DE10042762A1 - Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Aluminiumlegierungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Aluminiumlegierungen, bei dem der Umformprozeß bei erhöhter Temperatur, jedoch unterhalb der Rekristallisationsschwelle des Materials abläuft. Hierdurch lassen sich hohe Umformgrade unter Beibehaltung hoher Materialfestigkeiten erreichen.

Description

Es ist bekannt, daß Aluminiumlegierungen, besonders die höher festen Aluminiumlegierungen, bei Raumtemperatur nur einen begrenzten Umformgrad zulassen. Bei der Anwendung des wirkmediumunterstützten Innenhochdruckverfahrens (IHU-Verfahren) zur Herstellung von hochfesten Formteilen aus Metallegierungen, das üblicherweise bei Raumtemperatur durchgeführt wird, läßt sich der Effekt einer Materialverfestigung durch die Umformung nutzen, um die Streckgrenze des Materials zu steigern. Zur Erzielung großer Umformgrade sind oft mehrere Prozessschritte mit zwischengeschalteten Rekristallisationphasen notwendig. Formteile mit großen Umformgraden lassen sich dadurch nicht wirtschaftlich herstellen.

Es ist für Aluminiumlegierungen weiterhin bekannt, daß bei erhöhter Temperatur die aufzubringende Fließspannung sinkt und gleichzeitig die Bruchdehnung zunimmt. Somit sinkt auch die aufzubringende Umformarbeit. Erhöht man jedoch die Temperatur in einem Maße, daß während des Umformvorgangs eine Rekristallisation des Grundwerkstoffes einsetzt, bildet sich eine unerwünschte, grobe Kornstruktur und die Festigkeitswerte, wie z. B. die Streckgrenze, sinken auf einen Mindestwert ab. Somit lässt sich beim Einsatz einer verfestigbaren Aluminiumlegierung der technische Vorteil der Materialverfestigung im Umformprozeß nicht nutzen. Eine Anwendung in technischen Bereichen, bei denen gerade diese Verfestigung erst den Einsatz von bestimmten Aluminiumlegierungen rechtfertigt, wie z. B. bei Achsen, Trägern etc. im Automobil- oder Flugzeugbau, war somit bisher nur für sehr geringe Umformgrade möglich.

Auch zeigt sich, daß mit den bisherigen, üblichen Mitteln der IHU-Technik, nämlich dem Einsatz von flüssigen Wirkmedien, wie wässrige Emulsionen und Öle, ein Umformvorgang bei Temperaturen oberhalb des Siedepunktes dieser Flüssigkeiten technisch nachteilig ist, zum einen wegen der Verdampfung des Wirkmediums bei der Druckentspannung, zum anderen wegen der Zersetzungsneigung der verwendeten Öle sowie der Dichtungsproblematik bei der Erzeugung des Wirkdruckes in Verdichtern mit heissen Flüssigkeiten.

Die Warmumformung mit festen Wirkmedien, wie z. B. Quarzsand, Stahlkugeln oder andere feinkörnige Stoffe, haben den Nachteil einer ungleichmäßigen Druckverteilung, die scharfe Übergänge oder gar Hinterschneidungen nur durch sehr aufwendige Vorrichtungen ermöglichen sowie den weiteren Nachteil einer aufwendigen Befüllung und Entleerung, der einer wirtschaftlichen Nutzung entgegensteht.

Bei Umformvorgängen mit partiellem Erwärmen des Materials über 500°C und inertem Gas als Wirkdruckmedium (DL2941972A1) kommt es zu einem ungleichmäßigen Fließen des Werkstoffes über den gesamten Hohlkörper und weiter zu einer Inhomogenität des Materials sowie zu einem unkontrollierten Ablauf des Umformvorganges, der für Sicherheitsteile in z. B. der Automobil- oder Flugzeugindustrie nicht akzeptabel ist.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Vorteile eines verfestigten Halbzeuges aus einer Aluminiumlegierung für das technische Endprodukt mit den Vorteilen eines innendruckgeführten Umformprozesses zu verbinden und dennoch hohe Umformgrade in einer Prozeßstufe zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß a) die Anzahl der Prozeßschritte, bestehend je aus einem Umformprozeß und einem nachfolgenden Rekristallisationsprozeß, die bei einem bei Raumtemperatur durchgeführten IHU-Prozess nötig sind, deutlich verringert werden, daß b) die aufzubringende Umformarbeit gegenüber einem bei Raumtemperatur durchgeführten IHU-Prozess wesentlich verringert wird, was zur Folge hat, daß die Kraft zur Zuhaltung der Werkzeuge, üblicherweise in einer hydraulischen Presse aufgebracht, wesentlich reduziert werden kann, daß c) die Wirkdrücke zur Ausformung des Hohlkörpers wesentlich geringer und somit die Verdichter oder Druckspeicher einfacher und wirtschaftlicher zu gestalten sind als bei einem bei Raumtemperatur durchgeführten IHU-Prozeß, daß d) der Entleerungsvorgang mit dem Wirkmedium immer rückstandsfrei erfolgt und keine zusätzliche Zeit erfordert und das Wirkdruckmedium immer mit gleicher Druckverteilung auf die Innenseite des Hohlkörpers wirkt, daß e) die Werkzeuge für diesen Umformprozess aus üblichen Stahlwerkstoffen gefertigt sein können, da die Temperatur zwischen 200°C und 400°C nur vernachlässigbare Veränderungen im Werkzeugmaterial hervorruft.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Sie ermöglicht den Einsatz bereits vorgeformter und in ihren Materialeigenschaften veränderte, teilweise oder ganz verfestigter Halbzeuge. Zieht man einen Vergleich zu den herkömmlichen IHU-Prozessen, so wird dort das vorverformte Halbzeug zunächst durch einen Glühprozeß in seinen Materialeigenschaften auf die Ausgangswerte vor der Verformung zurückgesetzt, um beim IHU-Prozeß einen möglichst großen Umformgrad zu erreichen. Dieser zusätzliche Glühprozess kann bei diesem neuen Verfahren nach Anspruch 1 entfallen, da durch die gewählte Umformtemperatur der mögliche Umformgrad auch für die verfestigten Bereiche des Halbzeuges wesentlich zunimmt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist im Patentanspruch 3 beschrieben. Sie gibt an, daß Werkzeug auf der notwendigen Umformtemperatur, z. B. 300°C, zu halten und das eventuell vorgewärmte Halbzeug dort so zügig einzubringen, daß sich bereits kurz nach dem Verschliessen des Werkzeugs nahezu Temperaturgleichheit zwischen Werkzeug und Halbzeug einstellt. Somit läßt sich die Temperatur des Umformvorganges über die Temperatur des Werkzeugs mit Hilfe eines stationär eingebrachten Temperatursensors sehr genau und reproduzierbar erfassen und einer Regelung zuführen.

Das Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von hochfesten Formteilen in der Automobil- und Flugzeugindustrie. Da grundsätzlich alle aus dem IHU- Verfahren bekannten Formteile mit diesem Verfahren auch aus höherfesten Aluminiumlegierungen herstellbar sind, wird als Ausführungsbeispiel dieser Erfindung die Herstellung einer Rohrverzweigung dargestellt, die z. B. als Knotenstelle in einem Tragwerk oder als Rohrverzweigung z. B. im Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1a Einzelheiten zur Herstellung einer T-förmigen Rohrverzweigung

Fig. 1b Übersichtsdarstellung eines Werkzeugs zur Herstellung einer T-förmigen Rohrverzweigung

Die T-förmige Rohrverzweigung, bestehend aus einem durchgehenden Rohr 1 und dem, unter einem Winkel stehenden Abzweig 2, wird so hergestellt, daß zunächst ein Hohlkörperhalbzeug, bestehend aus einem geraden Rohr 3 in die untere Werkzeughälfte 4 des teilbaren und beheizbaren Wekzeugs mittig eingelegt wird. Anschliessend werden die obere Wekzeughälfte 5 und die untere Werkzeughälfte 4 kraftschlüssig mit Hilfe der Schließkraft 6 verschlossen, die über eine entsprechende (nicht dargestellte) Konstruktion mit der unteren Werkzeughälfte kraftleitend verbunden ist, so, daß die innere Freimachung des Werkzeugs genau der äusseren Form der herzustellenden Rohverzweigung, unter Berücksichtigung der Schwindmasse entspricht. Dann verschließen die in Achsrichtung des Rohres 3 weggesteuerten Abdichtdorne 7, 8 die offenen Enden des Rohres 3. Gleichzeitig wird der weggesteuerte Zylinderdorn 9 so weit in die durch die Gravur in den Werkzeughälften 4 und 5 in Achsrichtung des Abzweiges 2 gebildeten Kanals eingefahren, bis er die, das Rohr 3 aufnehmende Werkzeugfreimachung, welche dem Rohrverlauf des Rohrstückes 1 des fertigen Formteils entspricht, tangential berührt. Während dieses Vorganges hält die Werkzeugbeheizung 10 über den Temperatursensor 11 und der Regelung 12 das Werkzeug auf einer voreingestellten Temperatur, z. B. 300°C. Hierbei wird der Wärmeverlust nach außen durch eine Isolierschicht 17, 18 behindert. Sind die Werkzeughälften 4 und 5 sowie die Rohrenden 19 und 20 verschlossen und der Zylindderdorn 9 vorgefahren, wird ein z. B. inertes Gas aus einem Druckspeicher 13 über einen Druckregler 14 und einem Wärmetauscher 15, der das Gas auf die Umformtemperatur vorwärmt, sowie über eine entsprechende Bohrung 16 in das Halbzeug 3 eingeleitet. Der Gasdruck ist so gewählt, daß die Außenseite des Halbzeugs 3 an die Wand der Werkzeugfreimachung angelegt wird. Sobald dieser Vorgang abgeschlossen ist, wird der Zylinderdorn 9 kontinuierlich zurückgefahren und die Abdichtdorne 7 und 8 gleichzeitig nach vorn gefahren und zwar in einem Maße, daß stets Material des eingesetzten Halbzeugs an den Dornen 7, 8, 9 anliegt. Dieser Ablauf ist hinreichend aus der Herstellung von Abzweigstücken mit dem IHU-Verfahren bekannt. Bei Erreichen der gewünschten Länge des Abzweigs 2 verharren die Dorne in dieser Position, bis der Druckspeicher 13 verschlossen und das Gas über die Druckentspannungsarmatur 21 entspannt wurde. Die Abdichtdorne 7, 8 sowie der Zylinderdorn 9 fahren nun wieder in ihre Ausgangsposition zurück und die Werkzeughälften 4 und 5 fahren auseinander. Jetzt kann das Formteil zur Abkühlung und Weiterverarbeitung entnommen werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Aluminiumlegierungen unter Verwendung eines an den Öffnungen durch nachfürbare Dichtelemente abgedichteten Halbzeugs in einem teilbaren Werkzeug, dessen innere Freimachung den Sollabmessungen des Formteils unter Berücksichtigung von Schwindmaßen entspricht, wobei ein gesteuerter Wirkdruck durch ein Gas auf die Innenseite des Halbzeugs aufgebracht wird und das Halbzeug während des Umformvorganges eine Temperatur zwischen 200°C und 400°C aufweist und der Umformvorgang ohne vollständige Rekristallisation des Werkstoffgefüges stattfindet.

2. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Aluminiumlegierungen nach Anspruch 1, bei dem das Halbzeug bereits durch einen vorgeschalteten Umformprozeß, wie Biegen, Plätten, Ziehen, Stauchen usw., ganz oder teilweise vorverfestigt wurde.

3. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Aluminiumlegierungen nach Anspruch 1 und 2, bei dem nahezu Temperaturgleichheit zwischen Werkzeug und Halbzeug wärend des Umformvorganges herrscht.