Abschreck- und Kühlphase, in der die Wärme des Werkstücks kontinuierlich an die Form abgegeben wird. Kühlrohre in der Form führen die Wärme durch das strömende Kühlmittel ab. Die martensitisch-austenitische Umwandlung beginnt, sobald die Werkstücktemperatur auf 425 °C sinkt. Sie ist bei 280 °C abgeschlossen, und das Werkstück wird bei 200 °C entnommen. Die Formhalterung verhindert ungleichmäßige Wärmeausdehnung und -kontraktion während des Abschreckprozesses, die zu erheblichen Form- und Maßänderungen des Bauteils und damit zu Ausschuss führen könnten. Darüber hinaus verbessert sie die Wärmeübertragung zwischen Werkstück und Form und fördert so ein schnelles Abschrecken und Abkühlen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hauptausrüstung für das Warmumformen aus einem Heizofen zum Erreichen der gewünschten Temperatur, einer Warmumformpresse zum schnellen Umformen und Halten mit einem Schnellkühlsystem sowie Warmumformwerkzeugen besteht, die sowohl Umform- als auch Abschreckvorgänge durchführen, um eine ordnungsgemäße Teilebildung und effiziente Kühlung zu gewährleisten.
Die Abschreckgeschwindigkeit beeinflusst nicht nur die Produktionszeit, sondern auch die Umwandlungseffizienz zwischen Austenit und Martensit. Die Abkühlgeschwindigkeit bestimmt die Art der entstehenden Kristallstruktur und steht in Zusammenhang mit der endgültigen Härtung des Werkstücks. Die kritische Abkühltemperatur von Borstahl liegt bei etwa 30 °C/s. Nur wenn die Abkühlgeschwindigkeit diese kritische Temperatur überschreitet, wird die Bildung einer martensitischen Struktur optimal gefördert. Bei einer Abkühlgeschwindigkeit unterhalb der kritischen Temperatur entstehen nicht-martensitische Strukturen wie Bainit im Werkstück. Grundsätzlich gilt: Je höher die Abkühlgeschwindigkeit, desto besser. Eine zu hohe Abkühlgeschwindigkeit kann jedoch zu Rissen im Werkstück führen. Der optimale Bereich der Abkühlgeschwindigkeit muss daher anhand der Materialzusammensetzung und der Prozessbedingungen ermittelt werden.
Da die Auslegung der Kühlrohre direkt mit der Kühlgeschwindigkeit zusammenhängt, erfolgt die Auslegung in der Regel unter dem Gesichtspunkt maximaler Wärmeübertragungseffizienz. Daher ist der Verlauf der Kühlrohre komplexer und lässt sich nach dem Formguss nur schwer durch mechanisches Bohren realisieren. Um Einschränkungen durch die mechanische Bearbeitung zu vermeiden, werden die Wasserkanäle üblicherweise vor dem Formguss angelegt.
Da die Warmumformwerkzeuge über einen längeren Zeitraum Temperaturen von 200 °C bis 880–950 °C unter wechselnden Kälte- und Wärmebedingungen ausgesetzt sind, müssen sie eine hohe Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweisen und der starken thermischen Reibung des heißen Rohlings sowie dem abrasiven Verschleiß durch abgelagerte Oxidpartikel widerstehen. Darüber hinaus sollte das Werkzeugmaterial eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Kühlmittel besitzen, um einen reibungslosen Kühlfluss zu gewährleisten.
Trimmen und Piercen
Da die Festigkeit der Teile nach dem Warmumformen etwa 1500 MPa erreicht, sind beim Pressschneiden und Stanzen höhere Presskräfte erforderlich, und der Verschleiß der Schneidkanten ist erheblich. Daher werden zum Schneiden von Kanten und Bohrungen häufig Laserschneidanlagen eingesetzt.
4. Gängige Sorten von Warmumformstahl
Leistung vor dem Stempeln
Leistung nach dem Stempeln
Derzeit ist B1500HS die gängigste Stahlsorte für die Warmumformung. Die Zugfestigkeit vor dem Umformen liegt üblicherweise zwischen 480 und 800 MPa, nach dem Umformen kann sie 1300 bis 1700 MPa erreichen. Das heißt, aus einer Stahlplatte mit einer Zugfestigkeit von 480 bis 800 MPa lassen sich durch Warmumformung Bauteile mit einer Zugfestigkeit von etwa 1300 bis 1700 MPa herstellen.
5. Die Verwendung von warmumgeformtem Stahl
Durch den Einsatz von Warmumformteilen lässt sich die Aufprallsicherheit von Automobilen deutlich verbessern und das Gewicht der Rohkarosserie reduzieren. Aktuell wird die Warmumformtechnologie bei Rohkarosserieteilen von Pkw wie dem Fahrgestell, der A-Säule, der B-Säule, dem Stoßfänger, den Türträgern und der Dachreling angewendet. Abbildung 3 zeigt beispielhafte, für die Gewichtsreduzierung geeignete Teile.
Abbildung 3: Weiße Gehäuseteile, geeignet für Heißprägung
Abb. 4: Jiangdong Machinery 1200-Tonnen-Heißprägeanlagenlinie
Die Produktionslinienlösungen für hydraulische Warmumformpressen von JIANGDONG MACHINERY sind derzeit sehr ausgereift und stabil und gehören im Bereich der Warmumformung in China zu den führenden Anbietern. Als stellvertretender Vorsitzender der Schmiedemaschinen-Sektion des Chinesischen Werkzeugmaschinenverbands sowie als Mitglied des Chinesischen Normungsausschusses für Schmiedemaschinen haben wir auch die Forschungs- und Anwendungsarbeit für das nationale Hochgeschwindigkeits-Warmumformen von Stahl und Aluminium übernommen, was maßgeblich zur Förderung der Entwicklung der Warmumformindustrie in China und sogar weltweit beigetragen hat.
