DE10153139A1

DE10153139A1 - Thermal internal pressure forming process

Info

Publication number: DE10153139A1
Application number: DE10153139A
Authority: DE
Inventors: Peter Katzlinger; Helmut Reuter; Bernd Baumann; Burkhard Heine; Herbert Baur; Andreas Haas
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-10-27
Filing date: 2001-10-27
Publication date: 2003-05-08
Also published as: ES2225707T3; EP1306145A1; DE50200917D1; EP1306145B1

Abstract

Bei einem thermischen Innendruck-Umformverfahren, bei dem randseitig miteinander verschweißte Blechplatinen in ein Formwerkzeug eingelegt, bis nahe der Schmelztemperatur der Blechplatinen erwärmt und im erwärmten Zustand durch Einleiten eines Druckmediums zwischen die Platinen bis zur Anlage an der Formkavität des Formwerkzeugs zu einem Hohlbauteil aufgeweitet und anschließend aus dem Formwerkzeug entformt werden, werden die Herstellungskosten ohne Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des fertigen Hohlbauteils erfindungsgemäß dadurch wesentlich reduziert, dass die Blechplatine aus einem konventionellen, unter Wärmeeinwirkung rekristallisationsanfälligen Werkstoff bestehen und für die Erwärmungs- und Innendruckverformungsphase der Blechplatinen eine kurze, unterhalb der Gefügeumwandlungszeit des rekristallisationsanfälligen Materials bei Erwärmungstemperatur liegende Zeitspanne von wenigen Minuten eingehalten wird.In a thermal internal pressure forming process, in which sheet metal plates welded together at the edges are placed in a mold, heated up to near the melting temperature of the sheet metal plates and expanded in the heated state by introducing a pressure medium between the plates until they come into contact with the mold cavity of the mold to form a hollow component and then are removed from the mold, the manufacturing costs are significantly reduced without impairing the mechanical properties of the finished hollow component according to the invention in that the sheet metal plate consists of a conventional material that is susceptible to recrystallization and a short, below the structural transformation time for the heating and internal pressure deformation phase of the sheet metal plates material prone to recrystallization at a heating temperature of a few minutes is observed.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein thermisches Innendruck-Umformverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a thermal internal pressure forming process according to the preamble of claim 1.

Aus der DE 195 31 035 C2 ist ein Verfahren dieser Art zur Innendruckumformung von randseitig miteinander verschweißten Blech- und insbesondere Aluminiumplatinen bekannt, bei dem die Blechplatinen entweder außerhalb des Formwerkzeugs oder in diesem selbst durch Vor- oder Aufheizen der Form oder des Druckmediums auf ein erhöhtes Temperaturniveau erwärmt und in diesem Zustand umgeformt werden, um auf diese Weise mit relativ niedrigen Drücken hohe Umformgrade zu erzielen. Dabei ergeben sich jedoch bei Werkstoffen wie Titan oder eben auch Aluminium, die in der Kraft- und Luftfahrzeugindustrie zunehmend häufiger zum Einsatz kommen, höchst unerwünschte Gefügeumwandlungen mit Rekristallisations- und Versprödungseffekten, wenn nicht auf korngrößenstabilisierte, superplastische Sonderwerkstoffe zurückgegriffen wird, die sehr kostspielig und zumindest für eine Serienfertigung nicht akzeptabel sind. DE 195 31 035 C2 describes a method of this type Internal pressure forming of sheet metal and especially welded together at the edge Aluminum boards known, in which the sheet metal boards either outside of Mold tool or in this itself by preheating or heating the mold or the print medium is heated to an elevated temperature level and in This condition can be reshaped to be relatively low in this way Press to achieve high degrees of deformation. However, this results in Materials such as titanium or aluminum, which are used in the power and Aircraft industry are increasingly used, highly undesirable Structural transformations with recrystallization and embrittlement effects, if not on grain size stabilized, superplastic special materials is used, which is very expensive and at least not for series production are acceptable.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass auch konventionelle, unter Wärmeeinwirkung rekristallisationsanfällige Werkstoffe, wie normales Aluminium oder Titan, auf fertigungstechnisch einfache Weise ohne unerwünschte Gefügeumwandlungen im schmelzpunktnahen Temperaturbereich zu qualitativ hochwertigen Hohlbauteilen innendruckumformbar sind. The object of the invention is so the method of the type mentioned to design that even conventional, under the influence of heat materials susceptible to recrystallization, such as normal aluminum or titanium production-technically simple way without unwanted structural changes in the melting point-near temperature range to high quality Hollow components are formable internally.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. This object is achieved according to the invention in claim 1 specified procedures solved.

Erfindungsgemäß wird durch eine gegenüber den bekannten Verfahren wesentliche Verkürzung der Erwärmungs- und Verformungsphase eine störende Gefügeumwandlung an in dieser Hinsicht empfindlichen Materialien unterbunden und in Verbindung mit der Verwendung konventioneller, nicht-korngrößenstabilisierter anstelle von superplastischen Werkstoffen eine erheblich kostengünstigere Bauteilfertigung mit hohen Umformgraden sichergestellt, ohne dass sich der schmelzpunktnahe Erwärmungszustand der Blechplatinen nachteilig auf die Materialeigenschaften des fertigen Hohlbauteils auswirkt, mit dem weiteren, insbesondere für eine Serienfertigung bedeutsamen Effekt, dass sich aufgrund der verkürzten Taktzeiten zugleich auch entsprechend erhöhte Produktionsraten erzielen lassen. According to the invention by a compared to the known methods substantial shortening of the heating and deformation phase a disturbing Structural transformation of materials that are sensitive in this regard prevented and in connection with the use of conventional, a non-grain size stabilized instead of superplastic materials cost-effective component production with high degrees of forming ensured without the melting point of the sheet metal near the melting point is disadvantageous affects the material properties of the finished hollow component with which another effect, particularly significant for series production, that due to the shortened cycle times also increased accordingly Have production rates achieved.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Erwärmungs- und Verformungsphase auf einen Zeitraum von etwa 5 Minuten zu begrenzen. Im Rahmen der Erfindung werden vorzugsweise konventionelle Aluminiumbleche oder solche aus einer nicht korngrößenstabilisierten Aluminiumlegierung bei einem Temperaturniveau von etwa 500°C innendruckverformt. In weiterer, besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden die Blechplatinen nach dem Einlegen in das Formwerkzeug auf dem Wege über eine in dieses integrierte Heizeinrichtung erwärmt, wodurch einerseits Zeitverluste, die beim Aufheizen der Platinen außerhalb des Formwerkzeugs entstehen, vermieden werden und andererseits - anders als beim Erwärmen der Blechplatinen mit Hilfe eines erhitzten Druckmediums - eine exakte, zeitlich getrennte Steuerung von Aufheiz- und Verformungsvorgang ermöglicht wird. It has proven particularly advantageous to use the heating and Limit the deformation phase to a period of about 5 minutes. As part of the invention are preferably conventional aluminum sheets or those made of a non-grain size stabilized aluminum alloy in one Temperature level of about 500 ° C deformed inside. In another, especially preferred embodiment of the invention, the sheet metal plates according to the Insert into the mold on the way via an integrated in this Heater heats up, which on the one hand wastes time when heating up the blanks are created outside the mold, avoided and on the other hand - unlike when heating the sheet metal plates with the help of a heated pressure medium - an exact, time-separate control of heating and deformation process is made possible.

Die Innendruckverformung erfolgt zweckmäßigerweise mit Hilfe eines gasförmigen Druckmediums, im einfachsten Fall Luft, unter einem Druck von normalerweise 20 bis 40 bar bis hin zu Druckwerten von ca. 250 bar, falls z. B. scharfkantige Eckbereiche an den Hohlbauteilen ausgeformt werden sollen. Um sicherzustellen, dass die Blechplatinen unter der Wärmeeinwirkung nicht an ihren an die Schweißnaht angrenzenden Kontaktflächen zusammenschmelzen, werden diese zweckmäßigerweise mit einem Trennmittel partiell vorbeschichtet. Die konstruktive Steifigkeit der Hohlbauteile schließlich lässt sich dadurch auf fertigungstechnisch einfache Weise erhöhen, dass zwischen den äußeren Blechplatinen zumindest eine werkstoffgleiche Innenplatine angeordnet und randseitig mit diesen verschweißt wird, welche sich beim Aufweiten der Außenplatinen zu einem den Hohlkörper durchsetzenden Versteifungsblech verformt. The internal pressure deformation is expediently carried out with the aid of a gaseous pressure medium, in the simplest case air, under a pressure of normally 20 to 40 bar up to pressure values of approx. 250 bar, if e.g. B. sharp-edged corner areas are to be formed on the hollow components. To ensure that the sheet metal boards are not under the influence of heat at their contact surfaces adjacent to the weld seam melt together, they are advantageously partially with a release agent pre-coated. Finally, the structural rigidity of the hollow components can be thereby increase in a technically simple manner that between the outer sheet metal plates at least one inner plate of the same material arranged and welded to the edge with these, which is when the Outer boards to a stiffening plate passing through the hollow body deformed.

Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in stark schematisierter Darstellung in The invention is now based on two exemplary embodiments in Connection explained in more detail with the drawings. These show in strong schematic representation in

Fig. 1a, b zwei aufeinanderfolgende Fertigungsstufen eines Hohlbauteils a.) nach dem Einlegen der Blechplatinen in das Formwerkzeug und b.) nach Beendigung des Umformprozesses; und FIG. 1a, b show two successive stages of manufacture of a hollow component a) after the insertion of the sheet metal blanks in the mold, and b) after completion of the forming process..; and

Fig. 2a, b, c den Fertigungsablauf für ein modifiziertes, innenblechversteiftes Hohlbauteil a.) vor Beginn, b.) in einer Zwischenstufe und c.) nach Beendigung des Umformvorgangs. Figure 2a, b., C the manufacturing process of a modified hollow member innenblechversteiftes a.) Prior to the start, b.) At an intermediate stage, and c.) After completion of the forming process.

Bei dem anhand der Fig. 1 erläuterten Umformverfahren zur Herstellung eines im Querschnitt geschlossenen Hohlbauteils 1 werden zunächst zwei Blechplatinen 2, 3 mit einer Wandstärke von jeweils einigen mm aus konventionellem, nicht korngrößenstabilisierten Aluminium oder einer ebensolchen Aluminiumlegierung, welche an ihren Kontaktflächen - mit Ausnahme eines schmalen Randstreifens - mit einer siliziumnitridhaltigen, gestrichelt dargestellten Trennmittelschicht 4 belegt sind, unter Zwischenschaltung einer Drucklanze 5 in ein insgesamt mit 6 bezeichnetes Formwerkzeug eingelegt. Dieses besteht aus einem mit einer der Außenkontur des Hohlbauteils 1 entsprechenden Formkavität 7 versehenen Werkzeugober- und -unterteil 8, 9, welche auf der Außenseite jeweils von einer Wärmeisolationsschicht 10 umschlossen sind und durch eine Heizeinrichtung 11 kontinuierlich auf einem nahe dem Schmelzpunkt der Blechplatinen 2, 3 liegenden Temperaturniveau von etwa 500°C gehalten werden. Zur Überwachung des Temperaturniveaus sind im Bereich der Formkavität 7 und im Randbereich der Blechplatinen 2, 3 jeweils Temperatursensoren 12 angeordnet. In the forming process explained with reference to FIG. 1 for producing a hollow component 1 which is closed in cross section, first two sheet metal plates 2 , 3 with a wall thickness of a few mm each are made of conventional, not grain size stabilized aluminum or an aluminum alloy of this type, which on their contact surfaces - with the exception of one narrow edge strip - are coated with a silicon nitride-containing, dashed-line release agent layer 4 , with the interposition of a pressure lance 5 in a molding tool, generally designated 6 . This consists of a corresponding to one of the outer contour of the hollow member 1 mold cavity 7 tool top provided and base 8, 9, which are each enclosed on the outside by a heat insulating layer 10, and continuously through a heater 11 on a near the melting point of the sheet metal blanks 2, 3 lying temperature level of about 500 ° C can be kept. In order to monitor the temperature level, temperature sensors 12 are arranged in the area of the mold cavity 7 and in the edge area of the sheet metal plates 2 , 3 .

Nach dem Einlegen der Blechplatinen 2, 3 werden die Werkzeugteile 8, 9 zusammengefahren und die Blechplatinen 2, 3 unter der Druckwirkung der Werkzeugteile 8, 9 und der gleichzeitigen, schmelzpunktnahen Erwärmung an ihren trennmittelfreien Randzonen miteinander preßverschweißt, während eine Schmelzbindung an den übrigen Kontaktflächen infolge der Trennmittelbeschichtung 4 unterbunden wird. After inserting the sheet metal plates 2 , 3 , the tool parts 8 , 9 are moved together and the sheet metal plates 2 , 3 are pressure-welded to one another at their separating agent-free edge zones under the pressure effect of the tool parts 8 , 9 and the simultaneous heating close to the melting point, while a fusion bond on the other contact surfaces as a result the release agent coating 4 is prevented.

Anschließend werden die Blechplatinen 2, 3 über die Drucklanze 5 mit einem Druckmedium, z. B. Druckluft, innendruckbeaufschlagt und dadurch bis zur Anlage an der Formkavität 7 des Formwerkzeugs 6 aufgeweitet, so dass der in Fig. 1b gezeigte Hohlkörper 1 entsteht. Das Druckniveau des Druckmediums liegt dabei normalerweise zwischen 20 und 40 bar, kann jedoch je nach Verformungsgrad und Querschnittsgeometrie des Hohlbauteils 1 bis zu 250 bar angehoben werden. Then the sheet metal plates 2 , 3 via the pressure lance 5 with a pressure medium, for. B. compressed air, pressurized internally and thereby expanded to abut the mold cavity 7 of the mold 6 , so that the hollow body 1 shown in Fig. 1b is formed. The pressure level of the pressure medium is normally between 20 and 40 bar, but can be raised up to 250 bar depending on the degree of deformation and cross-sectional geometry of the hollow component 1 .

Nach Beendigung des Umformvorgangs wird das Formwerkzeug 6 geöffnet und der Hohlkörper 1 entnommen, woraufhin die Drucklanze 5 abgetrennt, die entstehende Hohlkörperöffnung verschlossen und ein neuer Fertigungszyklus begonnen werden kann. Wesentlich ist, dass die Zeitspanne zwischen dem Aufheizen der Blechplatinen 2, 3 und der Entnahme des Hohlkörpers 1 so kurz bemessen wird, dass eine Gefügeumwandlung der Blechplatinen 2, 3 unterbleibt. Diese Zeitspanne liegt bei konventionellen, nicht-korngrößenstabilisierten Aluminiumplatinen in der Größenordnung von wenigen, nämlich etwa 5 Minuten. After the shaping process has ended, the molding tool 6 is opened and the hollow body 1 is removed, whereupon the pressure lance 5 is separated, the resulting hollow body opening is closed and a new production cycle can be started. It is essential that the time span between the heating of the sheet metal plates 2 , 3 and the removal of the hollow body 1 is so short that a structural transformation of the sheet metal plates 2 , 3 is omitted. In the case of conventional, non-grain size stabilized aluminum boards, this time period is of the order of a few, namely about 5 minutes.

Die Ausführungsform nach Fig. 2, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Komponenten durch ein um 100 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von diesem in erster Linie durch einen anders aufgebauten Platinenverbund, welcher hier aus z. B. durch Laserstrahlnähte 13, 14 randseitig miteinander vorverschweißten Außen- und kleineren, von Durchlassöffnungen 15 durchsetzten Innenplatinen 102, 103 bzw. 16, 17 wiederum aus konventionellem, nicht korngrößenstabilisierten Aluminium oder einer gleichartigen Aluminiumlegierung besteht. Aus Fig. 2b ist ersichtlich, wie die Außenplatinen 102, 103 unter der Innendruckwirkung und der gleichzeitigen, schmelzpunktnahen Erwärmung ballonartig aufgeweitet und zugleich die Innenplatinen 16, 17 gestreckt werden, bis am Ende des thermischen Umformprozesses (Fig. 2c) ein im Querschnitt geschlossenes Hohlbauteil 101 mit scharfkantigen Eckbereichen und durch die Innenplatinen 16, 17 gebildeten, parallel zur Verbindungsnaht 13 der Außenplatinen 102, 103 verlaufenden Versteifungsblechen entsteht. Aufgrund der rechteckförmigen Querschnittsgeometrie des Hohlbauteils 101 muss in diesem Fall mit wesentlich höheren Innendrücken in der Größenordnung von 200 bar gearbeitet werden. Im Übrigen ist die Verfahrensweise sowohl hinsichtlich der formwerkzeugseitigen Aufheizung als auch hinsichtlich der auf wenige Minuten begrenzten Zeitspanne zwischen dem Einlegen des Platinenverbunds und dem Entformen des Hohlbauteils 101 die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. The embodiment according to FIG. 2, where the components corresponding to the first exemplary embodiment are identified by a reference numeral increased by 100, differs from this primarily by a differently constructed circuit board assembly, which here consists of e.g. B. by laser beam seams 13 , 14 pre-welded together on the edge of the outer and smaller, through openings 15 penetrated inner boards 102 , 103 and 16 , 17 in turn consists of conventional, not grain size stabilized aluminum or a similar aluminum alloy. From Fig. 2b it can be seen how the outer plates 102 , 103 are expanded like a balloon under the effect of internal pressure and the simultaneous heating close to the melting point, and at the same time the inner plates 16 , 17 are stretched until a hollow component with a cross section is closed at the end of the thermal forming process ( Fig. 2c) 101 with sharp-edged corner areas and stiffening plates formed by the inner boards 16 , 17 and running parallel to the connecting seam 13 of the outer boards 102 , 103 . Due to the rectangular cross-sectional geometry of the hollow component 101 , much higher internal pressures of the order of 200 bar must be used in this case. Otherwise, the procedure is the same as in the first exemplary embodiment, both with regard to the heating on the mold side and with regard to the time period limited to a few minutes between the insertion of the circuit board assembly and the demolding of the hollow component 101 .

Claims

1.Thermal internal pressure forming process in which metal plates welded together at the edges are placed in a mold, warmed up to near the melting temperature of the metal plates and expanded in the heated state by introducing a pressure medium between the plates until they come into contact with the mold cavity of the mold to form a hollow body and then be removed from the mold, characterized in that
the metal boards consist of a material that is not grain size stabilized and
for the heating and internal pressure deformation phase of the metal blanks, a short period of a few minutes below the microstructural transformation time of the non-grain size stabilized material at the heating temperature is observed.

2. Forming method according to claim 1, characterized in that the heating and internal pressure deformation phase within one Period of about 5 minutes is held.

3. Forming method according to claim 1 or 2, characterized in that the non-grain size stabilized metal boards made of aluminum or one Aluminum alloy exist and at a temperature of about 500 ° C be warmed.

4. Forming method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the metal blanks on the way after inserting them into the mold can be heated via a heating device integrated in this.

5. Forming method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the metal boards with an internal pressure of maximum 250 bar be compressed gas.

6. Forming method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the metal boards on their adjacent to the weld Contact surfaces are coated with a release agent.

7. Forming method according to one of the preceding claims, characterized characterized that at least one additional edge between the outer metal plates welded the outer boards and after expanding the Outer boards a metal board forming the inner body penetrating the hollow body is used.