DE102004013094A1

DE102004013094A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Teilverstärken von metallischem Werkstoff

Info

Publication number: DE102004013094A1
Application number: DE102004013094A
Authority: DE
Inventors: Hirotaka Toyota Todaka; Yoshiaki Toyota Kamoda; Masataka Toyota Iida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: US20040211235A1; US7240529B2; JP2004276078A; JP4032304B2; DE102004013094B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein Teilverstärkungsverfahren und eine Teilverstärkungsvorrichtung zum bedarfsgerechten Verstärken eines Teils eines Metallwerkstücks, welches gute Formungseigenschaften und eine relativ geringe Festigkeit (Härte und Fließspannung) aufweist, durch Preßbearbeitung zu schaffen.
Das Teilverstärkungsverfahren umfaßt einen ersten Schritt und einen zweiten Schritt. Im ersten Preßschritt wird eine plastische Verformung durch den plastischen Fluß des Metallwerkstoffs auf der Vorderseite oder der Rückseite des zu verstärkenden Teils erzeugt, um eine konvex-konkave Vorderseite und eine konvex-konkave Rückseite zu formen. Im zweiten Preßschritt wird eine weitere plastische Verformung durch den plastischen Fluß auf der konvex-konkaven Vorderseite und der konvex-konkaven Rückseite erzeugt, um eine plane Vorderseite und eine plane Rückseite zu formen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Teilverstärken eines metallischen Werkstoffs, um einen Teil des metallischen Werkstoffs zu verstärken.
Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik
Generell wird bei der Auswahl des Werkstoffs für einen Formkörper ein Werkstoff in Betracht gezogen, dessen Härte oder Zugfestigkeit den Wert für die maximal erforderliche Festigkeit erreicht. Eine andere Möglichkeit ist die Wahl eines Werkstoffs, der nach dem Preßformen einer Wärmebehandlung unterzogen werden kann, um den ganzen Formkörper zu verstärken.
Falls der Werkstoff jedoch mit Rücksicht auf die Festigkeit desjenigen Teils ausgewählt wird, der die größte Festigkeit erfordert, kann daraus der folgende Nachteil entstehen. Die Preßformeignung des Werkstoffs wird insgesamt herabgesetzt, und schlimmstenfalls kann der Werkstoff nicht geformt werden. Darüber hinaus ist die Verwendung eines hochfesten Werkstoffs teuer und unwirtschaftlich, da der Formkörper auch in den Teilen, die keine größere Festigkeit erfordern, eine größere Dicke aufweist als eigentlich nötig wäre.
Andererseits existiert ein Verfahren, bei dem ein Preßformkörper einer Wärmebehandlung unterzogen werden kann, um die Festigkeit zu erhöhen. In diesem Fall erfordert die Wärmebehandlung zusätzliche Ausrüstung und einen zusätzlichen Arbeitsschritt, so daß die Kosten steigen.
Als Verstärkungsverfahren für einen begrenzten Teil eines Formkörpers ist das auf das Preßformen folgende Sandstrahlen des Teils, der Festigkeit verlangt, bekannt. Darüber hinaus ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Plattendicke des Teils, der Festigkeit verlangt, erhöht wird (siehe Patentveröffentlichung Nr. 1). Für diesen Zweck wird der Festigkeit verlangende Teil eines preßgeformten Körpers aus Edelstahl einem Flammspritzen unterzogen, um einen Flammspritzfilm auszubilden. Bekannt ist ein Verstärkungsverfahren, bei dem der Teil, der eine höhere Festigkeit verlangt als andere Teile, erwärmt und dann abgeschreckt wird (siehe Patentveröffentlichung Nr. 2).
Um die Forderung nach einem niedrigen Fahrzeuggewicht zu erfüllen, wurde nun versucht, Bauteile dünner oder aus einem leichten Werkstoff wie Aluminium zu gestalten (Aluminisierung der Bauteile). Beispielsweise bestehen Aufhängungen oder Rahmenelemente einer Fahrzeugkarosserie, die bisher aus Stahlformkörpern bestanden, nun aus Gründen der Leichtigkeit aus Aluminiumformkörpern (wegen des leichteren Gewichts).
Die Härte von Aluminium ist jedoch geringer als die von Stahl. Aus diesem Grund besteht die Sorge, daß an der Stelle, wo eine Aufhängung, die aus Aluminiumlegierung gebildet ist, mit einer Lagerbuchse in Berührung kommt, die mit einem Oberlenker und einem Unterlenker verbunden ist, die Gleitfläche der Aufhängung aufgrund des Gleitens der Lagerbuchse abgenutzt wird, wenn das Fahrzeug fährt. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird eine größere Lagerbuchse verwendet, um die begrenzende Flächenpressung zu senken, oder es wird eine Aluminiumlegierung mit größerer Festigkeit für die Aufhängung verwendet. Dadurch steigen jedoch die Kosten für die Lagerbuchse und die Aufhängung, und die Formungseignung der Aufhängung ist nimmt ab.
[Patentdokument 1] Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 7-3427
[Patentdokument 2] Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-241835

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben beschriebenen Situation durchgeführt und ihr Ziel ist es, ein Teilverstärkungsverfahren und eine Teilverstärkungsvorrichtung bereitzustellen, um den vorgegebenen Teil eines Metallwerkstoffs, der einer Verstärkung bedarf, zu verstärken, wobei dieser eine ausgezeichnete Formungseignung und eine relativ niedrige Festigkeit (Härte und Zugfestigkeit) aufweist. Der vorgegebene Teil kann anhand eines Preßverfahrens verstärkt werden.

Das erfindungsgemäße Teilverstärkungsverfahren für Metallwerkstoffe umfaßt (i) einen ersten Preßschritt, bei dem durch den plastischen Fluß eines Metallwerkstoffs an der Vorder- (Ober-) Seite und/oder der Rück- (Unter-) Seite eines zu verstärkenden Teils eine plastische Verformung bewirkt wird, um eine konkav-konvexe Vorder-(Ober-) Seite und/oder eine konkav-konvexe Rück- (Unter-) Seite zu bilden; und (ii) einen zweiten Preßschritt, bei dem durch den plastischen Fluß auf der konvex konkaven Vorderseite und/oder der konvex konkaven Rückseite eine weitere plastische Verformung erzeugt wird, um eine ebene Vorder (Ober-) Seite und/oder eine ebene Rück(Unter-) Seite zu bilden.

Im zweiten Preßschritt wird auf den Metallwerkstoff ein statischer Hydraulikdruck in Preßrichtung ausgeübt, und gleichzeitig wird auf den Metallwerkstoff eine Scherkraft in Planierrichtung ausgeübt, um eine plane Oberseite und eine plane Unterseite zu formen. Bei dem Metallwerkstoff handelt es sich vorzugsweise um eine Aluminiumlegierung, und er weist vorzugsweise eine Dicke von 2 bis 10 mm auf.

Die Form der Preßfläche des oberen Stempels und des unteren Stempels, die im ersten Preßschritt verwendet werden, besteht aus ringförmig konvexen Abschnitten und ringförmig konkaven Abschnitten, die koaxial um die Stempelachsen herum ausgebildet sind. Der Abstand zwischen nebeneinander liegenden ringförmigen konvexen Ab schnitten oder ringförmigen konkaven Abschnitten kann dem Ein- bis Sechsfachen der Dicke des Metallwerkstoffs entsprechen. Der ringförmige konvexe Abschnitt und der ringförmige konkave Abschnitt weisen vorzugsweise einen Bogenquerschnitt auf, dessen Radius dem Ein- bis Sechsfachen der Dicke des Metallwerkstoffs entspricht.

Ebenso kann die Form der Preßfläche des oberen Stempels und des unteren Stempels, die im ersten Preßschritt verwendet werden, aus divergenten konvexen Abschnitten und divergenten konkaven Abschnitten bestehen, die von den Stempelachsen radial nach außen divergieren. Der Winkel, der von nebeneinander liegenden divergenten konvexen Abschnitten auf der Oberseite oder auf der Unterseite gebildet wird, beträgt vorzugsweise 10 bis 30 Grad. Der Winkel, der von nebeneinander liegenden konvexen Abschnitten auf der Oberseite oder auf der Unterseite gebildet wird, ist vorzugsweise kleiner als 30 Grad.

Die erfindungsgemäße Teilverstärkungsvorrichtung ist eine Preßformvorrichtung und besteht aus einem Stempel und einem Gegenstempel, die den Metallwerkstoff einklemmen und zusammenpressen, und einer Rotationseinrichtung, die den Stempel und den Gegenstempel um ihre Achsen dreht.

WIRKUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Pressen eines Teils des Metallwerkstoffs in zwei Schritten unter Austausch der Stempel ein Teil des Metallwerkstoffs wunschgemäß verstärkt werden. Eine Teilverstärkung, die ohne einen hochfesten Werkstoff bewerkstelligt wird, kann dazu beitragen, die Materialkosten zu senken.

Durch Einbringen des erfindungsgemäßen Teilverstärkungsschritts in den Formungsschritt für den Formkörper kann die Qualität des gepreßten Gegenstands verbessert werden, ohne die Produktivität zu senken. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für die Durchführung der Teilverstärkung einer Aufhängung, die relativ zur Lagerbuchse eines oberen Arms oder eines unteren Arms gleitet.

1 ist eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen den Stempeln und dem Metallwerkstoff im ersten Preßschritt;
2 ist eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen den Stempeln und dem Metallwerkstoff im zweiten Preßschritt;
3 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für die Kopfform des Stempels, der im ersten Preßschritt verwendet wird;
4 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels der Kopfform des Stempels, der im ersten Preßschritt verwendet wird;
5 ist eine perspektivische Darstellung der Konturen des Stempels von 4;
6 ist eine schematische Darstellung des Querschnitts der Preßfläche des Stempels, der im ersten Schritt verwendet wird;
7 ist eine schematische Darstellung der Art, wie die Stempel mit der divergierenden Preßfläche im ersten Preßschritt angesetzt werden;
8 ist eine schematische Draufsicht auf einen Hauptabschnitt der unteren Form der Teilverstärkungsvorrichtung mit einer Rotationseinrichtung, um im zweiten Preßschritt den Stempel mit einer Scherkraft zu beaufschlagen;
9 ist eine schematische Seitenansicht auf einen Hauptabschnitt der Teilverstärkungsvorrichtung mit einer Rotationseinrichtung, um im zweiten Preßschritt den Stempel mit einer Scherkraft zu beaufschlagen;
10 ist eine Grafik, die ein Beispiel für das Kaltverfestigungsverhalten einer Aluminiumlegierung (JIS H4000 A5454P) zeigt;
11 ist eine Photographie, die die Beschaffenheit der Fläche des teilverstärkten Abschnitts nach dem ersten Preßschritt zeigt;
12 ist eine Photographie, die die Beschaffenheit der Fläche des teilverstärkten Abschnitts nach dem zweiten Preßschritt zeigt;
13 ist eine Darstellung, die erläutert, wo ein Teststück für die Härtemessung im teilverstärkten Abschnitt geschnitten wird;
14 ist eine Darstellung, die erläutert, an welchen Stellen der teilverstärkte Abschnitt vermessen wird; und
15 ist eine Grafik, welche die Änderung der Härte des teilverstärkten Abschnitts in Abhängigkeit vom Abstand zum Mittelpunkt zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Figuren erklärt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß diese Ausführungsformen lediglich der Erläuterung dienen und den Bereich der beigefügten Ansprüche nicht einschränken sollen.
(Teilverstärkungsverfahren)
Das Teilverstärkungsverfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt (i) einen ersten Preßschritt, in dem durch den plastischen Fluß eines Metallwerkstoffs auf der Oberseite und/oder Unterseite des zu verstärkenden Teils eine plastische Verformung erzeugt wird, wodurch eine konvex-konkave Oberseite und/oder eine konvex-konkave Unterseite gebildet wird bzw. werden; und (ii) einen zweiten Preßschritt, um durch den plastischen Fluß auf der konvex-konkaven Oberseite und/oder der konvex-konkaven Unterseite eine weitere plastische Verformung zu erzeugen, um eine plane Oberseite und/oder eine plane Unterseite zu formen.
Zuerst wird im ersten Preßschritt, wie in 1 dargestellt, ein Teil 61 eines Metallwerkstoffs 60, der verstärkt werden soll, von oben und unten von einem oberen Stempel 50 und einem unteren Stempel 55 gepreßt. Der obere Stempel 50 weist eine Preßfläche 51 mit vorgegebenem Querschnitt auf, und der untere Stempel 55 weist eine Preßfläche 56 mit vorgegebenem Querschnitt auf. Die Erzeugung eines plastischen Flusses auf der Oberseite und der Unterseite in Radiusrichtung ergibt eine plastische Verformung, so daß obere konvex-konkave ringförmige Abschnitte 62 und untere konvex-konkave ringförmige Abschnitte 63 auf dem Metallwerkstoff 60 ausgebildet werden.
Nun wird der Metallwerkstoff 60 dem zweiten Preßschritt unterzogen, der in zwei Typen eingeteilt werden kann. Beim ersten Typ, der in 2 dargestellt ist, wird von einem oberen Stempel 70 mit einer planen Preßfläche 71 und einem unteren Stempel 75 mit einer planen Preßfläche 76 ein statischer Hydraulikdruck in Preßrichtung A auf die oberen konvex-konkaven ringförmigen Abschnitte 62 und die unteren konvex-konkaven ringförmigen Abschnitte 63, die im ersten Preßschritt gebildet wurden, ausgeübt. Die Erzeugung eines plastischen Flusses des Metallwerkstoffs 60 in Umfangsrichtung ergibt eine weitere Verformung der Oberseite und der Unterseite, so daß der verstärkte Teil 61 eine wesentlich größere Härte aufweisen kann als der umgebende Bereich.
Beim zweiten Typ wird vom oberen Stempel 70 und vom unteren Stempel 75 nicht nur ein statischer Hydraulikdruck ausgeübt, wie von Pfeil A dargestellt, sondern der obere Stempel 70 und der untere Stempel 75 werden auch in entgegengesetzten Richtungen gedreht, wie von Pfeil B in 2 dargestellt. Auf diese Weise wird der verstärkte Abschnitt 61 mit einer Scherkraft beaufschlagt, um eine plane Oberseite 65 und eine plane Unterseite 66 zu erhalten.
Die Art des Metallwerkstoffs, der in der vorliegenden Erfindung verstärkt werden kann, ist nicht beschränkt, solange es zu einer Kaltverfestigung kommt. Beispielsweise eignen sich Eisen, wie Kohlestahl oder Stahllegierungen, Aluminium, Magnesium oder Kupfer, die für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Automobil, oder eine Industriemaschine verwendet werden.
Was die Form des Metallwerkstoffs betrifft, so ist die Plattenform für das Formverfahren bevorzugt, und seine bevorzugte Dicke liegt bei 2 bis 10 mm. Wenn die Dicke unter 2 mm liegt, macht die vorherrschende Kaltverfestigung aufgrund eines Biegens und Zurückbiegens in die ursprüngliche Form eine konstante Verstärkung schwierig. Im Gegensatz dazu stößt eine Dicke von über 10 mm auf Ausrüstungsbeschränkungen und ist nicht praxistauglich. Eine Dicke von 3 is 6 mm ist stärker bevorzugt.
Ein Beispiel für den Aluminiumwerkstoff ist eine Platte, wie sie für Aufhängungen in Fahrzeugen verwendet wird. Ein Werkstoff der 5000er-Reihe (JIS H4000) mit einer relativ hohen Festigkeit und einem ausgezeichneten Kaltverfestigungsverhalten wird bevorzugt verwendet. Angesichts der proportionalen Beziehung der Härte des verstärkten Abschnitts zur Fließspannung des Werkstoffs, der einer Teilverstärkung unterzogen wurde, ist es wünschenswert, einen höheren Kaltverfestigungsgrad zu wählen, um die begrenzende Druckfestigkeitsbeständigkeit für die Auflagefläche zu erhöhen. 10 zeigt ein Beispiel für das Kaltverfestigungsverhalten von A5454P, wobei die horizontale Skala die Vergleichsformänderung zeigt, und die vertikale Skala die Fließspannung FS zeigt.
Die Form des oberen und unteren konvex-konkaven Abschnitts des verstärkten Teils 61, der im ersten Preßschritt geformt wurde, ist nicht beschränkt. Damit der Teil 61 durchgehend gleichmäßig verstärkt wird, ist es jedoch bevorzugt, mehrere ringförmige konvexe Abschnitte 62 und 63a und mehrere ringförmige konkave Abschnitte 62b und 63b koaxial auszubilden. Diese ringförmigen konvex-konkaven Abschnitte können von einem oberen Stempel 50 mit einer ringförmigen konkav-konvexen Preßfläche 51 und einem unteren Stempel 55 mit einer ringförmigen konkav-konvexen Preßfläche 56 geformt werden, wie in 6 dargestellt.
Hier ist R1 der Radius der ringförmigen Höhlungen 51b, und R2 ist der Radius der ringförmigen Wölbungen 51a des oberen Stempels 50. R3 ist der Radius der ringförmigen Höhlungen 56b, und R4 ist der Radius der ringförmigen Wölbungen 56a des unteren Stempels 55. P1 ist der Abstand zwischen benachbarten ringförmigen Höhlungen des oberen Stempels 50, und P2 ist der Abstand zwischen benachbarten ringförmigen Höhlungen des unteren Stempels 55. Die konvex-konkaven Preßflächen 51 und 56 können die gleiche Form aufweisen, aber es ist nicht wesentlich, daß sie ähnlich geformt sind.
Die Abstände P1 und P2 von nebeneinander liegenden ringförmigen konkaven Abschnitten 51b und 56b entsprechen vorzugsweise dem Ein- bis Sechsfachen der Dicke des Metallwerkstoffs. Wenn die Abstände P1 und P2 kleiner sind als die Dicke des Metallwerkstoffs, kann der Bearbeitungsdruck im zweiten Preßschritt zu hoch sein. Wenn dagegen die Abstände P1 und P2 größer sind als das Sechsfache der Dicke des Metallwerkstoffs, wird eine ausreichende Kaltverfestigung schwierig.
Die Radii R1 bis R4 der ringförmigen konvexen Abschnitte im ersten Preßschritt sind vorzugsweise ein- bis sechsmal so lang wie der Metallwerkstoff dick ist. Wenn die Radii R1 bis R4 kleiner sind als die Dicke des Metallwerkstoffs, kann der Bearbeitungsdruck im zweiten Preßschritt zu groß sein. Wenn dagegen die Radii R1 bis R4 größer sind als das Sechsfache der Dicke des Metallwerkstoffs, wird eine ausreichende Kaltverfestigung schwierig.
So können die Formen der oberen konvex-konkaven Preßfläche 51 und der unteren konvex-konkaven Preßfläche 56, die von den Abständen P1 und P2 bestimmt werden, und die Radii R1 bis R4 mit Rücksicht auf den erforderlichen Verstärkungsgrad (die erforderliche Festigkeit) des Teils 61 nach dem Bearbeiten gewählt werden. Das heißt, die Formen der ringförmigen konvex-konkaven Abschnitte 51a und 51b auf der Oberseite und der ringförmigen konvex-konkaven Abschnitte 56a und 56b auf der Unterseite, die im ersten Preßschritt geformt wurden, sind nicht unbedingt identisch, sondern können frei gewählt werden.
Beispielsweise kann der Abstand zwischen den ringförmigen konvex-konkaven Abschnitten 51a und 51b größer (breiter) gewählt werden, während der Abstand der ringförmigen konvex-konkaven Abschnitte 56a und 56b kleiner (schmäler) gewählt werden kann. Der ringförmige konvex-konkave Abschnitt an oder Oberseite kann eine Tiefe aufweisen, die von dem der Unterseite verschieden ist. Die Änderung der Kom bination der Preßflächenformen der Stempel 50 und 55 kann eine Verformung ergeben, die aus der Scherung des Metallwerkstoffs resultiert, oder ein Verformung, die aus dem komplexen plastischen Fluß resultiert, der eine Folge der Scherung des Metallwerkstoffs und der Druckverformung ist. So kann im zweiten Preßschritt eine größere Kaltverfestigung erreicht werden.
Weiter können die konvex-konkaven Abschnitte auf der Oberseite und die konvex-konkaven Abschnitte auf der Unterseite des verstärkten Teils im ersten Schritt eine divergente Form aufweisen, die von der Achse ausgeht. Wie in 4 dargestellt, schließt die divergente Form mehrere divergente konvexe Abschnitte 68 und mehrere divergente konkave Abschnitte 69 ein. Die divergente Form des verstärkten Teils entspricht der divergenten Form der Stempel, wie in 5 dargestellt. Der untere Stempel 80 ist mit mehreren divergenten Preßwölbungen 81 und mehreren divergenten Preßhöhlungen 82 versehen.
Der konvexe Abschnitt 81, der von den divergenten Linien zu beiden Seiten dargestellt wird, weist vorzugsweise eine Fächerform auf, die vom Zentrum zum Außenrand hin verläuft. Der Winkel, der von benachbarten divergenten konvexen Preßabschnitten 81 definiert wird, beträgt vorzugsweise 10 bis 30 Grad. Wenn der Winkel kleiner ist als 10 Grad, kann der Bearbeitungsdruck im zweiten Preßschritt zu groß sein. Wenn dagegen der Winkel größer als 30 Grad ist, wird eine ausreichende Kaltverfestigung schwierig.
In diesem Fall weisen die obere Preßfläche und die untere Preßfläche (nicht dargestellt) vorzugsweise die gleiche Form auf, und ein Versetzen der divergenten Wölbungen 81 auf beiden Preßflächen um den Winkel δ ist bevorzugt, wie in 7 dargestellt. Das Versetzen der divergenten Wölbungen um einen vorgegebenen Winkel kann einen komplexen plastischen Fluß erzeugen, und zwar aufgrund sowohl der plastischen Verformung, die ein Ergebnis der Scherkraft ist, als auch der Preßverformung. Dies trägt zur Härtesteigerung aufgrund der starken Kaltverfestigung bei, die im anschließenden zweiten Preßschritt erreicht wird. Hier ist der Versatzwinkel δ der divergenten Wölbungen vorzugsweise kleiner als 30 Grad.
Die Verwendung eines Stempels mit einer ersten divergenten Preßfläche ist besonders bevorzugt, wenn das zweite Methode angewandt wird, bei der der Stempel im zweiten Preßschritt mit Druck beaufschlagt und gedreht wird.
Die Form der Preßfläche im ersten Preßschritt ist nicht auf die oben genannten Ring- oder divergenten Formen beschränkt. Beispielsweise kann eine Spiralform genommen werden. Es kann eine einfache Wellenform genommen werden, wenn der Teil, der zu verstärken ist, nicht kreisförmig ist. Als konvex-konkave Form kann auch eine andere Form als eine Kreis-Ringform, wie eine Trapez-Ringform oder eine Polygon-Ringform, genommen werden. Ferner können die obere Preßfläche und die untere Preßfläche verschieden geformt sein. Beispielsweise kann Erstgenannte ringförmig sein, während Letztgenannte eine divergente Form hat.
Wenn ein einmaliges (Einmal-) Pressen – was den ersten Preßschritt und den zweiten Preßschritt einschließt – nicht ausreicht, um den Teil, der verstärkt werden soll, zu verstärken, können eine zweite oder noch mehr Pressungen, die den ersten und den zweiten Preßschritt einschließen, für ein und denselben zu verstärkenden Teil wiederholt werden.
Die Einbringung des erfindungsgemäßen Teilverstärkungsverfahrens für einen Metallwerkstoff in den Formungsschritt, in dem der Metallwerkstoff zu einem Formkörper geformt wird, kann den Teil verstärken, für den dies erforderlich ist, ohne die Gesamtzahl der Preßschritte zu erhöhen. Beispielsweise kann der erste Preßschritt der vorliegenden Erfindung in den Preßschritt eingebracht werden, bei dem der Metallwerkstoff ausgestanzt wird, so daß gleichzeitig mit dem Ausstanzen auf beiden Seiten des zu verstärkenden Teils konvex-konkave Abschnitte geformt werden. Dann kann der zweite Schritt der vorliegenden Erfindung in den Formungsschritt eingebracht werden, so daß die konvex-konkaven Abschnitte des zu verstärkenden Teils gleichzeitig mit dem Formen des Formkörpers planiert werden.
(Teilverstärkungsvorrichtung)
Wie oben erwähnt, kann im Teilverstärkungsverfahren der vorliegenden Erfindung der erste Schritt anhand einer normalen Formpresse durchgeführt werden, wobei ein erster Satz von oberen und unteren Stempeln 50 bzw. 55 oder 80 usw. mit ringförmigen oder divergenten konvex-konkaven Preßflächen 51 bzw. 56 verwendet wird, die sich für die Teilverstärkung eignen. Dann wird der zweite Preßschritt durchgeführt, nachdem der erste Stempelsatz durch einen zweiten Satz von Stempeln 70 bzw. 75 mit flachen Preßflächen 71 bzw. 76 ersetzt wurde, so daß nur ein begrenzter Abschnitt des Metallwerkstoffs kaltverfestigt wird. Somit kann bei dieser ersten Methode eine normale Formpresse als Teilverstärkungsvorrichtung verwendet werden, und zwar für den ersten und den zweiten Preßschritt.
Es sei darauf hingewiesen, daß bei der zweiten Methode für den zweiten Preßschritt ein statischer Hydraulikdruck in Preßrichtung und eine Scherkraft in orthogonaler Richtung dazu auf den Metallwerkstoff ausgeübt werden, um die oberen und unteren planen Flächen zu formen. Aus diesem Grund kann keine herkömmliche Preßvorrichtung verwendet werden.
Im folgenden wird die Teilverstärkungsvorrichtung erklärt, die für die Durchführung der zweiten Methode für den zweiten Preßschritt verwendet wird. Bei dieser Teilverstärkungsvorrichtung handelt es sich um eine Preßformungsvorrichtung für Metallwerkstoffe, und sie besteht aus einem oberen Stempel und einem unteren Stempel, die den Metallwerkstoff einklemmen und zusammenpressen, sowie einer Rotationseinrichtung, um die Stempel um ihre Achsen zu drehen.
Der Hauptabschnitt der Teilverstärkungseinrichtung der vorliegenden Erfindung ist in den 8 und 9 dargestellt. 8 ist eine schematische Draufsicht auf die untere Form, die im zweiten Schritt verwendet wird, und 9 ist eine schematische Seitenansicht auf die obere Form und die untere Form. Wie man sieht, besteht die Teilverstärkungseinrichtung aus einer oberen Hälfte und einer unteren Hälfte mit symmetrischem Aufbau, und die Bauteile der unteren Hälfte sind durch einen Strich (') gekennzeichnet, der ihren Bezugszeichen angefügt ist.
In 8 hält eine untere Formhalterung 1' eine untere Form mit einem Stempel 2'. Der untere Stempel 2' wird von einem Rotationselement 3', das durch den Eingriffsabschnitt 2a' in Eingriff gebracht ist, um seine Achse gedreht. Die beiden Enden des Rotationselements 3' sind über Verbindungselemente 4' mit Zylindern 5' verbunden, so daß sie durch Aus- und Einfahren des Zylinderkopfs 5a' gedreht werden. Durch Antreiben des Zylinders 5' mit einer Hydraulikvorrichtung (nicht dargestellt) geht der Zylinderkopf 5a' so weit vor, daß der das Rotationselement 3' in die von der gestrichelten Linie dargestellte Position dreht. Zusammen mit dem Rotationselement 3' dreht sich auch der untere Stempel 2'. Hier wird die Kombination aus Zylinder 5', Verbindungselementen 4', Rotationselement 3' und Hydraulikvorrichtung als "Rotationseinrichtung" bezeichnet. Der untere Stempel 2' entspricht dem oben genannten unteren Stempel 75, und der obere Stempel 2 entspricht dem oberen Stempel 70.
Wie in 9 dargestellt, wird der zu verstärkende Teil des Metallwerkstoffs 6 zwischen dem oberen Stempel 2 und dem unteren Stempel 2' eingeklemmt, und die Preßkräfte werden in den Richtungen A und A' ausgeübt. Gleichzeitig werden durch das Drehen der oberen und unteren Drehelemente 3 und 3' der obere Stempel 2 und der untere Stempel 2' in Richtung B und B' gedreht, wodurch horizontale Scherkräfte auf die Ober- und Unterseite des zu verstärkenden Teils ausgeübt werden. Hier wird Schmieröl, beispielsweise Mine Oil, vorzugsweise in die Lücken zwischen dem zu verstärkenden Teil und den Stempeln 2 und 2' eingebracht. Durch die Ausübung einer Scherspannung parallel zu den Oberflächen des Metallwerkstoffs kann mit einer relativ geringen Kraft die gleiche Wirkung erzeugt werden wie bei der ersten Methode für den zweiten Preßschritt.
[Versuch]
Als Teststück wird eine Platte aus Aluminiumlegierung (JIS H4000 A5454P-H112) mit einer Dicke von 3,5 mm verwendet. Die Teilverstärkungsbehandlung wird nur auf eine kreisförmige Fläche des Werkstücks mit einem Durchmesser von 40 mm angewendet. Die im ersten Schritt verwendeten oberen und unteren Stempel weisen die in 3 dargestellte ringförmige konvex-konkave Preßfläche auf. Auf der Preßfläche des oberen Stempels, die in 6 dargestellt ist, beträgt der Abstand P1 10 mm, der Radius R1 5 mm und R2 5 mm, während auf der Preßfläche des unteren Stempels der Abstand P2 8 mm beträgt, der Radius R3 4 mm beträgt und R4 4 mm beträgt.
Als Preßbedingungen werden ein Druck von 800 MPa und eine Preßdauer von 1 s genommen. Der Zustand der Oberseite des teilverstärkten Teils nach dem ersten Preßschritt ist in 11 dargestellt.
Im zweiten Preßschritt wird der Teil, auf dem im ersten Schritt ringförmige konvex-konkave Abschnitte 62, 63 koaxial ausgebildet wurden, von den oberen und unteren Stempeln 70 und 75 mit flachen Preßflächen 71 und 76 eingeklemmt und gepreßt. So werden die konvex-konkaven Teile 62, 63 zu planen Flächen 65 und 66 abgeflacht. Als Preßbedingungen werden ein Druck von 800 MPa und eine Preßdauer von 1 s genommen, genauso wie im ersten Preßschritt. Es wird jedoch keine Scherkraft in Planierrichtung ausgeübt.
Der Zustand der Oberseite des teilverstärkten Teils nach der zweiten Preßbedingung ist in 12 dargestellt. Die Dicke des teilverstärkten Teils, das dem zweiten Preßschritt unterzogen wurde, ist etwa 3 mm.
Die Härte des teilverstärkten Teils nach dem zweiten Preßschritt wird gemessen. Wie in 13 dargestellt, wird für die Härtemessung ein rechtwinkliges Teststück 85 aus dem kreisförmig verstärkten Teil 61 geschnitten. Wie in 14 dargestellt, wird die Härte im Querschnitt des teilverstärkten Teils entlang der Radiusrichtung des Teststücks 85 gemessen.
Im Querschnitt wird die Vickers-Härte (die Last beträgt 50 g) an jedem Meßpunkt in 2 mm-Abständen bei einer Tiefe von 0,1 mm und 0,5 mm ab oberer Teststückoberfläche gemessen. So werden von der Mitte bis zum Rand bei jeder Tiefe elf Werte für die Härte erhalten. Die so erhaltenen Ergebnisse sind in 15 dargestellt.
In 15, in der die horizontale Skala den Abstand zum Mittelpunkt zeigt, und die vertikale Skala die Vickers-Härte zeigt, zeigen die Zeichen • bzw. o die Härteverteilung an Punkten, die 0,1 mm und 0,5 mm unter der oberen Oberfläche des teilverstärkten Teils liegen. Andererseits zeigen die Zeichen
bzw. Δ die Härteverteilung an Punkten, die 0,1 mm und 0,5 mm unter der oberen Oberfläche des teilverstärkten Teils liegen.
Wie man sieht, weist ein Teststück 85, das einer Teilverstärkung unterzogen wurde, an allen Meßpunkten eine Vickers-Härte HV im Bereich von 84 bis 110 auf. Die Härte variiert leicht in Radiusrichtung, variiert aber nicht in Tiefenrichtung. Dagegen liegt die Vickers-Härte HV eines Teststücks, das keiner Teilverstärkung unterzogen wurde, im Bereich von 60 bis 68.
Das Teststück 85 besteht aus dem gleichen Material wie die Aufhängung und sollte eine Gleitfläche aufweisen, die relativ zur Lagerbuchse des oberen Lenkers und des unteren Lenkers gleitet. Angenommen, die begrenzende Druckfestigkeitsbeständigkeit der Auflagefläche liegt in diesem Abschnitt bei etwa 150 N/mm², dann kann eine Gleitfläche mit einer Vickers-Härte HV von über 84 diese begrenzende Druckfestigkeitsbeständigkeit für die Auflagefläche erreichen. Auf diese Weise kann ein gewünschter Formwerkstoff mit ausreichender Härte und ausgezeichneten Formungseigenschaften erhalten werden.

Claims

Teilverstärkungsverfahren für einen Metallwerkstoff zum Verstärken eines Teils des Metallwerkstoffs, gekennzeichnet durch: einen ersten Preßschritt zum Erzeugen einer plastischen Verformung durch den plastischen Fluß des Metallwerkstoffs auf der Vorderseite und der Rückseite des zu verstärkenden Teils, um eine konvex-konkave Vorderseite und eine konvex-konkave Rückseite zu formen; und einen zweiten Preßschritt, um weiter eine plastische Verformung durch einen plastischen Fluß auf der konvex-konkaven Vorderseite und der konvex-konkaven Rückseite zu erzeugen, um eine plane Vorderseite und eine plane Rückseite zu formen.
Teilverstärkungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Preßschritt den Metallwerkstoff gleichzeitig mit einem statischen Hydraulikdruck in Preßrichtung und einer Scherkraft in Planierrichtung beaufschlagt, wenn die plane Vorderseite und die plane Rückseite gebildet werden.
Teilverstärkungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin es sich bei dem Metallwerkstoff um eine Aluminiumlegierung handelt.
Teilverstärkungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Metallwerkstoff eine Dicke von 2 bis 10 mm aufweist.
Teilverstärkungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin sowohl der vordere Stempel als auch der hintere Stempel, die im ersten Preßschritt verwendet werden, eine Preßfläche aufweisen, auf der ein Mehrzahl von ringförmigen konvex-konkaven Abschnitten koaxial um ihre Achse ausgebildet sind.
Teilverstärkungsverfahren nach Anspruch 5, worin der Abstand der benachbarten ringförmigen konkaven oder konvexen Abschnitte ein- bis sechsmal so groß ist wie der Metallwerkstoff dick ist.
Teilverstärkungsverfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, worin der Querschnitt des ringförmigen konvexen Abschnitts und des ringförmigen konkaven Abschnitts aus einem Bogen besteht, dessen Radius dem Ein- bis Sechsfachen der Dicke des Metallwerkstoffs entspricht.
Teilverstärkungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin sowohl der vordere Stempel aus auch der hintere Stempel, die im ersten Schritt verwendet werden, eine Preßfläche aufweisen, auf der mehrere divergente konvex-konkave Abschnitte ausgebildet sind, die von der Achse aus divergieren.
Teilverstärkungsverfahren nach Anspruch 8,worin der Winkel, der von benachbarten konvexen Abschnitten definiert ist, 10 bis 30 Grad beträgt.
Teilverstärkungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, worin der Winkel, der von dem konvexen Abschnitt an der Vorderseite und dem konvexen Abschnitt an der Rückseite definiert ist, kleiner als 30 Grad ist.
Teilverstärkungsverfahren für einen Metallwerkstoff, um einen Teil des Metallwerkstoffs zu verstärken, gekennzeichnet durch: einen ersten Preßschritt, der eine plastische Verformung durch den plastischen Fluß des Metallwerkstoffs auf der Vorderseite oder der Rückseite des zu verstärkenden Teils erzeugt, um eine konvex-konkave Vorderseite oder eine konvex-konkave Rückseite zu bilden; und einen zweiten Preßschritt, der eine weitere plastische Verformung durch den plastischen Fluß auf der konvex-konkaven Vorderseite oder der konvex-konkaven Rückseite erzeugt, um eine plane Vorderseite oder eine plane Rückseite zu bilden.
Teilverstärkungsvorrichtung für einen Metallwerkstoff, um einen Teil des Metallwerkstoffs zu verstärken, gekennzeichnet durch: einen vorderen Stempel und einen hinteren Stempel, die das Metallwerkstück einklemmen und pressen; und eine Rotationseinrichtung, um den vorderen Stempel und den hinteren Stempel jeweils um ihre Achsen zu drehen.