Profilieren von hochfestem Stahl für Automobilteile

Profilieren von hochfestem Stahl

Beim Rollformen von hochfestem Stahl (HSS) und hochfestem hochfestem Stahl (AHSS) wird flaches Coilmaterial durch eine Reihe progressiv geformter Walzen geführt, die das Material jeweils um einige Grad weiter biegen, bis es das endgültige Querschnittsprofil erreicht. Da die Verformung schrittweise über viele Walzenstationen und nicht in einem Hub erfolgt, verteilt sich die Belastung des Materials beim Rollformen gleichmäßiger als bei Einzelschlagverfahren. Dies ist ein Hauptgrund dafür, dass es das bevorzugte Verfahren für AHSS-Sorten ist, die bei plötzlicher, konzentrierter Kraft leichter reißen.

HSS- und AHSS-Stähle – darunter Dualphasenstähle (DP), umwandlungsinduzierte Plastizitätsstähle (TRIP) und martensitische Stähle – bieten Zugfestigkeiten im Bereich von etwa 440 MPa bis 1.500 MPa, verglichen mit 270–400 MPa bei herkömmlichem Baustahl. Diese Festigkeit ermöglicht es Automobilherstellern, dünneres Material bei gleicher struktureller Leistung zu verwenden und so die Ziele zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts direkt zu unterstützen, ohne die Unfallsicherheit zu beeinträchtigen.

Rollformprozess für die Automobilindustrie

Im Automobilbau folgt die Profilierlinie typischerweise dieser Reihenfolge:

1. Das Coilmaterial wird abgewickelt und kontinuierlich der Linie zugeführt, häufig mit einer Richtmaschine, um die Krümmung des Coilsatzes vor dem Formen zu beseitigen.
2. Das Band durchläuft eine Reihe von Rollenstationen, die jeweils eine kleine Biegung hinzufügen und das flache Band nach und nach in das Zielprofil formen – einen Hutkanal, ein Rohr oder eine komplexe Strukturform mit mehreren Biegungen.
3. Inline-Stanz- oder Kerbstationen schneiden bei Bedarf Befestigungslöcher oder Merkmalsausschnitte, während das Band noch flach oder teilweise geformt ist, da das Stanzen nach der vollständigen Umformung weitaus schwieriger ist.
4. Das geformte Profil durchläuft eine Trennpresse, die es ohne Anhalten der Anlage auf Länge schneidet, wobei ein fliegendes, mit der Anlagengeschwindigkeit synchronisiertes Trennen erfolgt.
5. Fertige Teile können vor der Montage einer Inline- oder Sekundärschweißung, Beschichtung oder Wärmebehandlung unterzogen werden.

Aufgrund dieser kontinuierlichen Großserienfertigung eignet sich das Rollformen besonders gut für die Automobilproduktion, wo das gleiche Strukturprofil – Türträger, Stoßstangenverstärkungen, Dachreling oder Sitzrahmenkomponenten – möglicherweise mehrere Zehntausend oder Hunderttausende Fuß pro Jahr durchlaufen muss.

Rollformen vs. Stanzen

Sowohl das Rollformen als auch das Stanzen formen Flachstahl zu Strukturteilen, eignen sich jedoch für unterschiedliche Teilegeometrien und Produktionsprofile.

Rollformen und Stanzen im Vergleich zur Produktion struktureller Automobilteile.

Speziell für AHSS ist das schrittweise Biegen in mehreren Stationen beim Rollformen ein großer Vorteil gegenüber der Verformung in einem Schlag beim Stanzen, da AHSS-Sorten im Allgemeinen eine geringere Dehnung vor dem Bruch aufweisen und empfindlicher auf die Dehnungsrate und Spannungskonzentration reagieren, die ein Prägestempel in einer Bewegung ausübt.

Design von Rollformwerkzeugen für AHSS

Das Werkzeugdesign für das AHSS-Rollformen unterscheidet sich in mehreren Punkten von Werkzeugen aus Baustahl, was auf die höheren Umformkräfte und die höhere Rückfederung zurückzuführen ist, die das Material erzeugt:

• Weitere Formstationen — AHSS-Profile erfordern im Vergleich zu einem gleichwertigen Weichstahlprofil in der Regel zusätzliche Walzendurchgänge, wodurch der Biegewinkel auf mehr Schritte verteilt wird, um die Belastung pro Durchgang zu reduzieren.
• Härtere Rollenmaterialien — Typischerweise sind Werkzeugstahlwalzen mit verschleißfesten Beschichtungen oder gehärteten Oberflächen erforderlich, da AHSS im Vergleich zu Weichstahl den Walzenverschleiß beschleunigt.
• Erhöhte Rollentrennkräfte — Mühlenrahmen, Wellen und Lager müssen für höhere Belastungen ausgelegt sein als eine Linie, die nur aus Baustahl besteht, da AHSS einer Verformung an jeder Station stärker widersteht.
• Überbiegungsausgleich — Werkzeugprofile werden in der Regel mit berechneten Überbiegewinkeln entworfen, um der Rückfederung entgegenzuwirken und die endgültigen Maßziele zu erreichen.

Rückfederung aus hochfestem Stahl

Unter Rückfederung versteht man die Tendenz des geformten Metalls, teilweise in seine ursprüngliche flache Form zurückzukehren, nachdem die Umformkraft entfernt wurde, was durch den elastischen Erholungsanteil der Verformung des Materials verursacht wird. Stähle mit höherer Festigkeit haben im Allgemeinen eine höhere Streckgrenze im Verhältnis zu ihrem Elastizitätsmodul, was bedeutet, dass ein größerer Anteil der Gesamtverformung elastisch (erholbar) und nicht plastisch (permanent) ist – AHSS federt also stärker zurück als Weichstahl, der im gleichen Winkel gebogen ist.

Rollformanlagen bekämpfen die Rückfederung hauptsächlich durch Überbiegen: Jede Rollenstation biegt das Material leicht über den Zielwinkel hinaus und erwartet so den Betrag, um den es sich nach dem Loslassen wieder entspannt. Der genaue Überbiegewinkel wird in der Regel durch eine Kombination aus Umformsimulationssoftware und physikalischen Probeläufen bestimmt, da die Rückfederung je nach Stahlsorte, Dicke und Profilgeometrie variiert und selbst kleine Änderungen der Materialeigenschaften von Spule zu Spule den erforderlichen Korrekturumfang verschieben können.