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.
Process for the production of pressed sheet metal parts by means of dies. This invention relates. See a process for the production of pressed sheet metal parts by means of matrices, which consist of metal whose melting point is below the boiling point of water.
It has long been an urgent need, especially in the automotive and aircraft industries, to find a method with which a limited number of foil parts can be produced from sheet metal by means of dies, which can be produced quickly and economically. During development, a limited number of deformed sheet metal parts is often required for experimental purposes. The most desirable die will therefore be one which can be produced quickly and economically and which is capable of producing the required number of test parts.
The use of steel matrices for adjusting test parts is often impractical because the cost of producing them is not worthwhile, if in the best case only a few hundred. Parts are to be deformed. Another disadvantage of using steel dies to deform test parts is that it is impossible to change the shape of the test parts by changing the die surface. When developing test models, however, small changes in the shape of the parts are often necessary.
In the automotive industry, the most common method of manufacturing small test parts is to deform the parts by hand using a hardwood mold. This requires the use of trained personnel for the production of hardwood molds as well as skilled metalworkers in order to obtain satisfactory parts using the mold.
For large test parts such as hoods, fenders and doors, a cast iron mold is generally used. B. sheet steel is drawn into the approximate shape. The part then needs to be placed on a hardwood mold and finished like the smaller parts. will.
As will be readily understood, the manufacture of test parts by hand deformation is unsatisfactory because it is costly and time consuming. The shapes cannot be easily changed, and when a major change is intended, the old shape is generally put away and a new one made: many attempts have also been made to use bismuth alloys to make experimental matrices. In: In the last few years the aircraft industry has worked a lot with such matrices made from bismuth alloys.
Some successes have been achieved in the deformation of aluminum sheets or other soft sheets, with the disadvantages of the known processes mentioned being overcome, as described in an article on page 142 of the March 1947 issue of the Maehinerv magazine. The matrices as they are produced in the aircraft industry, however, are not suitable for the production of test automobile parts, since these parts are usually made of sheet steel and therefore these soft metal matrices are not capable of
Steel sheets in sufficient quantity or quality to be produced because of the softness inherent in the easily melting alloys. The matrices made of @vismuth alloys are pressed in and deformed when specimens are made from sheet steel. This obstacle in the use of soft metal matrices is overcome in the method according to the invention in that the matrices are cooled to a temperature of minus 128 ° C. or lower before they are used.
In the following the method is explained for example. The die can be made from an alloy consisting primarily of bismuth, tin and lead. Cerrobend, one of these alloys, consists of 50% bismuth, 13.31 / o tin, 101 / o cadmium and 26,
7% lead. Cerrobend has proven to be the most suitable of these easily melting alloys for the casting of matrices which are used to deform sheet metal parts due to the peculiar increase in volume when solidifying and the advantageous behavior when supercooling. Cerrobend has an extremely low melting point of around 710 C, which allows the alloy to be melted with the simplest means.
By immersing a container of molten alloy in water at a temperature above 71 C, the alloy can be kept in a molten level of tin. The low temperature of the alloy in the molten state has the further advantage that it can be handled more easily without the risk of burns to personnel.
The method generally used for the production of soft metal matrices consists in producing a model of the part to be formed. The model is preferably made from a material that can be edited easily and quickly. Models made of soft wood have proven themselves for smaller parts, while aluminum or other easily deformable metals have been successfully used to form models of larger parts.
A plaster or clay cast is then made of the model, which is then heated to drive off any moisture. It has been found that in the case of matrices which are produced with the aid of completely dried plaster of paris or clay, the surface has to be reworked significantly less than if the matrices are cast in non-dried forms. The molten alloy is then brought into the plaster of paris or clay casting to get one half of the matrix.
Because of the extremely low temperature of the molten metal, plaster molds are very suitable.
When making matrices from smaller models, it is possible to pour the liquid metal directly onto the model in order to form part of the matrix. With the model used in this way, there is no noticeable distortion. Soft metal dies are also satisfactorily made by pouring the molten alloy directly onto the clay model made by the automobile designer. The ability to cast the molten alloy according to the method described above, it saves considerable time and money.
A piece of aluminum with a thickness that corresponds to that of the part to be formed is then placed on the die surface - Lind is brought into the shape corresponding to the die by pressing it into this shape with a heavy Giunmi punch.
The aluminum part so formed is left on the die surface to act as a partition wall when the other half of the die is poured and also serves to dissipate heat when the molten metal is poured. After this die part has been poured onto the first part, the outer sides of the die are faced in order to achieve absolutely parallel fitting surfaces.
The ability to turn the dies flat while they are together allows a quick and exact adjustment of the two die parts when they are fastened in the press.
After separating the two parts of the die, the surfaces are smoothed by hand. Greetings errors and casting bubbles are simply repaired with a soldering iron and a piece of the alloy. The surface is smoothed by sanding until the exact desired shape is achieved. It has been found that small changes in the die shape by melting Me tall on the die or by removing: metal with. a rasp or other tool can be made. If major changes are made to the die, it can be completely reused by placing it in a hot. Water is melted and re-poured in the desired new shape.
Smaller dies are immersed in liquid nitrogen or a similar coolant to cool them down, with which the die temperature can be lowered to around minus 196 C, which gives the die surface the necessary hardness to be able to deform sheet steel parts. Immersion is necessary when the die temperature rises above a certain maximum.
It has been found that the maximum temperature of a bismuth alloy die is approximately minus 128 C for satisfactory deformation of parts. When the temperature of the die rises to this level, it is cooled again. With smaller soft metal matrices, the time and effort required to remove the matrices from the press and reinsert them is not. so important-. The weight of larger matrices makes their removal and dipping, however, cumbersome because of the execution required and the time to perform this maneuver.
This difficulty in maintaining this low temperature is z. B. with larger soft metal matrices overcome by providing the matrix with cooling channels through which liquid coolant flows. The liquid coolant is pumped through the Matrizenbloek at the required speed to keep the Ma trizen surface constant at the required temperature of minus 128 C or lower. The shape of the cooling channels should correspond as closely as possible to the shape of the die surface in order to keep the entire die surface at a constant temperature.
With many matrices, the shape of the surface is complex and requires a complicated cooling channel shape, which is difficult to obtain with the usual methods for producing such channels. But it can be a mass of water and insoluble granular material such. B. sand, can be used to form the difficult For men that are often required in the manufacture of cooling channels. After the mass z. B. is poured into a rubber mold, it is frozen and is then ready for use as a core in the Matrizengiess- form.
The frozen mass is then properly placed in the cast used in the die making, after which the molten alloy is poured. The low melting temperature of the bismuth alloy allows it to be poured over the frozen mass. The insoluble granular material in the frozen mass retards the melting of this core long enough to allow the alloy to solidify beforehand. When the alloy comes into contact with the frozen mass, which forms very satisfactory cooling channels, the alloy rapidly solidifies. When the frozen mass then melts, it flows easily out of the die block.
Any residue of granular material that may remain in the die block after the mass has melted can easily be washed out when the die has cooled.
Maintaining the supercooled state of the dies has nevertheless proven difficult in some cases. because of the heat conduction from the steel sheet used in the manufacture of the parts on the surfaces of the die. This difficulty can be overcome in that, for. B. the steel sheet to be formed is cooled as far as it is still permissible with regard to the increasing deformation on him.
Layers of asbestos or another mechanical, solid and thermally insulating material can also be placed between the die and the press in order to prevent the rapid conduction of heat from the press to the die. By subcooling the dies by immersing them in liquid nitrogen or a similar coolant, or by pumping coolant through the die, cooling the steel sheets to be formed, and providing adequate insulation for the uncooled dies, several hundred sheet steel parts, e.g.
B. made of steel SAE 1020, using a single bismuth alloy die.
The production of test parts using supercooled bismuth-alloyed dies can be increased even further by chrome-plating the work surface of the die. The chrome plating of this surface can easily be done by common chrome plating processes. and executed quickly. The chrome-plated work surface reflects a greater part of the heat that would otherwise be transferred to the die, and is also harder. Chrome-plated matrices can be kept in a supercooled state more easily due to the heat reflection on the chrome-plated surface.
Pressure tests on bismuth alloy rods show that the cooled alloy is plastically deformed below 527 kg / cm2: the same test piece withstands stresses above 1757 kg / cd without plastic deformation after immersion in liquid nitrogen. Tests for Brinell hardness show that with the supercooled piece the ball impression is less than a quarter compared to that at normal temperatures.