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DE102009038896B4 - Method for producing a structural component joined from a first and a second component, and device for carrying out the method - Google Patents

Method for producing a structural component joined from a first and a second component, and device for carrying out the method Download PDF

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DE102009038896B4
DE102009038896B4 DE102009038896.6A DE102009038896A DE102009038896B4 DE 102009038896 B4 DE102009038896 B4 DE 102009038896B4 DE 102009038896 A DE102009038896 A DE 102009038896A DE 102009038896 B4 DE102009038896 B4 DE 102009038896B4
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Dr. Bangel Martin
Dr. Mauermann Reinhard
Thomas Kropp
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Audi AG
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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines aus einem ersten und zweiten Bauteil (1, 2) gefügten Strukturbauteils, bei welchem- das erste Bauteil (1) mittels eines Warmumformprozesses aus einer Platine umgeformt und während des Warmumformprozesses in einem Fügebereich (3) die Dicke (D) des ersten Bauteils (1) auf einen vorgegebenen Wert (d) durch Prägen verringert wird, und- mit dem Prägen des ersten Bauteils (1) im Fügebereich (3) mittels eines Prägestempels (7) eine den geprägten Bereich umgebende Materialanhäufung (6) erzeugt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:a) Lochen des ersten Bauteils (1) im Fügebereich (3) zur Erzeugung eines Vorloches (4), wobei zwischen der das Vorloch (4) umlaufenden Materialanhäufung (6) und der Randfläche des Vorlochs (4) ein schmaler Randbereich verläuft, undb) Durchsetzfügen des vorgelochten ersten Bauteils (1) mit dem zweiten Bauteil (2) zur Herstellung eines Fügepunktes (5) im Fügebereich (3) mittels einer Matrize (8) und eines zugehörigen Stempels (9), wobei die Materialanhäufung (6) matrizenseitig angeordnet wird.Method for producing a structural component joined from a first and a second component (1, 2), in which the first component (1) is formed from a blank by means of a hot forming process and during the hot forming process in a joining region (3) the thickness (D) of the the first component (1) is reduced to a predetermined value (d) by embossing, and -the embossing of the first component (1) in the joining region (3) by means of an embossing stamp (7) generates a material accumulation (6) surrounding the embossed region characterized by the following method steps: a) punching of the first component (1) in the joining region (3) to produce a pre - hole (4), wherein between the material accumulation (6) encircling the pre - hole (4) and the edge surface of the pre - hole (4) narrow edge region runs, and b) inserting the pre-punched first component (1) with the second component (2) for producing a joining point (5) in the joining region (3) by means of a die (8) and a associated stamp (9), wherein the accumulation of material (6) is arranged on the die side.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem ersten und zweiten Bauteil gefügten Strukturbauteils gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 8.The invention relates to a method for producing a structural component joined from a first and a second component according to the preamble of patent claim 1 as well as a device for carrying out the method according to the invention according to the preamble of patent claim 8.

Die gattungsbildende DE 10 2004 005 568 A1 beschreibt ein Bauteil aus einem Metallblech, welches in einem Verbindungsbereich mit mindestens einem weiteren Bauteil aus Metallblech unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens, insbesondere des Punktschweißens gefügt werden soll. Dabei besteht das Problem, dass mit Hilfe des Punktschweißens nur dann ein gutes Fügeergebnis erzielbar ist, wenn die gesamte Materialstärke der aufeinanderliegenden und zu fügenden Blechteile eine Dicke von 3 mm nicht wesentlich übersteigt. Dieses Problem wird gemäß dieser DE 10 2004 005 568 A1 dadurch gelöst, dass eines dieser Bauteile im Verbindungsbereich mit einer lokal begrenzten Einprägung versehen wird, wobei in diesem Verbindungsbereich die Materialstärke des Bauteils lokal reduziert ist. Die Einprägung wird im Zuge eines Kalt- oder eines Warmumformverfahrens in das Bauteil eingebracht.The generic DE 10 2004 005 568 A1 describes a component made of a metal sheet which is to be joined in a connection region with at least one further component made of sheet metal using a thermal joining method, in particular spot welding. There is the problem that with the help of the spot welding only a good joining result can be achieved if the total material thickness of the superposed and to be joined sheet metal parts does not significantly exceed a thickness of 3 mm. This problem will be according to this DE 10 2004 005 568 A1 achieved in that one of these components is provided in the connection region with a localized imprint, wherein in this connection region, the material thickness of the component is locally reduced. The impression is introduced in the course of a cold or a hot forming process in the component.

Es ist bekannt durch Warmumformen und Presshärten von Stahlblech hochfester Stähle, wie z. Bsp. 22MnB5 mit einer Zugfestigkeit von 1400-1600 MPa herzustellen, indem in einem Ofen oder mittels eines anderen Verfahrens, bspw. Induktionserhitzen Blechplatinen auf etwa 9500 erhitzt werden und anschließend mit einem gekühlten Umformwerkzeug, welches aus Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil mit Matrize, Stempel und Blechhalter besteht, durch Warmumformung zu einem Formteil umgeformt. Hierbei wird das Stahlblech als Blechplatine im gekühlten Umformwerkzeug mit einem vorgegebenen Temperaturgradienten abgekühlt und durch eine Gefügeumwandlung (Martensitbildung) gehärtet.It is known by hot forming and press hardening of steel sheet of high-strength steels, such as. For example, 22MnB5 with a tensile strength of 1400-1600 MPa by heating in a furnace or by another method, for example. Induction heating sheet metal blanks to about 950 0 and then with a cooled forming tool, which consists of die top and tool base with die, punches and Sheet holder is formed by hot forming into a molded part. Here, the steel sheet is cooled as a sheet metal blank in the cooled forming tool with a predetermined temperature gradient and cured by a structural transformation (martensite).

So ist bspw. aus der DE 10 2007 043 154 A1 ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Profilen bekannt, bei dem ein Blechband zu einem Profil umgeformt wird, das Profil auf eine Temperatur über der Austenitisierungstemperatur aufgeheizt wird und dieses zuvor erhitzte Profil mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt und anschließend einer Vorrichtung zum Prägen oder Einschneiden von Ausnehmungen zugeführt wird.So is, for example, from the DE 10 2007 043 154 A1 a method for producing hardened profiles is known, in which a sheet metal strip is formed into a profile, the profile is heated to a temperature above the Austenitisierungstemperatur and cooled this previously heated profile with a speed above the critical hardness speed and then a device for embossing or Cutting recesses is supplied.

Solche höchstfeste und presshärtbare Stähle werden im Fahrzeugbau in crashrelevanten Bereichen der Fahrzeug-Stahlkarosserie eingesetzt. Als Fügetechnologien können Schweißverfahren eingesetzt werden, wobei die Herstellung von hybriden Blechstrukturbauteileh, bspw. Aluminium-Stahl-Strukturbauteile an die Fügetechnologie hohe Anforderungen stellt.Such high-strength and press-hardenable steels are used in vehicle construction in crash-relevant areas of the vehicle steel body. Welding methods can be used as joining technologies, with the production of hybrid sheet metal structural components, for example aluminum-structural structural components, placing high demands on the joining technology.

Es ist bekannt, Alu- und Stahlbauteile mechanisch, ggf. mit Kleben zu fügen, wobei automatisierbare, mechanische Fügeverfahren ohne Vorlochen der Bauteile, wie Stanznieten, Clinchen (auch Durchsetzfügen genannt) sowie loch- und gewindeformendes Schrauben wirtschaftlich sind. Diese Fügeverfahren können jedoch für die oben beschriebenen hochfesten und presshärtbaren Stähle nicht wirtschaftlich eingesetzt werden, da diese im gehärteten Zustand nicht ausreichend umformbar sind.It is known to add aluminum and steel components mechanically, possibly with gluing, with automatable, mechanical joining methods without pre-punching of the components, such as punched rivets, clinching (also called clinching) as well as hole- and thread-forming screws are economical. However, these joining methods can not be used economically for the above-described high-strength and press-hardenable steels, since they are not sufficiently formable in the cured state.

Auch ist das Clinchen mit Vorloch als umformendes Fügeverfahren bekannt, bei dem einer der Fügepartner im Fügebereich vorgelocht ist und nur der nicht vorgelochte Fügepartner umgeformt wird. Dadurch eignet es sich insbesondere zum Clinchen von Verbindungen, bei denen einer der Fügepartner nicht oder nur eingeschränkt umformbar ist und daher diese nicht als Fügepartner zur Herstellung von Clinch-Verbindungen ohne Vorloch geeignet sind, wie bspw. die oben beschriebenen Verbindungen aus, hochfesten presshärtbaren Stählen und Aluminium. Bei solchen hybriden Verbindungen weist der pressgehärtete Stahl als Fügepartner in der Regel eine größere Dicke auf als der andere Fügepartner aus Aluminium. Die pressgehärteten Stähle werden mittels eines Lasers oder mittels Stanzen gelocht, auch Wasserstrahlschneiden ist hierfür geeignet. Aufgrund der hohen Härte bzw. Festigkeit und der Dicke dieses Fügepartners ist das Lasern und Stanzen technologisch aufwendig und führt oft zu geringen Standzeiten, so dass eine wirtschaftliche Fertigung solcher hybrider Strukturbauteile nicht immer möglich ist.Also, clinching with a pre-hole is known as a reshaping joining method in which one of the joining partners is pre-punched in the joining area and only the non-pre-punched joining partner is reshaped. This makes it particularly suitable for clinching compounds in which one of the joining partners is not or only partially deformable and therefore they are not suitable as joining partners for the production of clinch connections without pre-hole, such as the compounds described above, high-strength press-hardenable steels and aluminum. In such hybrid compounds, the press-hardened steel usually has a greater thickness as a joining partner than the other aluminum joining partner. The press-hardened steels are perforated by means of a laser or by punching, also water-jet cutting is suitable for this purpose. Due to the high hardness or strength and the thickness of this joining partner, the laser and punching is technologically complex and often leads to low downtime, so that an economical production of such hybrid structural components is not always possible.

Ein Durchsetzfügen (Clinchen) ist bspw. aus der DE 101 51 659 A1 bekannt, wonach zum Fügen von zumindest teilweise überlappenden Bauteilen mit einem Formwerkzeug und einem Druckfluid in einem ersten Fügeschritt, bei welchem mittels des Druckfluids Werkstoff des zweiten Bauteils unter plastischer Verformung durch ein in dem ersten Bauteil ausgebildetes Vorloch gedrückt wird, und in einem zweiten Fügeschritt mittels eines Fügestempels des Formwerkzeugs auf einen im ersten Fügeschritt umgeformten Bereich des verformten zweiten Bauteils in Gegenrichtung umformend eingewirkt wird, wobei Werkstoff aus dem umgeformten Bereich in einen Formhohlraum, welcher in einem Formteil des Formwerkzeugs ausgebildet ist, verdrängt und eine Hinterschneidung zwischen den Bauteilen ausgebildet wird.A clinching (clinching) is, for example, from the DE 101 51 659 A1 known, for joining at least partially overlapping components with a mold and a pressure fluid in a first joining step, wherein by means of the pressurized fluid material of the second component is plastically deformed by a formed in the first component Vorloch, and in a second joining step means a joining die of the molding tool is acted on in the opposite direction to a deformed in the first joining step portion of the deformed second component, wherein material from the deformed area in a mold cavity, which is formed in a molding of the mold, displaced and an undercut between the components is formed.

Ferner beschreibt auch die DE 20 2005 013 220 U1 die Herstellung einer Durchsetzfügeverbindung in einem überlappenden Verbindungsbereich zwei Blechformteile.Furthermore, also describes the DE 20 2005 013 220 U1 the production of a Durchsetzfügeverbindung in an overlapping connection area two sheet metal parts.

Der Vollständigkeit halber wird auf die DE 10 2005 032 113 B3 verwiesen, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils beschreibt. Hierzu besteht das Umformwerkzeug aus zwei Werkzeughälften in einer Presse, wobei diese Werkzeughälften jeweils in wenigstens zwei Segmente unterteilt sind, die durch eine Wärmeisolierung voneinander getrennt sind. Diese Segmente können durch eine Temperaturregelung beheizt oder gekühlt werden, so dass in verschiedenen Bereichen des Bauteils unterschiedliche Temperaturen und damit auch unterschiedliche Abkühlkurven einstellbar sind. Mit diesem bekannten Verfahren lässt sich ein Bauteil mit Bereichen unterschiedlicher Härte bzw. Festigkeit und Duktilität herstellen.The sake of completeness is on the DE 10 2005 032 113 B3 which describes a method and apparatus for hot working and partially curing a component. For this purpose, the forming tool consists of two tool halves in a press, wherein these tool halves are each divided into at least two segments, which are separated by a heat insulation. These segments can be heated or cooled by a temperature control, so that in different areas of the component different temperatures and thus different cooling curves are adjustable. With this known method, a component with areas of different hardness or strength and ductility can be produced.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem Bauteile kostengünstig gefügt, insbesondere hybride Strukturbauteile wirtschaftlich hergestellt werden können.The object of the invention is to provide an improved method, with the components joined inexpensively, in particular hybrid structural components can be produced economically.

Aufgabe ist es auch, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.The object is also to provide a device for carrying out the method according to the invention.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The object is achieved by a method having the features of patent claim 1.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden zur Herstellung eines aus einem ersten und zweiten Bauteil gefügten Strukturbauteils, bei welchem

  • - das erste Bauteil mittels eines Warmumformprozesses aus einer Platine umgeformt und während des Warmumformprozesses in einem Fügebereich die Dicke des ersten Bauteils auf einen vorgegebenen Wert durch Prägen verringert wird, und
  • - mit dem Prägen des ersten Bauteils im Fügebereich mittels eines Prägestempels eine den geprägten Bereich umgebende Materialanhäufung erzeugt wird,
werden erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
  1. a) Lochen des ersten Bauteils im Fügebereich zur Erzeugung eines Vorloches, wobei zwischen der das Vorloch umlaufenden Materialanhäufung und der Randfläche des Vorloches ein schmaler Randbereich verläuft, und
  2. b) Durchsetzfügen des ersten vorgelochten Bauteils mit dem zweiten Bauteil zur Herstellung wenigstens eines Fügepunktes im Fügebereich mittels einer Matrize und einem zugehörigen Stempel, wobei die Materialanhäufung matrizenseitig angeordnet ist.
In this method according to the invention are for producing a joined from a first and second structural component, in which
  • - The first component is formed by means of a hot forming process from a circuit board and during the hot forming process in a joining region, the thickness of the first component is reduced to a predetermined value by embossing, and
  • - By embossing the first component in the joining region by means of an embossing stamp, a material accumulation surrounding the embossed region is produced,
the following process steps are carried out according to the invention:
  1. a) punching of the first component in the joining region to produce a pre-hole, wherein between the Vorloch surrounding material accumulation and the edge surface of the pre-hole is a narrow edge region, and
  2. b) passing through the first pre-punched component with the second component for producing at least one joining point in the joining region by means of a die and an associated punch, wherein the material accumulation is arranged on the die side.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird gleichzeitig mit dem Warmumformprozess im Fügebereich ein Prägevorgang durchgeführt, mit dem die Dicke des ersten Bauteils, das vorzugsweise aus einem hochfesten und presshärtbaren Stahl besteht, lokal derart reduziert wird, dass das Stanzen oder Lasern des Vorloches wirtschaftlich durchgeführt werden kann, d. h. insbesondere die Standzeiten der Werkzeuge verlängert werden.With this method according to the invention, an embossing process is carried out simultaneously with the hot forming process in the joining region, with which the thickness of the first component, which preferably consists of a high-strength and press-hardenable steel, is locally reduced such that the punching or lasering of the pre-hole can be carried out economically, d. H. In particular, the service life of the tools are extended.

Außerdem führt die derart hergestellte Clinch-Verbindung zu einer wesentlich höheren Verbindungsfestigkeit, insbesondere bei der Herstellung eines hybriden Strukturbauteils, vorzugsweise aus hochfesten pressgehärteten Stahl und Aluminium. Die Verbindungsfestigkeit hängt im Wesentlichen von der Halsdicke der Clinch-Verbindung ab und wird u. a. von den zu fügenden Blechdicken bestimmt, wobei eine größere Festigkeit erzielt wird, wenn die Dicke des stempelseitigen ersten Bauteils größer als die Dicke des matrizenseitigen zweiten Bauteils ist. Da in der Regel bei solchen hybriden Clinch-Verbindungen die Blechdicken der hochfesten und pressgehärteten Stähle größer als die Blechdicken von Aluminium sind, würde eine bekannte Clinch-Verbindung aufgrund deren geringen Halsdicke zu einer verminderten Festigkeit der Verbindung führen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Reduzierung der Blechdicke im Fügebereich steht mehr Material zur Bildung des Halses der Clinch-Verbindung zur Verfügung, infolgedessen die Halsdicke größer wird. Insbesondere erfolgt bei der Clinch-Verbindung das Hintergreifen in den ebenfalls dickenreduzierten Randbereich des Vorloches, so dass eine feste formschlüssige Verbindung des Aluminiums mit dem pressgehärteten Stahl erzielt wird.In addition, the clinch connection thus produced leads to a significantly higher connection strength, in particular in the production of a hybrid structural component, preferably of high-strength press-hardened steel and aluminum. The connection strength depends essentially on the neck thickness of the clinch connection and u. a. determined by the sheet thicknesses to be joined, wherein a greater strength is achieved when the thickness of the punch-side first component is greater than the thickness of the die-side second component. Since usually in such hybrid clinch compounds, the sheet thicknesses of the high-strength and press-hardened steels are greater than the sheet thicknesses of aluminum, a known clinch connection would lead to a reduced strength of the compound due to their low neck thickness. Due to the inventive reduction of the sheet thickness in the joining area more material is available to form the neck of the clinch connection, as a result, the neck thickness is greater. In particular, in the case of the clinch connection, the engagement in the likewise reduced thickness of the edge region of the pre-hole, so that a solid form-fitting connection of the aluminum is achieved with the press-hardened steel.

Ferner wird mit dem Prägen des ersten Bauteils im Fügebereich mittels eines Prägestempels, oder im Falle eines zweiseitigen Prägens mit zwei Präge- stempeln eine den geprägten Bereich umgebende Materialanhäufung erzeugt, die nach dem Lochen das Vorloch unter Bildung eines schmalen Randes das Vorloch umschließt. Dabei wird das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil mittels einer Matrize und einem zugehörigen Stempel derart gefügt, dass die Materialanhäufung matrizenseitig angeordnet ist. Dies führt im Vorlochbereich zu einem Spannungsabbau, wodurch bei Einsatz solcher Verbindungen in crashrelevanten Bereichen einer Fahrzeugkarosserie die Crash-Eigenschaften der entsprechenden Strukturbauteile positiv beeinflusst werden. Des Weiteren kann eine solche Materialanhäufung, die einen trichterförmigen Querschnittsverlauf aufweist, auch als Positionierhilfe für die Clinch-Werkzeuge im automatisierten Prozess der Herstellung des Strukturbauteils genutzt werden.Furthermore, embossing of the first component in the joining region by means of an embossing stamp, or in the case of two-sided embossing with two embossing stamps, generates a material accumulation surrounding the embossed region which, after punching, surrounds the pre-hole to form a narrow edge of the pre-hole. In this case, the first component is joined to the second component by means of a die and an associated stamp such that the material accumulation is arranged on the die side. This results in the pre-hole area to a voltage reduction, which when using such compounds in crashrelevanten areas of a vehicle body, the crash properties of the corresponding structural components are positively influenced. Furthermore, such a material accumulation, which has a funnel-shaped cross-sectional profile, as a positioning aid for the clinch tools in automated process of manufacturing the structural component can be used.

Eine hohe Verbindungsfestigkeit wird auch dann erreicht, wenn die Dicken der ersten und zweiten Bauteile gleich oder wenn die Dicke des zweiten Bauteils kleiner als die Dicke des zweiten Bauteils im Fügebereich ist.A high connection strength is achieved even if the thicknesses of the first and second components are equal or if the thickness of the second component is smaller than the thickness of the second component in the joining region.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erste Bauteil im Warmumformprozess derart gehärtet wird, dass im Fügebereich eine partiell geringere Festigkeit entsteht als im Übrigen Bereich des ersten Bauteils. Dies erleichtert ebenfalls das Einbringen des Vorloches mittels Stanzen, Lasern oder Wasserstrahlschneiden.It is particularly advantageous if the first component is hardened in the hot-forming process in such a way that a partially lower strength is produced in the joining region than in the remaining region of the first component. This also facilitates the introduction of the Vorloches by means of stamping, laser cutting or water jet cutting.

Weiterhin hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass das Lochen gemäß Verfahrensschritt a) nach dem Abkühlen des ersten Bauteils durchgeführt wird, insbesondere kann dies im gleichen Werkzeug, als im Umformwerkzeug durchgeführt werden.Furthermore, it has proven to be expedient that the perforation according to method step a) is carried out after cooling of the first component, in particular, this can be carried out in the same tool as in the forming tool.

Vorzugsweise wird das Lochen des matrizenseitig angeordneten zweiten Bauteils mittels eines Lasers oder mittels Stanzen oder Wasserstrahlschneiden durchgeführt.The perforation of the second component arranged on the die side is preferably carried out by means of a laser or by means of punching or water jet cutting.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft zur Herstellung von Strukturbauteilen verwendet werden, bei denen das erste Bauteil aus einem presshärtbaren Stahl und das zweite Bauteil aus einem Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium besteht, wobei das zweite Bauteil auch profiliert, bspw. ein Aluminium-Pressprofilteil sein kann.The inventive method can be advantageously used for the production of structural components, in which the first component of a press-hardenable steel and the second component made of a light metal, preferably aluminum, wherein the second component also profiled, for example. An aluminum press profile part may be.

Besonders stabile Clinch-Verbindungen lassen sich auch dann erzielen, wenn das zweite Bauteil eine geringere Dicke aufweist als das erste Bauteil.Particularly stable clinch connections can be achieved even if the second component has a smaller thickness than the first component.

Die Aufgabe wird auch mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.The object is also achieved with the features of claim 8.

Hiernach besteht die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einem Umformwerkzeug mit einem Werkzeugunterteil und einem Werkzeugoberteil, insbesondere mit einem Stempel und einer Matrize und umfasst zusätzlich zum einseitigen Prägen einen Prägestempel oder bei zweiseitigem Prägen einen weiteren Prägestempel mit vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Vorrichtung einen thermisch isolierten Bereich aufweist, in dem der bzw. die Prägestempel angeordnet ist bzw. sind.Thereafter, the device for carrying out the method according to the invention consists of a forming tool with a tool base and a tool top, in particular with a punch and a die and in addition to the one-sided embossing comprises an embossing stamp or two-sided embossing a further die with preferably circular cross-section, which is provided according to the invention in that the device has a thermally insulated region in which the die (s) is / are arranged.

Damit kann das Prägen gleichzeitig mit der Warmumformung unter Wärme erfolgen, ohne einen zusätzlichen Prozessschritt erforderlich zu machen. Ferner kann im Fügebereich des ersten Bauteils durch Beeinflussung des Temperaturgradienten bei der Abkühlung des ersten Bauteils, insbesondere bei einer hochfesten und presshärtbaren Blechplatine als erstes Bauteil die Werkstofffestigkeit auf einen gewünschten Wert reduziert werden. Vorzugsweise kann dieser thermisch isolierte Bereich individuell beheizt werden, um noch besser während der Abkühlung den Temperaturverlauf einstellen zu können.Thus, the embossing can be done simultaneously with the hot forming under heat, without requiring an additional process step. Furthermore, in the joining region of the first component, the material strength can be reduced to a desired value by influencing the temperature gradient during the cooling of the first component, in particular in the case of a high-strength and press-hardenable sheet metal blank as the first component. Preferably, this thermally insulated area can be heated individually to even better adjust the temperature profile during cooling can.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:

  • 1 schematische Darstellungen möglicher Prägevorgänge gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Clinch-Vorganges gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
  • 3 eine schematische Darstellung eines Umformwerkzeugs.
The invention will now be described in detail by means of an embodiment with reference to the accompanying figures. Show it:
  • 1 schematic representations of possible embossing operations according to the method according to the invention,
  • 2 a schematic representation of a clinch process according to the inventive method, and
  • 3 a schematic representation of a forming tool.

Im Folgenden werden die Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines aus bspw. Stahl (bspw. 22MnB5) und Aluminium bestehenden hybriden Strukturbauteils im Einzelnen erläutert und dargestellt,In the following, the process steps of the method according to the invention for producing a hybrid structural component consisting of, for example, steel (for example 22MnB5) and aluminum will be explained and illustrated in detail.

Zunächst wird eine Blechplatine aus dem Werkstoff 22MnB5 in einem Wärmeofen (oder in einem Induktionsofen) auf ca. 9500 C erwärmt und anschließend als erstes Bauteil 1 in ein gekühltes Umformwerkzeug eingelegt, indem durch Pressen gleichzeitig ein Umformen und Abkühlen mit hoher Abkühlgeschwindigkeit zur Härtung der Blechplatine durchgeführt wird, um so die Materialfestigkeit bzw. Härte des Materials auf von ca. 800 MPa auf 1400-1600 MPa zu erhöhen.First, a sheet metal blank made of the material 22MnB5 in a heating furnace (or in an induction furnace) is heated to about 950 0 C and then as the first component 1 placed in a cooled forming tool by simultaneously pressing and cooling with high cooling rate to harden the sheet metal plate is carried out so as to increase the material strength or hardness of the material to about 800 MPa to 1400-1600 MPa.

Dieses erste Bauteil 1 weist wenigstens einen Fügebereich 3 auf, in dem ein Fügepunkt 5 durch Clinchen mit einem zweiten Bauteil 2 als Fügepartner erzeugt wird. Hierzu ist in das Umformwerkzeug ein Prägestempel 7 vorgesehen, der in den 1a) und 1b) schematisch dargestellt ist. Diese Prägestempel 7 weisen eine Ebene und kreisförmige Prägefläche 7a auf, die gemäß 1a) von einer gegenüber der Prägefläche 7a abgesetzten kreisringförmigen Abstützfläche 7b umlaufen wird. In dem dazwischenliegenden Bereich, also zwischen der Prägefläche 7a und der umlaufenden Abstützfläche 7b wird beim Prägevorgang im Fügebereich 3 des ersten Bauteils 1 Material zur Bildung einer Materialanhäufung 6 gedrückt.This first component 1 has at least one joining area 3 on, in which a joining point 5 by clinching with a second component 2 is created as joining partner. For this purpose, an embossing punch is in the forming tool 7 provided in the 1a) and 1b) is shown schematically. This stamp 7 have a plane and a circular embossing surface 7a on, according to 1a) from one opposite the embossing surface 7a remote annular support surface 7b will circulate. In the intermediate area, ie between the embossing surface 7a and the circumferential support surface 7b becomes in the joining area during the embossing process 3 of the first component 1 Material for forming a material accumulation 6 pressed.

Der Prägestempel 7 nach 1b ist dagegen am prägeseitigen Ende etwas angefast, wobei beabstandet zum Prägestempel 7 ein Niederhalter 7c vorgesehen ist, der zum ersten Bauteil 1 hin ebenfalls angefast ist. Durch den Abstand des Niederhalters 7c zum Prägestempel 7 sowie den Anfasungen wird ein Zwischenraum gebildet, so dass durch den Prägevorgang im Fügebereich 3 des ersten Bauteils 1 ebenso eine Materialanhäufung 6 in diesen Zwischenraum hinein erzeugt wird, wobei durch die Anfasung, vor allem stempelseitig, diese Materialanhäufung entsprechend V-förmig geformt wird.The stamp 7 to 1b on the other hand, it is slightly chamfered at the preg-sided end, being at a distance from the embossing die 7 a hold-down 7c is provided, the first component 1 is also chamfered. By the distance of the hold-down 7c to the embossing stamp 7 and the chamfers a gap is formed, so that by the embossing process in the joint area 3 of the first component 1 as well an accumulation of material 6 is generated in this gap, wherein the chamfering, especially on the punch side, this accumulation of material is shaped according to V-shaped.

Die 1a und 1b zeigen beispielhafte Prägestempel 7 mit Prägeflächen 7a. Diese Prägestempel 7 und deren Prägeflächen 7a können auch andere Formen und Querschnitte aufweisen und bspw. ringförmig, konisch oder ballig ausgebildet sein. Ferner zeigen die 1a und 2b einseitige Prägevorgänge, entsprechendes gilt auch für zweiseitige Prägevorgänge, welche einen weiteren, von unten gegen das erste Bauteil 1 geführten Prägestempel erfordern.The 1a and 1b show exemplary dies 7 with stamping surfaces 7a , This stamp 7 and their embossing surfaces 7a can also have other shapes and cross-sections and, for example, be formed annular, conical or spherical. Furthermore, the show 1a and 2 B one-sided embossing, the same applies to two-sided embossing, which another, from below against the first component 1 require guided dies to require.

Durch diesen Prägevorgang wird die ursprüngliche Blechdicke D des ersten Bauteil 1, also der eingesetzten Blechplatine auf eine kleinere Blechdicke d reduziert. Durch diese Reduzierung der Blechdicke im Fügebereich 3 wird die Festigkeit herabgesetzt, so dass die Herstellung eines Vorloches 4 in dem Fügebereich 3 des ersten Bauteils 1 erleichtert wird.This stamping process becomes the original sheet thickness D of the first component 1 , So the sheet metal plate used on a smaller sheet thickness d reduced. By reducing the sheet thickness in the joining area 3 the strength is lowered, so that the production of a Vorloches 4 in the joining area 3 of the first component 1 is relieved.

Eine weitere Reduzierung der Festigkeit im Fügebereich 3 kann dadurch erzielt werden, dass das eingesetzte Umformwerkzeug derart ausgebildet sein, dass der Bereich des Prägestempels 7 von dem ihn umgebenden Bereich des Werkzeugs thermisch isoliert ist, wie dies beispielhaft die 3 schematisch zeigt. Diese 3 zeigt eine untere und obere Formhälfte 14 und 15, die als Teil eines nicht dargestellten Umformwerkzeugs von diesem thermisch isoliert ist und ggf. auch erwärmt werden kann. Die untere Formhälfte 14 trägt den beweglichen Prägestempel 7, der eine Prägefläche 7a mit einer zentrisch auf der Prägefläche 7a angeordneten konusförmigen Erhebung, die eine Reduzierung der Blechdicke bewirkt, wenn zwischen den beiden Formhälften 14 und 15 das erste Bauteil 1 eingelegt wird.A further reduction of the strength in the joining area 3 can be achieved by the fact that the forming tool used be designed such that the area of the embossing punch 7 is thermally insulated from the surrounding area of the tool, as exemplified by 3 schematically shows. These 3 shows a lower and upper mold half 14 and 15 , which is thermally insulated as part of a forming tool, not shown, and possibly also can be heated. The lower half of the mold 14 carries the movable die 7 that has a stamping surface 7a with a center on the embossing surface 7a arranged cone-shaped elevation, which causes a reduction in the sheet thickness, when between the two mold halves 14 and 15 the first component 1 is inserted.

Somit kann in diesem thermisch isolierten Bereich eine andere Abkühlgeschwindigkeit erzielt werden, die dann auch zu einer anderen Härte bzw. Materialfestigkeit in diesem Fügebereich führt und daher zusätzlich die Herstellung eines Vorloches 4 erleichtert. Dieser thermisch isolierte Bereich kann auch mit einer Heizung ausgestattet werden, so dass ein bestimmter Tempe- raturgradient zur Abkühlung des Fügebereichs eingestellt werden kann. Bei entsprechender Einstellung der maßgeblichen Parameter könnte eine lokale Verfestigung im Fügebereich vermieden werden.Thus, another cooling rate can be achieved in this thermally insulated area, which then also leads to a different hardness or material strength in this joining area and therefore additionally the production of a pre-hole 4 facilitated. This thermally insulated area can also be equipped with a heater, so that a certain temperature gradient can be set to cool the joint area. If the relevant parameters are set appropriately, local consolidation in the joint area could be avoided.

Nach dem Abkühlen des ersten Bauteils 1 wird in dem Fachmann bekannter Weise ein Vorloch 4 im Fügebereich 3 des ersten Bauteils 1 derart eingebracht, dass zwischen der das Vorloch 4 umlaufenden Materialanhäufung 6 und der Randfläche des Vorlochs 4 ein schmaler Randbereich verläuft, in den beim Clinchen Material des zweiten Bauteils 2 hintergreift.After cooling the first component 1 becomes known in the art a Vorloch 4 in the joining area 3 of the first component 1 inserted so that between the pre-hole 4 circulating material accumulation 6 and the peripheral surface of the pre-hole 4 a narrow edge area runs in the clinching material of the second component 2 engages behind.

Anschließend erfolgt das Fügen des ersten vorgelochten ersten Bauteils 1 und des zweiten Bauteils 2 mittels dem Fachmann bekannten Clinchen zur Erzeugung eines Fügepunktes 5. Diesen Vorgang zeigt 2 mit den verwendeten Clinch-Werkzeugen, einer Matrize 8 und einem zugehörigen Stempel 9. In dieses Werkzeug werden die beiden Fügepartner, das vorgelochte erste Bauteil 1 und das zweite Bauteil 2 gelegt, wobei das erste Bauteil 1 derart eingelegt wird, dass dessen Materialanhäufung 6 auf einer Abstützfläche 10 des Werkzeugs aufliegt. Das zweite Bauteil 2 wird von einem Niederhalter 11 fixiert. Zur Positionierung des ersten Bauteils 1 dient die Materialanhäufung 6, insbesondere deren umlaufende geneigte Fläche, die bspw. durch die Prägung nach 1b) mit einem trichterförmigen Querschnitt erzeugt werden kann.Subsequently, the joining of the first pre-punched first component takes place 1 and the second component 2 by means of clinching known to those skilled in the art for producing a joining point 5 , This process shows 2 with the used clinching tools, a die 8th and an associated stamp 9 , In this tool, the two join partners, the pre-punched first component 1 and the second component 2 placed, with the first component 1 is inserted so that its accumulation of material 6 on a support surface 10 of the tool rests. The second component 2 is from a downholder 11 fixed. For positioning the first component 1 serves the accumulation of material 6 , In particular, the circumferential inclined surface, the example. By embossing after 1b) can be produced with a funnel-shaped cross-section.

Die 2 zeigt den Zustand, wenn der Clinch-Stempel 9 vollständig gegen die Matrize 8 unter Bildung eines Restbodens 12 aus dem Material des zweiten Bauteils 2 gedrückt wurde. Es ist deutlich zu erkennen, dass aufgrund der reduzierten Blechdicke d im Fügebereich 3 die Halsdicke 13 wesentlich erhöht wurde. Auch ist die Materialmenge zur Hintergreifung des ersten Bauteils 1 im Bereich des umlaufenden Randes des Vorlochs 4 aufgrund der Dickenreduzierung erhöht, wodurch der Formschluss der beiden Fügepartner ebenfalls verbessert wird.The 2 shows the condition when the clinching punch 9 completely against the matrix 8th forming a residual soil 12 from the material of the second component 2 was pressed. It can be clearly seen that due to the reduced sheet thickness d in the joining area 3 the neck thickness 13 was significantly increased. Also, the amount of material for Hintergreifung of the first component 1 in the area of the peripheral edge of the Vorlochs 4 increased due to the thickness reduction, whereby the fit of the two joining partners is also improved.

Zur Verbindung zweier Fügepartner gemäß der Beschreibung können auch mehrere solcher Fügebereich mit entsprechenden Fügepunkte hergestellt werden.For connecting two joining partners according to the description, it is also possible to produce a plurality of such joining regions with corresponding joining points.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für eine automatische Fertigung. Insbesondere können auch andere als die oben beschriebenen Clinch-Verfahren zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden.The inventive method is particularly suitable for automatic production. In particular, clinching methods other than those described above can also be used to carry out the method according to the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
erstes Bauteilfirst component
22
zweites Bauteilsecond component
33
Fügebereichjoining area
44
Vorloch im ersten Bauteil 1 Pre-hole in the first component 1
55
Fügepunktjoining point
66
Materialanhäufung am Vorloch 4 Material accumulation at the pre-hole 4
77
Prägestempeldies
7a7a
Prägefläche des Prägestempels 7 Embossing surface of the embossing stamp 7
7b7b
Abstützflächesupporting
7c7c
Niederhalterdown device
88th
Matrize als Clinch-WerkzeugMatrix as a clinching tool
99
Stempel als Clinch-WerkzeugStamp as a clinching tool
1010
Abstützflächesupporting
1111
Niederhalterdown device
1212
Restbodenresidual base
1313
Halsdickeneck thickness
1414
Thermisch isolierter Bereich an der unteren Formhälfte zur Aufnahme des PrägestempelsThermally insulated area on the lower mold half for receiving the stamping die
1515
Thermisch isolierter Bereich an der oberen FormhälfteThermally insulated area on the upper mold half
DD
Blechdicke des ersten Bauteils 1 Sheet thickness of the first component 1
dd
Blechdicke im Fügebereich 3 Sheet thickness in the joining area 3

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung eines aus einem ersten und zweiten Bauteil (1, 2) gefügten Strukturbauteils, bei welchem - das erste Bauteil (1) mittels eines Warmumformprozesses aus einer Platine umgeformt und während des Warmumformprozesses in einem Fügebereich (3) die Dicke (D) des ersten Bauteils (1) auf einen vorgegebenen Wert (d) durch Prägen verringert wird, und - mit dem Prägen des ersten Bauteils (1) im Fügebereich (3) mittels eines Prägestempels (7) eine den geprägten Bereich umgebende Materialanhäufung (6) erzeugt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Lochen des ersten Bauteils (1) im Fügebereich (3) zur Erzeugung eines Vorloches (4), wobei zwischen der das Vorloch (4) umlaufenden Materialanhäufung (6) und der Randfläche des Vorlochs (4) ein schmaler Randbereich verläuft, und b) Durchsetzfügen des vorgelochten ersten Bauteils (1) mit dem zweiten Bauteil (2) zur Herstellung eines Fügepunktes (5) im Fügebereich (3) mittels einer Matrize (8) und eines zugehörigen Stempels (9), wobei die Materialanhäufung (6) matrizenseitig angeordnet wird.Method for producing a structural component joined from a first and a second component (1, 2), in which - the first component (1) is shaped from a blank by means of a hot forming process and during a hot forming process in a joining region (3) the thickness (D) of the the first component (1) is reduced to a predetermined value (d) by embossing, and - the embossing of the first component (1) in the joining region (3) generates a material accumulation (6) surrounding the embossed region by means of an embossing stamp (7) characterized by the following method steps: a) punching of the first component (1) in the joining region (3) to produce a pre - hole (4), wherein between the material accumulation (6) encircling the pre - hole (4) and the edge surface of the pre - hole (4) narrow edge region runs, and b) inserting the pre-punched first component (1) with the second component (2) for producing a joining point (5) in the joining region (3) by means of a die (8) and e ines associated punch (9), wherein the accumulation of material (6) is arranged on the die side. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) im Warmumformprozess derart gehärtet wird, dass im Fügebereich (3) eine partiell geringere Festigkeit entsteht als im übrigen Bereich des ersten Bauteils (1).Method according to Claim 1 , characterized in that the first component (1) is hardened in the hot forming process such that in the joint region (3) a partially lower strength than in the remaining region of the first component (1). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochen gemäß Verfahrensschritt a) nach dem Abkühlen des ersten Bauteils (1) durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the perforation according to method step a) after cooling of the first component (1) is performed. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochen mittels eines Lasers oder mittels Stanzen oder Wasserstrahlschneiden durchgeführt wird.Method according to Claim 3 , characterized in that the punching is carried out by means of a laser or by means of punching or water jet cutting. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) aus einem presshärtbaren Stahl besteht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first component (1) consists of a press-hardenable steel. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (2) aus einem Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium besteht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second component (2) consists of a light metal, preferably aluminum. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (2) eine geringere Dicke aufweist als das erste Bauteil (1).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second component (2) has a smaller thickness than the first component (1). Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung aus einem Umformwerkwerkzeug mit einem Werkzeugunterteil und einem Werkzeugoberteil, insbesondere mit einem Stempel und einer Matrize besteht und zusätzlich zum einseitigen Prägen einen Prägestempel (7) oder bei zweiseitigem Prägen einen weiteren Prägestempel mit vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen thermisch isolierten Bereich (14, 15) aufweist, in dem der oder die Prägestempel (7) angeordnet ist bzw. sind.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims, wherein the device consists of a forming tool with a tool base and a tool top, in particular with a punch and a die and in addition to one-sided embossing an embossing punch (7) or in two-sided embossing a further die with preferably comprises circular cross-section, characterized in that the device has a thermally insulated region (14, 15) in which the or the dies (7) is or are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch isolierte Bereich (14, 15) individuell beheizbar ist.Device after Claim 8 , characterized in that the thermally insulated area (14, 15) is individually heated.
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