本發(fā)明涉及一種用于由鋼板制成的工件、特別是扁坯的熱成型和特別是部分加壓硬化的方法，其中，在成型之前加熱工件，隨后在具有以凹模和沖頭形式的兩個工具組件的成型工具中通過與這兩個工具組件接觸使已加熱的工件熱成型，并隨后使已成型的工件至少部分地直接暴露于圍繞成型工具的氣體并由此得到冷卻。

本發(fā)明另外還涉及一種用于由鋼板制成的工件、特別是扁坯的熱成型和特別是部分加壓硬化的成型工具，特別是用于實施上述限定的方法的成型工具，該成型工具具有以凹模和沖頭形式的兩個工具組件，在這些工具組件之間能夠設(shè)置工件而且這些工具組件能夠相對于彼此移動。

最后，本發(fā)明還涉及一種通過按照本發(fā)明的方法制成的工件、特別是用于車輛輪轂的輪盤。

背景技術(shù)：

車輪是一個安全部件并因此必須能夠在運(yùn)行期間可持續(xù)地吸收高的機(jī)械交變應(yīng)力。常規(guī)的鋼輪由確保與輪轂的連接的輪盤和用于容納輪胎的輪轂帶組成，輪轂帶在內(nèi)側(cè)以環(huán)繞的方式連接輪盤。輪盤目前在具有多達(dá)十一級的漸進(jìn)式壓力機(jī)上制造。在此幾乎僅應(yīng)用具有400至600mpa強(qiáng)度的微合金化的雙相鋼。除了鋼輪的疲勞強(qiáng)度之外，重量也起到重要的作用，其對材料成本、非簧載質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動質(zhì)量和燃料消耗均起到作用。

當(dāng)然，上述內(nèi)容還適用于多個其他部件，特別是應(yīng)用于處于循環(huán)應(yīng)力下、優(yōu)選在底盤區(qū)域中的部件。因此，本發(fā)明涉及各種部件的制造。因此，以下僅以示例性的方式說明輪盤的制造。

目前為了在輪盤中實現(xiàn)進(jìn)一步的重量優(yōu)勢，必須采用具有更高的屈服極限和抗振強(qiáng)度的材料以便確保車輪具有足夠的疲勞強(qiáng)度，并且另一方面必須通過形狀適應(yīng)(例如通過較強(qiáng)的沖壓)補(bǔ)償在較小板厚度的情況下的強(qiáng)度損失。但是隨著鋼材料(碳鋼)的強(qiáng)度增加，成型性通常降低，在現(xiàn)有輪盤中成型性已經(jīng)幾乎耗盡。因此，在冷成型解決方案中的輕量結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步潛力似乎是受限的。

除了所謂的冷成型之外，所謂的熱成型另外也被應(yīng)用于車輛/車身的構(gòu)造中。通過采用熱成型，可以在所得到部件的高強(qiáng)度的同時滿足對高成型性的要求。通過結(jié)合預(yù)先的工件的熱處理，例如在單獨(dú)的爐中進(jìn)行的成型方法在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。在此，特別是已知熱成型和加壓硬化。

但是在開頭所述的制造輪盤的例子中，如在許多其它的、特別是在循環(huán)應(yīng)力下的部件中所述的，完全的加壓硬化不能實現(xiàn)，因為在工件的一些區(qū)域中除了高強(qiáng)度之外材料中足夠的韌性也是必需的，即材料在失效之前在應(yīng)力下塑性變形的特性，以便能夠例如通過預(yù)緊車輪螺栓或者制成在輪轂上而操作可靠地傳遞較高的局部應(yīng)力。因此期望的是，輪盤以應(yīng)力相關(guān)的方式設(shè)計并因此在相應(yīng)的范圍(區(qū)域)中具有特定的特性或者在構(gòu)件中具有不同的組織結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)這一點(diǎn)，在現(xiàn)有技術(shù)中存在用于所謂的部分加壓硬化的方法，其中在硬化過程中不是所有的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為馬氏體。以下將簡要描述已知的方法。

用于制造加壓硬化部件的扁坯(板狀工件)的熱成型例如這樣進(jìn)行，即，將工件加熱到奧氏體化溫度以上的溫度并隨后立即在成型工具中實施成型，該成型工具在至少一個區(qū)域中配備有用于局部地調(diào)整較軟的組織結(jié)構(gòu)的加熱裝置，其中，所述扁坯(板狀工件)由較強(qiáng)和最強(qiáng)的鋼組成。

局部的調(diào)整較軟的組織結(jié)構(gòu)稱為局部加壓硬化。局部加壓硬化基于這樣的原理，即，預(yù)先已加熱到奧氏體化溫度以上的溫度的工件在成型工具中除了一個或多個單獨(dú)區(qū)域之外強(qiáng)烈冷卻，特別是使用以成型工具的凹模和沖頭中的冷卻通道的形式的冷卻裝置。在這些位置上組織結(jié)構(gòu)通過快速的冷卻完全轉(zhuǎn)化為馬氏體并由此被完全地加壓硬化。在工件的其余區(qū)域中，通過加熱裝置可以實現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)的明顯更慢的冷卻，由此使這些區(qū)域中的組織結(jié)構(gòu)不能完全轉(zhuǎn)化為馬氏體，即未完全地加壓硬化。例如de102006019395a1中已知一種相應(yīng)的用于熱成型的方法和一種相應(yīng)的成型工具。

然而在上述現(xiàn)有技術(shù)中不利的是，必須設(shè)置至少一個加熱裝置，其引起了運(yùn)行開支并且可能通過持續(xù)的熱加載對工具組件(沖頭和凹模)的使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

此外，de102010027554a1中另外還已知一種用于部分加壓硬化工件的方法和相應(yīng)的成型工具，其基于這樣的原理，即，在沖頭和凹模擠壓在一起之后立即使可移動的沖頭部分和與之相對的凹模部分再次彼此分離地移動，由此為了冷卻過程而使已成型工件的相應(yīng)區(qū)域不接觸工具組件(凹模、沖頭)，而是暴露于周圍空氣。以這種方式使已成型的工件在該位置處在兩側(cè)由空氣緩慢地冷卻，而相反地，與處于擠壓狀態(tài)下的工具組件繼續(xù)接觸的相鄰部分通過以凹模和沖頭中的冷卻通道形式的冷卻裝置快速冷卻。在此，快速冷卻也導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)完全地轉(zhuǎn)化為馬氏體。工件的緩慢冷卻的區(qū)域在此不完全地轉(zhuǎn)化為馬氏體。

然而，這種現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是成型工具具有相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因為成型工具由許多可移動的部分組成，這些部分還額外地具有冷卻通道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于說明一種用于工件熱成型的方法和成型工具，由此在較輕的重量和降低的制造成本的條件下實現(xiàn)了高的疲勞強(qiáng)度。

在一種用于由鋼板制成的工件、特別是扁坯的熱成型和部分加壓硬化的方法方面，該方法中，在成型之前加熱工件(直到達(dá)到奧氏體化狀態(tài))，隨后在具有以凹模和沖頭形式的兩個工具組件的成型工具中通過與這兩個工具組件接觸使已加熱的工件熱成型，并且隨后使已成型的工件至少部分地直接暴露于圍繞成型工具的氣體、特別是空氣、優(yōu)選環(huán)境空氣，并由此得到冷卻，上述目的由此得以實現(xiàn)，即，在成型之后，這些工具組件中的一個工具組件的至少一個工具組件部分離開已成型工件朝向該工具組件的一側(cè)，而已成型的工件遠(yuǎn)離該工具組件的一側(cè)繼續(xù)與各個另外的工具組件保持完全地接觸。

“至少一個工具組件部分”是指，一方面，一個工具組件(例如沖頭)的一個或多個工具組件部分遠(yuǎn)離已成型的工件移動，而該工具組件的其余的部分(工具組件部分)不移開，即，與已成型的工件保持接觸。但是在另一方面還包括這種情況，即，整個工具組件(例如整個沖頭)離開已成型的工件。但是在這兩種情況下各個另外的工具組件(例如凹模)與已成型的工件保持接觸，即，保持完全的接觸，這意味著整個工件為了在一側(cè)上冷卻而完全地與各個另外的工具組件(例如凹模)保持接觸。

以這種按照本發(fā)明的方式可以以降低的制造成本進(jìn)行熱成型和部分(但不完全)的加壓硬化，由此在工件中產(chǎn)生區(qū)域特定的組織結(jié)構(gòu)特性，其在較小的重量的情況下造成高的疲勞強(qiáng)度。在整個工件中按照本發(fā)明進(jìn)行至少一側(cè)的工具冷卻，其中在局部也可以考慮兩側(cè)的工具冷卻。在僅一側(cè)的工具冷卻的情況下整體地(即，在整個工件上)不進(jìn)行完全的加壓硬化或完全的馬氏體形成。在僅區(qū)域性的單側(cè)的工具冷卻的情況下，在這些區(qū)段或這些區(qū)域中局部地不進(jìn)行完全的加壓硬化或完全的馬氏體形成。

為了能夠通過簡單的裝置對工件進(jìn)行局部(部分)的加壓硬化，本發(fā)明在一個設(shè)計方案中提出，成型工具具有冷卻裝置，并且在已成型工件的冷卻過程中，已成型工件的至少一個第一區(qū)段與兩個工具組件保持接觸而且借助冷卻裝置冷卻，而同時已成型工件的至少一個第二區(qū)段直接暴露于圍繞成型工具的氣體并由此比至少一個第一區(qū)段更慢地冷卻。更慢地意味著已成型工件與周圍氣體(例如環(huán)境空氣)之間的熱傳遞小于在與冷卻的工具組件接觸的情況下的熱傳遞。特別是為了區(qū)段式不同的冷卻而設(shè)置為，一個工具組件的可移動的工具組件部分離開已成型工件的至少一個第二區(qū)段朝向該工具組件的一側(cè)，而已成型工件的至少一個第二區(qū)段遠(yuǎn)離該工具組件的一側(cè)繼續(xù)與各個另外的工具組件保持接觸。

具有可移動的工具組件部分(即，具有相對于其余工具組件能夠移動的工具組件部分)的工具組件為沖頭。在這種情況下，定義為各個另外的工具組件的工具組件是凹模。但原則上也可以考慮反過來的情況，即，凹模以多件式形成并具有一個可移動的工具組件部分，而相反在成型之后為了在相應(yīng)的側(cè)面上冷卻而使沖頭與工件保持接觸。同樣在這種情況下，兩個工具組件都可以不形成為多件式，即，不具有以上定義的可移動的工具組件部分，特別是可以考慮，完全離開已成型工件朝向工具組件的一側(cè)的工具組件是沖頭，而另外的工具組件是凹模。當(dāng)然在此也可以考慮反過來的情況，即，凹模是在成型之后遠(yuǎn)離工件的工具組件部分，而沖頭是與工件保持接觸的工具組件部分。

根據(jù)本發(fā)明的另一個設(shè)計設(shè)置為，已成型的工件或者至少一個第二區(qū)段在遠(yuǎn)離具有可移動的工具組件部分的工具組件(即與各個另外的工具組件接觸)的一側(cè)上不借助于冷卻裝置冷卻。在成型之后至少一個第二區(qū)段在一側(cè)上通過周圍空氣冷卻的情況下，原則上也可以考慮，第二區(qū)段的另一側(cè)不暴露于周圍空氣中，因為其與相應(yīng)的工具組件部分(例如凹模)繼續(xù)接觸，仍借助冷卻裝置(工具冷卻)而冷卻。

根據(jù)另一個設(shè)計設(shè)置為，至少一個第一區(qū)段在兩側(cè)通過冷卻裝置冷卻，即，既在朝向具有可移動的工具組件部分的工具組件一側(cè)上又在遠(yuǎn)離該工具組件的一側(cè)上。

根據(jù)另一個設(shè)計設(shè)置為，為了冷卻至少一個第一區(qū)段，使液態(tài)的冷卻介質(zhì)(例如油、水、冰水、鹽液)通過冷卻通道導(dǎo)入凹模和/或沖頭，該冷卻通道形成所述冷卻裝置。相應(yīng)地也可選地適用的情況是，在成型之后與工件的至少一個第二區(qū)段保持接觸的工具組件應(yīng)在與第二區(qū)段相鄰的工具組件區(qū)段中具有冷卻功能。優(yōu)選該與工件的第二區(qū)段相鄰的工具組件區(qū)段不具有冷卻通道。

根據(jù)另一個設(shè)計設(shè)置為，工件在成型之前是一個鋼板，該鋼板的厚度為至少1.5mm、特別是至少2.0mm、優(yōu)選至少2.5mm。這些板厚在底盤區(qū)域中例如在輪盤制造中用于輪轂。相對大的厚度是有利的，特別是因為引入的熱量(例如在成型工具上游設(shè)置的爐中引入的熱量)可以在厚板的情況下存儲特別長的時間，從而單側(cè)的工具接觸可用于散熱和回火(硬化)。由鋼板制成的工件可以具有均勻的厚度并且以整體方式構(gòu)造。也可以考慮由鋼夾層材料構(gòu)成的定制產(chǎn)品(定制的鋼板半成品)制成的工件，例如定制的坯料、定制的條帶、定制的軋制坯料或它們的組合。

根據(jù)另一個設(shè)計設(shè)置為，將工件成型成為用于汽車輪轂的輪盤，其中，輪盤的輪緣通過與圍繞成型工具的氣體直接接觸(相對較慢地)冷卻，而輪盤的所有的剩余部分借助冷卻裝置(相對較快地)冷卻。輪緣意味著輪盤的該區(qū)域，其環(huán)繞地設(shè)置有用于車輪螺栓的鉆孔。如上所述的，在此僅示例性地說明輪盤的制造。原則上也能夠?qū)凑毡景l(fā)明的方法應(yīng)用于其他部件的制造。

根據(jù)另一個設(shè)計設(shè)置為，圍繞成型工具的氣體具有在20至30℃范圍內(nèi)的溫度、特別是在22至26℃范圍內(nèi)的溫度并且特別是空氣。然而原則上也可以考慮，已成型工件暴露于具有更高溫度的氣體，只要保證與氣體接觸的工件的區(qū)段(區(qū)域)冷卻緩慢，以使得組織結(jié)構(gòu)不是完全地轉(zhuǎn)化為馬氏體。氣體的較低溫度也是可以考慮。此外可以設(shè)置為，在成型之前將工件加熱到750℃至1000℃范圍內(nèi)的溫度和/或在成型之后第一區(qū)段中以25至35k/s范圍內(nèi)的冷卻速率冷卻。

根據(jù)本發(fā)明的另一教導(dǎo)，在用于熱成型由鋼板制成的工件、特別是扁坯的成型工具方面，特別是用于實施根據(jù)上述限定的方法的成型工具，該成型工具具有以凹模和沖頭形式的兩個工具組件，在工具組件之間能夠設(shè)置工件而且這些工具組件能夠相對于彼此移動，本發(fā)明的目的另外由此得以實現(xiàn)，即，工具組件的其中一個具有相對于其余工具組件可移動的工具組件部分，該可移動的工具組件部分在兩個工具組件的擠壓狀態(tài)下能夠離開工具組件中的另一個。

具有相對于其余工具組件能夠移動的工具組件部分的工具組件特別是沖頭，其中，各個另外的工具組件是凹模。但如上所述原則上也可以考慮反過來的情況，即，凹模具有相對于其余凹模能夠移動的部分。

當(dāng)談及可移動的工具組件部分時，不能排除存在多個這樣的可移動的工具組件部分，這些工具組件部分可以彼此獨(dú)立地或者以上述限定的方式共同地移動?？梢苿拥墓ぞ呓M件部分也可以具有任意的形狀。例如能夠想到，該工具組件部分可以圍繞中軸環(huán)狀地形成，該中軸平行于具有可移動的工具組件部分的工具組件的移動方向延伸。該移動方向特別是沖頭向凹模移動的方向(擠壓方向)。可移動的工具組件部分的中軸在該方向上延伸。環(huán)狀形成的可移動的工具組件部分特別適合于在制造上述輪盤的過程中通過冷卻產(chǎn)生區(qū)域特定的組織結(jié)構(gòu)特性，即，不完全的轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，特別是在(用于車輪螺栓的鉆孔的)輪緣區(qū)域中。

根據(jù)成型工具的另一個設(shè)計設(shè)置為，該成型工具另外還具有一個冷卻裝置，特別是一個由凹模和/或沖頭中的冷卻通道形成的冷卻裝置，其中，可移動的工具組件部分不與冷卻裝置連接并特別是不具有冷卻通道。

最后，本發(fā)明的目的由一種通過上述限定的方法制成的工件、特別是用于車輛輪轂的輪盤得以實現(xiàn)。

具有高材料強(qiáng)度(例如具有大于800mpa的抗拉強(qiáng)度)或具有高的馬氏體比例的鋼材料可以在例如出現(xiàn)在孔、凹口或待加工邊緣上的高過度應(yīng)力的情況下特別地在循環(huán)應(yīng)力下過早失效，使得高材料強(qiáng)度不能傳遞到部件上。出于該原因，通過根據(jù)本發(fā)明的方法或通過根據(jù)本發(fā)明的裝置制造的工件或根據(jù)本發(fā)明的輪盤在高負(fù)載區(qū)域中(例如在汽車側(cè)位于輪轂上的輪緣)未完全地加壓硬化。在此，整個輪盤可能沒有被完全加壓硬化并因此整個部件的組織結(jié)構(gòu)不能均勻地完全轉(zhuǎn)化為馬氏體或可能僅局部地未加壓硬化，例如在輪緣中。由此顯著地改善了整個結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

附圖說明

現(xiàn)存在多種可能性來設(shè)計和擴(kuò)展按照本發(fā)明的方法、按照本發(fā)明的成型工具以及按照本發(fā)明的工件。就此而言，一方面可以參照引用權(quán)利要求1的從屬權(quán)利要求，另一方面可以參照結(jié)合附圖的實施例的描述。附圖中：

圖1a)示出了在成型過程之前的成型工具，該成型工具具有放入在沖頭和凹模之間的板狀的工件，

圖1b)示出了在成型之后的圖1a)中的成型工具，

圖1c)示出了在冷卻過程中的圖1a)中的成型工具，

圖1d)示出了在取出完成成型的工件的過程中的圖1a)中的成型工具。

具體實施方式

以下簡要地通過附圖1a)至d)借助用于汽車輪轂的待制輪盤的實施例說明一種用于熱成型和部分地加壓硬化工件1的方法，該工件由鋼板制成。

圖1a)示出了處于打開狀態(tài)下的成型工具2，其具有以凹模3形式的第一工具組件3和以沖頭4形式的第二工具組件4。凹模3在此是位置固定的而沖頭4為了工件1的成型目的可以以其整體向凹模3移動，直到?jīng)_頭4填滿凹模3中的相應(yīng)的形狀或凹口。最后的狀態(tài)在圖1b)中示出，由此該加熱直至奧氏體狀態(tài)的工件1具有輪盤的形狀。該狀態(tài)也稱為工具組件3和4的擠壓狀態(tài)。

在示出的實施例中，沖頭4基本上形成為三件，即，具有：外部的環(huán)繞的工具組件部分4.2；設(shè)置在其中的、同樣環(huán)繞的工具組件部分4.1，其形成為環(huán)形的；和進(jìn)一步設(shè)置在其中的另一個工具組件部分4.3。該環(huán)形的工具組件部分4.1(也稱為沖頭部分)相對于其余的工具組件部分4.2，4.3，即，相對于其他沖頭以可移動的方式安裝并且能夠不依賴于其他沖頭反向于運(yùn)動方向或擠壓方向x運(yùn)動，如圖1c)中所示。

在圖1c)中的方法步驟中，在工件1成型之后，環(huán)形的工具組件部分4.1離開工件1的朝向沖頭4的表面1a，在此將周圍空氣壓到工件1的表面1a上，但是僅僅在環(huán)形區(qū)段1.3中，該區(qū)段形成之后的輪緣或者具有用于車輪螺栓的孔的區(qū)域。相反地，沖頭部分4.2和4.3首先并沒有從擠壓狀態(tài)移開，而是這些工具組件部分保持與工件1的表面1a接觸。整個凹模3也在該時間點(diǎn)上保持與整個工件1接觸，即，與其底面1b接觸。

之前在加熱狀態(tài)下按照圖1a)和1b)成型的工件現(xiàn)根據(jù)圖1c)如下地進(jìn)行冷卻。工件1的區(qū)段1.3在上側(cè)不再與沖頭4接觸，因為沖頭部分4.1在成型之后已直接返回。在區(qū)段1.3中通過表面1a向周圍空氣的熱傳遞而進(jìn)行相對較長時間的工件1的冷卻。在底面1b上，工件1仍與凹模3接觸并且此處將熱量緩慢地傳遞到在此沒有額外冷卻的凹模3上。

已成型的工件1的其余區(qū)域1.1和1.2既在表面1a上也在底面1b上與凹模3和沖頭4相接觸，從而沒有周圍空氣、至少沒有不忽略的量的周圍空氣到達(dá)區(qū)段1.1和1.2上。在此，通過向凹模3和相應(yīng)的沖頭部分4.2和4.3上的熱傳遞進(jìn)行冷卻，對于增加的熱傳遞而言，該冷卻還額外地通過形成冷卻裝置5的冷卻通道5而進(jìn)行。該冷卻通道5例如通過油或冰水沖洗，由此相對較快地冷卻工件1的區(qū)段1.1和1.2。

工件1的區(qū)段1.1和1.2的快速冷卻促使組織結(jié)構(gòu)完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。相反地，工件1的環(huán)形區(qū)域1.3通過周圍空氣的冷卻較慢，以使得在此不能使組織結(jié)構(gòu)完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。因此，該區(qū)域沒有完全地加壓硬化。

工具組件4.1在此例如作為沖頭4的一部分示出。但是原則上也可以考慮，替換性地將凹模3形成有可移動的部分，但是其中，在這種情況下，沖頭4在冷卻的過程中在工件1的整個表面1a上貼靠在其上。該工件1在冷卻過程中總是僅從一側(cè)暴露于周圍空氣或其他的排熱氣體。

可移動的工具組件部分4.1在此僅例如圍繞中軸m環(huán)形地形成。對于其他的應(yīng)用情況而言，也可以考慮可移動的工具組件部分4.1的其他形狀。此處例如僅示出了唯一的可移動的工具組件部分。但原則上也可以設(shè)置多個這樣的工具組件部分，這些工具組件部分可以為了冷卻而相對于其余的工具組件4離開工件1。在此也示例性地示出了兩個沖頭部分4.2和4.3，這兩個沖頭部分為了冷卻的目的而與工件1保持接觸。但原則上也可以考慮，沖頭4沒有任何一個部分(或恰好一個工具組件部分或大于兩個工具組件部分)為了冷卻而與已成型的工件1保持接觸。