Verfahren zum Herstellen von gepressten Blechformteilen vermittels Matrizen. Diese Erfindung bezieht. sieh auf ein Ver fahren zum Herstellen von gepressten Blech- Formteilen vermittels Matrizen, welche aus Metall bestehen, dessen Schmelzpunkt unter dem Siedepunkt des Wassers liegt.
Seit langem ist es eine dringende Notwen digkeit, besonders in der Automobil- und Flugzeugindustrie, ein Verfahren zu finden, mit welchem eine beschränkte Anzahl von Versiich,#-.Foinuteilen aus Blech vermittels Matrizen hergestellt werden kann, welche rasch und wirtschaftlich herstellbar sind. Bei der Entwicklung wird häufig für Versuchs zwecke eine beschränkte Anzahl von verform ten Blechteilen benötigt. Die wünschenswer teste Matrize wird demnach eine solche sein, welche rasch und wirtschaftlich herstellbar ist und welche fähig ist, die erforderliche An zahl von Versuchsteilen herzustellen.
Zur Verstellung von Versuchsteilen ist die Verwendung von Stahlmatrizen oft un praktisch, weil sich die Kosten für deren Herstellung nicht lohnen, wenn im besten Falle nur einige hundert. Teile zu verformen sind. Ein weiterer Nachteil bei der Verwen dung von Stahlmatrizen für die Verformung von Versuchsteilen ist der, dass es unmöglich ist, die Form der Versuchsteile zu ändern, indem die 141atrizenol)erfläche geändert wird. Bei der Entwicklung von Versuchsmodellen werden aber häufig kleine Änderungen in der Form der Teile notwendig.
In der Automobilindustrie ist das ge bräuchlichste Verfahren, um kleine Versuchs- teile herzustellen, die Handverformung der Teile vermittels eine Hartholzform. Das be dingt die Verwendung von gelerntem Perso nal für die Herstellung von Hartholzformen sowie von gelernten Metallarbeitern, um mit tels der Form befriedigende Teile zu erhalten,.
Für grosse Versuchsteile wie Hauben, Kotflügel und Türen wird allgemein eine Gusseisenform verwendet, über welche z. B. Stahlblech in die angenäherte Form gezogen wird. Der Teil muss dann auf eine Hartholz form gebracht und wie die kleineren Teile fertiggestellt. werden.
Wie es leicht verständlich sein wird, ist die Herstellung von Versuchsteilen durch Handverformung nicht befriedigend, weil es kostspielig ist und viel Zeit erfordert. Die Formen können nicht leicht geändert werden, und wenn eine grössere Änderung beabsich tigt ist, wird im allgemeinen die alte Form weggelegt und eine neue angefertigt: Es sind auch viele Versuche gemacht wor den, Wismutlegierungen zur Herstellung von Versuchsmatrizen zu verwenden. In :den letz ten Jahren wurde in der Flugzeugindustrie viel mit solchen aus Wismutlegierungen her gestellten Matrizen gearbeitet.
Einige Erfolge wurden erreicht beim Verformen von Alumi niumblechen oder andern weichen Blechen, wobei die Nachteile der erwähnten bekannten Verfahren überwunden wurden, wie es in einem Artikel beschrieben ist auf Seite 142 der Märzausgabe 1947 der Zeitschrift Maehi- nerv . Die Matrizen, wie sie in der Flugzeug- industr ie erzeugt werden, sind zur Herstel lung von Automobil-Versuchsteilen aber nicht geeignet, da .diese Teile gewöhnlich aus Stahl blech bestehen und deshalb diese Weich metallmatrizen nicht fähig sind,
Stahlbleche in genügender Menge oder Qualität herzu stellen wegen der den leichtschmelzenden Legierungen eigenen Weichheit. Die Matrizen aus @Vismutlegierimgen werden -eingedrückt und deformiert, wenn Probestücke aus Stahl blech hergestellt werden. Dieses Hindernis in der Verwendung von Weichmetallmatrizen wird beim erfindungsgemässen Verfahren da durch überwunden, dass die Matrizen vor ihrer Benützung auf eine Temperatur von minus 128 C oder tiefer abgekühlt werden.
Im folgenden wird das Verfahren bei spielsweise erläutert. Die Matrize kann aus einer Legierung hergestellt werden, welche vorwiegend aus Wismut, Zinn und Blei be steht. Cerrobend , eine dieser Legierungen, besteht aus 50% Wismut, 13,31/o Zinn, 101/o Kadmium und 26,
7% Blei. Cerrobend hat sich als die geeignetste dieser leicht schmel- enden Legierungen erwiesen für das Giessen von Matrizen, welche zur Verformung von Blechteilen dienen wegen der eigentümlichen Volumenvergrösserung beim Erstarren und vorteilhaftem Verhalten beim Unterkühlen. Cerrobend hat den äusserst niedrigen Schmelz punkt von etwa 710 C, was das Schmelzen der Legierung mit den einfachsten Mitteln er laubt.
Durch Eintauchen eines Behälters mit geschmolzener Legierung in Wasser von einer Temperatur oberhalb 71 C kann die Legie rung in geschmolzenem Zinstand gehalten wer den. Die niedrige Temperatur der Legierung in geschmolzenem Zustand hat den weiteren Vorteil, dass sie einfacher behandelt werden kann, ohne Gefahr von Verbrennungen beim Personal.
Das allgemein angewandte Verfahren zur Herstellung von Weichmetallmatrizen besteht darin, dass ein Modell .des zu formenden Teils hergestellt wird. Das Modell wird vorzugs weise aus einem Material hergestellt, welches leicht und rasch bearbeitet werden kann. Modelle aus weichem Holz haben sich für kleinere Teile bewährt, während Aluminium oder andere leicht verformbare Metalle er folgreich angewendet wurden, um Modelle von grösseren Teilen zu bilden.
Vom Modell wird dann ein Gips- oder Tonabguss gemacht, der dann erhitzt wird, um jede Feuchtigkeit auszutreiben. Es wurde gefunden, dass bei Matrizen, die mit Hilfe -von vollständig getrockneten Gips- oder Ton abgüssen hergestellt werden, die Oberfläche bedeutend weniger nachbearbeitet werden muss, als wenn die Matrizen in nicht ge- trockneten Formen gegossen werden. Die ge schmolzene Legierung wird dann in den Gips- oder Tonabguss gebracht, um die eine Hälfte der Matrize zu bekommen.
Wegender äusserst niedrigen Temperatur des geschmolzenen Metalles eignen sich Gipsformen sehr gut.
Bei der Herstellung von Matrizen von kleineren Modellen ist es möglich, das flüssige Metall direkt auf ,das Modell zu giessen, um einen Teil .der Matrize zu bilden. Beim so verwendeten Modell tritt kein merklicher Verzug auf. Weichmetallmatrizen werden auch in befriedigender Weise hergestellt, indem die geschmolzene Legierung,direkt auf das durch den Automobilkonstrukteur herge stellte Tonmodell gegossen wird. Die Möglich keit, -die geschmolzene Legierung nach dem oben beschriebenen Verfahren zu giessen, er gibt eine beträchtliche Zeit- und Kosten ersparnis.
Ein Aluminiumstück von einer Dicke, welche derjenigen des zu formenden Teils entspricht, wird dann auf die Matrizenfläehe gelegt -Lind wird in die .der Matrize entspre- ehende Form gebracht, indem es durch einen schweren Giunmistempel in diese Form ge presst wird.
Der so geformte Aluminiumteil wird auf der Matrizenoberfläche belassen, um als Trennwand zu wirken, wenn die andere Hälfte der Matrize gegossen wird, und dient ausserdem zur Wärmeableitung, wenn das flüssige Metall gegossen wird. Nach dem Giessen dieses Matrizenteils auf den ersten Teil werden die Aussenseiten der Ma trize plangedreht, um absolut parallele Pass- flächen zii bekommen.
Die Möglichkeit, die Matrizen planzudrehen, während sie zusam- rnen sind, gestattet .dann eine rasche und exakte Justierung der beiden Matrizenteile, wenn sie in der Presse befestigt werden.
Nach dem Trennen der beiden Teile der Matrize werden die Oberflächen von Hand geglättet.. Grussfehler und Gussblasen werden einfach mit einem Lötkolben und einem Stück der Legierung ausgebessert.. Die Oberfläche wird durch Schmirgeln geglättet, bis die ge naue gewünschte Form erreicht ist. Es ist gefunden worden, dass kleine Änderungen der Matrizenform durch Aufschmelzen von Me tall auf die Matrize oder durch Entfernen von :Metall mit. einer Raspel oder einem andern Werkzeug vorgenommen werden kön nen. Wenn an der Matrize grössere Änderun gen vorgesehen sind, kann diese vollständig wieder verwendet werden, indem sie in heissem. Wasser geschmolzen und in der gewünschten neuen Form neu gegossen wird.
Kleinere Matrizen werden zum Zwecke der Abkühlung in flüssigen Stickstoff oder ein ähnliches Kühlmittel getaucht, mit wel chem die Matrizentemperatur auf etwa minus 196 C gesenkt werden kann, wodurch .die 11latrizenoberfläche die nötige Härte erhält, um Stahlblechteile verformen zu können. Ein Wiedereintauchen ist notwendig, wenn die Matrizentemperatur über ein gewisses Maxi mum steigt..
Es ist gefunden worden, dass für eine befriedigende Verformung von Teilen die maximale Temperatur einer Matrize aus Wismutlegierung ungefähr minus 128 C be trägt. Wenn die Temperatur .der Matrize auf diese Höhe steigt, wird sie wieder gekühlt. Bei kleineren Weichmetallmatrizen ist der notwendige Zeit- und Arbeitsverbrauch für das Wegnehmen der Matrizen von der Presse und das Wie.dereintauchen nicht. so wichti-. Das Gewicht von grösseren Matrizen macht deren Entfernen und 'N#liedereintauchen je doch umständlich wegen der erforderlichen Hinrichtung und der Zeit, um dieses Manöver auszuführen.
Diese Schwierigkeit der Aufrechterhal- tung dieser tiefen Temperatur wird z. B. bei grösseren Weiehmetallmatrizen dadurch über- wunden, dass die Matrize mit Kühlkanälen versehen wird, durch welche flüssiges Kühl mittel strömt. Das flüssige Kühlmittel wird durch den Matrizenbloek gepumpt mit der erforderlichen Geschwindigkeit, um die Ma trizenoberfläche konstant auf der erforder lichen Temperatur von minus 128 C oder tiefer zu halten. Die Form der Kühlkanäle sollte so gut wie möglich der Form der Ma, trizenoberfläche entsprechen, um die gesamte 1iIatrizenoberfläche auf einer konstanten Tem peratur zu halten.
Bei vielen Matrizen ist die Form der Oberfläche komplex und erfordert eine komplizierte Kühlkanalform, welche mit den üblichen Verfahren zur Herstellung sol cher Kanäle schwierig zu erhalten ist. Es kann aber eine Masse aus Wasser und unlös lichem körnigem Material, wie z. B. Sand, verwendet werden, um die schwierigen For men zu bilden, die beim Herstellen von Kühl kanälen oft erforderlich sind. Nachdem die Masse z. B. in eine Gummigiessform gegossen ist, wird sie gefroren und ist dann bereit zur Verwendung als Kern in der Matrizengiess- f orm.
Die gefrorene Masse wird dann richtig in den bei der Matrizenherstellung verwendeten Abguss gelegt, worauf,die geschmolzene Legie rung gegossen wird. Die niedrige Schmelz temperatur der Wismutlegierung erlaubt das Giessen über die gefrorene Masse. Das unlös liche körnige Material in der gefrorenen Masse verzögert das Schmelzen dieses Kernes lange genug, um das Erstarren der Legierung vorher zu ermöglichen. Bei der Berührung der Legierung mit der gefrorenen Masse, welche sehr befriedigende Kühlkanäle bildet, erstarrt die Legierung rasch. Wenn dann die gefrorene Masse schmilzt, fliesst sie ohne wei teres aus dem Matrizenbloek heraus.
Irgend welche Rückstände von körnigem Material, welches nach dem Schmelzen der Masse im Matrizenbloek zurückbleiben mag, kann leicht herausgewaschen werden, wenn die Matrize abgekühlt, ist..
Das Aufrechterhalten des unterkühlten Zustandes der Matrizen hat sich in einigen Fällen trotzdem als schwierig erwiesen. wegen der Wärmeleitung von dem in der Herstel lung der Teile verwendeten Stahlblech auf die Oberflächen der Matrize. Diese Schwierigkeit kann dadurch überwunden werden, dass z. B. das zu formende Stahlblech so weit abgekühlt wird, als es im Hinblick auf die an ihm vor zunehmende Deformation noch zulässig ist.
Zwischen die Matrize und die Presse können auch Schichten aus Asbest oder einem andern mechanischen festen und thermisch isolieren den Material gelegt werden, um die zii rasche Wärmeleitung von der Presse auf die Matrize zu verhindern. Durch das Unterkühlen der Matrizen durch Eintauchen in flüssigen Stick stoff oder in ein ähnliches Kühlmittel, oder durch das Hindurchpumpen von Kühlflüssig keit durch die Matrize, die Abkühlung der zu formenden Stahlbleche und durch die Anorel nung einer angemessenen Isolierung der un terkühlten Matrizen wird es möglich, mehrere hundert Stahlblechteile, z.
B. aus Stahl SAE 1020, mittels einer einzigen wismutlegierten Matrize herzustellen.
Die Produktion von Versuchsteilen mittels unterkühlter wismutlegierter Matrizen kann aber noch weiter erhöht werden, indem die Arbeitsoberfläche der Matrize verchromt wird. Das Verchromen dieser Oberfläche kann durch gebräuchliche Verchromungsprozesse leicht. und rasch ausgeführt werden. Die ver chromte Arbeitsoberfläche reflektiert einen grösseren Teil Wärme, welche sonst auf die Matrize übertragen würde, und ist ausserdem härter. Verchromte Matrizen können leichter in unterkühltem Zustande gehalten werden infolge der Wärmereflektierung an der ver chromten Oberfläche.
Druckversuche an Wismutlegierangen zei gen, dass die umgekühlte Legierung schon unterhalb 527 kg/cm2 plastisch deformiert wird: dasselbe Versuchsstück widersteht nach dem Eintauchen in flüssigen Stickstoff Span- nungen über 1757 kg/cd ohne plastische Deformation. Versuche für Brinellhärte zei gen, dass beim unterkühlten Stück der Kugel eindruck weniger als ein Viertel beträgt im Vergleich zu demjenigen bei normalen Tem peraturen.