DE102006060372A1

DE102006060372A1 - Werkstück und Verfahren für das Explosionsumformen

Info

Publication number: DE102006060372A1
Application number: DE102006060372A
Authority: DE
Inventors: Philipp Stoeger; Alexander Zak
Original assignee: Cosma Engineering Europe AG
Current assignee: Cosma Engineering Europe AG
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-06-26
Also published as: EP2101935B1; EP2101935A1; US8322175B2; WO2008080502A1; US20100011827A1

Abstract

Durch die Erfindung soll ein Werkstück für ein Explosionsumformen, welches in ein Formwerkzeug einbringbar und von einer Ausgangsgestalt mittels Explosionsumformen verformbar ist, sowie das Explosionsumformverfahren dahingehend verbessert werden, dass auf einfache Art und Weise eine gute Qualität bei gewünschter Wandstärke erzielt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Werkstück und ein entsprechendes Explosionsumformverfahren gelöst, bei welchem die Ausgangsgestalt des Werkstücks wenigstens bereichsweise über einen gegenüber benachbarten Bereichen vorgeformten Materialvorrat für den Explosionsumformprozess verfügt bzw. damit versehen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkstück und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. 15.
Zum Umformen eines Werkstücks existieren unterschiedliche Verfahren. Beim Hydroumformen zum Beispiel wird ein rohrartiges Werkstück mit einer Flüssigkeit, zumeist Wasser, gefüllt und abgedichtet. Durch das Erhöhen des Flüssigkeitsdrucks wird das Werkstück aufgeweitet und legt sich allmählich den Konturen des das Werkstück umgebenden Formwerkzeugs an.
Ein Explosionsumformverfahren der eingangs genannten Gattung ohne Flüssigkeit ist in der EP 592 068 beschrieben. Zum Herstellen einer Nockenwelle wird eine Form mit den bereits vorgefertigten Nocken bestückt und, nachdem ein innen hohler Nockenwellenschaft durch die Öffnungen der einzelnen Nocken geführt wurde, geschlossen. Die Enden der geschlossenen Form werden mit Dichtelementen versiegelt und eine in den Nockenwellenschaft hineinragende Zündkerze wird eingeschraubt. Nachdem der Schaft mit einem brennbaren Gas gefüllt wurde, wird dieses mittels der Zündkerze gezündet. Durch den schlagartigen Anstieg des Gasdrucks im Inneren des Schaftes wird dieser aufgeweitet und in die Öffnungen der einzelnen Nocken gedrückt. Diese sind somit axial und verdrehfest mit dem Nockenwellenschaft verbunden.
Diese Druckschrift geht auf geläufige Nachteile des Explosionsumformens ein. Aufgrund der auf die Detonation folgenden Schockwelle neigt das Werkstück lokal zur Spannungs- und Rissbildung. Der hohe entstehende Spitzendruck bedingt einen nicht konstanten Materialfluss, was zu unterschiedlichen Wandstärken führen kann. In der EP 592 068 wird zur Abhilfe vorgeschlagen, dass der Umformdruck durch eine Verpuffung (Deflagration) anstatt einer Explosion (Detonation) erfolgt. Eine Detonation basiert auf einer chemischen Reaktion des oder der Explosivstoffe(s) und pflanzt sich durch stoßwelleninduzierte Verbrennung fort. Es kommt zu einer Überlagerung der Druckwelle mit der Volumenausdehnung, was die höhere Geschwindigkeit und den vielfachen Druck im Vergleich zu einer Deflagration ausmacht. Im Gegensatz dazu ist eine Deflagration ein schneller Verbrennungsvorgang, der sich durch die Aufheizung des unverbrauchten Gemisches fortpflanzt. Der nur durch Gasausdehnung erreichte Druck beträgt ungefähr 10 bar und die Geschwindigkeit ist deutlich geringer als die Schallgeschwindigkeit.
In der Praxis hat sich dieser Ansatz nicht durchgesetzt, zum einen weil eine Deflagration weniger prozesssicher ist, und zum anderen weil eben Geschwindigkeit und Umformdruck geringer sind verglichen mit einer Detonation.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, einen Explosionsumformprozess der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, dass auf einfache Art und Weise eine gute Qualität des Werkstücks mit gewünschter Wandstärke erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Werkstück mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Dieser Materialvorrat wird durch die Detonation mit umgeformt und kann dazu eingesetzt werden, in gewünschten Bereichen des Werkstücks gewünschte Wandstärken zu erzielen. Durch das Bevorraten von Material kann während des Umformprozesses der Materialfluss über die zur Verfügung stehende Materialmenge verbessert werden. Damit kann ein gleichmäßigeres Ausformen des Werkstücks erzielt werden und dessen Formgebung unterstützt werden. Der vorgeformte Materialvorrat kann also auch dazu dienen, eine gute Wandqualität des Werkstücks herzustellen. In Form, Größe und Lage kann sich der vorgeformte Materialvorrat daher an die Endform des Werkstücks und/oder dem Verlauf der Detonationsfront orientieren.
In einem günstigen Ausführungsbeispiel weist der vorgeformte Materialvorrat einen verformten Bereich des Werkstücks auf. Ein solchermaßen vorgeformter Materialvorrat lässt sich leicht durch umformende Formgebung des Werkstücks selbst erreichen und besonders gut an der Werkstück-Endform orientieren.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung verfügt der vorgeformte Materialvorrat über einen zusätzlich an das Werkstück aufgebrachten Materialbereich. Dieses zusätzlich aufgebrachte Fremdmaterial eignet sich gut für einen klar begrenzten vorgeformten Materialvorrat und kann sehr exakt am Werkstück positioniert werden.
Vorteilhafterweise besteht der vorgeformte Materialvorrat aus einem Bereich dickerer Wandstärke. Das derart bevorratete Material kann gut von der Detonationsfront erfasst werden und z. B. dem Ausformen von Kavitäten dienen.
In einer günstigen Ausführungsform ist der vorgeformte Materialvorrat außenseitig bezogen auf die Umformrichtung angeordnet. Außenseitig kann in diesem Sinn verstanden werden als an der dem Explosionsraum abgewandten Seite des Werkstücks. Ein vorgeformter Materialvorrat an der Außenseite eignet sich besonders dazu, Ausbuchtungen des Werkstücks umzuformen und ist meist gut zugänglich.
In einer Ausführungsvariante befindet sich der vorgeformte Materialvorrat innenseitig bezogen auf die Umformrichtung. Dies kann sich empfehlen, wenn an der Außenseite engere Toleranzen und bessere Oberflächenqualität als an der Innenseite verlangt werden.
Es kann von Vorteil sein, den vorgeformten Materialvorrat etwa punktuell auszubilden. Ein solcherart vorgeformter Materialvorrat kann speziell bei kleinen Ein- oder Ausbuchtungen des Formwerkzeugs an dieser Stelle ratsam sein.
In einer Variation erstreckt sich der vorgeformte Materialvorrat in etwa linear verlaufend. Ein derart vorgeformter Materialvorrat kann sich einachsig erstreckende Formen unterstützen, z. B. Absätze im Formwerkzeug.
In besonderer Weise kann der vorgeformte Materialvorrat etwa flächig ausgebildet sein. Eine flächige Ausbildung kann z. B. von Vorteil sein, einen ausgedehnten Bereich größerer Wandstärke auszuformen. Sie kann sich auch aus punktuellen und/oder linearen Ausbildungen zusammensetzen, mit deren genannten Vorteilen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht der vorgeformte Materialvorrat aus mindestens einer Ein- und/oder Ausbuchtung und/oder Vertiefung und/oder Erhöhung in der Werkstückwand. In einer weiteren günstigen Ausführungsform besteht der vorgeformte Materialvorrat aus mindestens einer Riefe und/oder Rippe und/oder Falte und/oder Welle und/oder einem Absatz und/oder einer Nut. Abhängig von der Werkstück-Endform bzw. der Kavität des Formwerkzeugs lässt sich mit solchen Formen des vorgeformten Materialvorrats, die in der Praxis leicht aufbringbar sind, der Umformvorgang an kritischen Bereichen in gewünschter Weise beeinflussen.
Vorteilhafterweise kann der vorgeformte Materialvorrat quer zur Längserstreckung des Werkstücks verlaufend ausgebildet sein. Diese Ausführung empfiehlt sich insbesondere, wenn die Umformarbeit quer zur Längserstreckung des Werkstücks groß ist.
In einer Abwandlung ist der vorgeformte Materialvorrat längs bezüglich der Längserstreckung des Werkstücks ausgebildet. Diese Abwandlung ist dann empfehlenswert, wenn die Umformarbeit in dieser Richtung groß ist.
In einer günstigen Variante der Erfindung erstreckt sich der vorgeformte Materialvorrat über den Umfang des Werkstücks. Ein dergestalt vorgeformter Materialvorrat kann der Umformung von Werkstücken mit rohrförmigen Abschnitten dienen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird verfahrensmäßig gelöst mit einem Explosionsumformverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Dieser vorgeformte Materialvorrat wird beim Explosionsumformen genutzt und erhöht die für die Umformung zur Verfügung stehende Materialmenge lokal, was zur Verbesserung des Materialflusses eingesetzt werden kann. Das derart bevorratete Material kann an relevanten Bereichen wieder abgelagert werden, um dort die gewünschte Form oder Wandstärke zu erreichen. In der Praxis kann der vorgeformte Materialvorrat ebenso einfach wie kostengünstig durch bekannte Verfahren am Werkstück ausgebildet werden, beispielsweise durch Umformen und thermisches Fügen.
Vorteilhafterweise kann der vorgeformte Materialvorrat durch Verformen eines Bereiches des Werkstücks hergestellt werden. Diese Verformung kann leicht durch umformende Formgebung erreicht werden, z. B. durch Quetschen, Biegen oder auch Rollieren, und kann ohne großen Aufwand und ohne große Kosten in die Verfahrenskette integriert werden.
In einer Variante der Erfindung wird der vorgeformte Materialvorrat durch Aufbringung zusätzlichen Materials an das Werkstück hergestellt. Dieser aufgebrachte Materialbereich kann schnell, z. B. durch Auftragsschweißen oder Anschweißen zusätzlichen Materials erzeugt werden, und der Verfahrensschritt lässt sich ebenfalls einfach und kostengünstig in den Herstellungsprozess des Werkstücks integrieren.
In besonderer Weise kann der vorgeformte Materialvorrat vor dem Einbringen des Werkstücks in das Formwerkzeug ausgebildet werden. Damit kann der Materialvorrat separat ausgebildet und das Formwerkzeug auf den Explosionsumformvorgang hin optimiert werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen:
1 schematisch das Prinzip der Erfindung anhand eines Schnittes durch das Formwerkzeug und das Werkstück mit vorgeformtem Materialvorrat,
2 Varianten des erfindungsgemäß vorgeformten Materialvorrats anhand von Werkstückschnitten, wobei in
2a eine Ein- bzw. Ausbuchtung,
2b eine Riefe bzw. Rippe,
2c verschiedene Falten,
2d eine Welle,
2e ein zusätzlich aufgebrachter Materialbereich und
2f eine Nut und zwei Absätze
dargestellt ist bzw. sind, und
3 Varianten von erfindungsgemäß vorgeformten Materialvorräten, speziell punktuelle, lineare und flächige Ausprägungen.
Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche Teile bzw. Merkmale, unabhängig von der Figur.
1 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein geschlossenes Formwerkzeug 1. In diesem ist ein Werkstück 2 in seiner Ausgangsgestalt 3 und mit einen vorgeformten Materialvorrat 4 dargestellt. Die strichpunktierte Linie 5 deutet eine Symmetrieachse des Werkstücks 2 und/oder eine mögliche Trennebene des Formwerkzeugs an.
Ein Gasgemisch im Inneren des Werkstücks 2 wird durch eine Zündeinrichtung 6 gezündet. Eine Detonationsfront 7 verläuft von der Zündeinrichtung 6 zum entgegengesetzten Ende des Formwerkzeugs 1 in eine Ausbreitungsrichtung 11 und prägt dem Werkstück 2 einen Druckverlauf 8 auf, der strichliniert dargestellt ist.
Die eigentliche Umformung geschieht in einer mit 9 gekennzeichneten Zone, die der Detonationsfront 7 mit kurzer zeitlicher Verzögerung folgt und eine Endgestalt 10 des Werkstücks 2 ausprägt. Diese Materialumformungszone 9 trägt darstellungstechnisch der Trägheit des Materials und der damit zeitlich verzögerten Umformung Rechnung.
Während des Umformprozesses dient der vorgeformte Materialvorrat 4 dem Steuern des Materialflusses in der Materialumfornungszone 9, Durch die Materialbevorratung kann für relevante Bereiche des Werkstücks 2 die Wandungsstärke und -qualität der Endgestalt 10 beeinflusst werden. Der vorgeformte Materialvorrat 4 orientiert sich also günstigerweise in seiner Form, Lage und Gestalt am Verlauf der Detonationsfront 7 sowie an der gewünschten Endgestalt 10. Weiterhin eignet sich der vorgeformte Materialvorrat 4 besonders dazu, dem Werkstück 2 aufzuprägende Formen des Formwerkzeugs 1 während des Umformprozesses mit zusätzlichem Material zu versorgen, besonders Bereiche großer Umformarbeit.
Dargestellt ist das Formwerkzeug 1 mit konstant zu der Linie 5 beabstandeten Außenwänden und das Werkstück 2 mit einem umlaufend riefenartig ausgebildeten vorgeformten Materialvorrat 4. Dieser Materialvorrat 4 ist, ebenso wie die Ausgangsgestalt 3, noch vom Formwerkzeug 1 beabstandet. Durch Einwirkung der Detonationsfront 7 schiebt die nachfolgende Materialumformungszone 9 den Materialvorrat 4 vor sich her und lagert ihn umgeformt im Bereich gewünschter größerer Wandstärke ab, so dass er sich mit der Ausgangsgestalt 3 an die Außenwände bis zur Endgestalt 10 anlegt. Genauso gut kann der Materialvorrat 4 dazu dienen, Ein- oder Ausbuchtungen des Formwerkzeugs 1 in diesem Bereich auszuformen.
2 zeigt verschiedene Ausführungsformen des vorgeformten Materialvorrats 4 am Werkstück 2. In 2a bis 2d und 2f sind verformte Bereiche des Materialvorrats 4 zu sehen und im Gegensatz dazu ein zusätzlich aufgebrachter Bereich in 2d. Beispiele für einen vorgeformten Materialvorrat 4, welcher sich außen- und/oder innenseitig bezogen auf die Umformrichtung befinden kann, zeigen 2a bis 2e.
Dabei zeigt 2a eine Ausbuchtung 12 und damit eine etwa punktuelle Ausprägung des vorgeformten Materialvorrats 4. Das kann z. B. eine Beule sein, welche etwa einfach durch einen Hammerschlag von der Gegenseite her auszubilden ist.
2b zeigt eine Vertiefung 13 des vorgeformten Materialvorrats 4 bezüglich des Werkstücks 2, und damit eine etwa lineare Erstreckung, namentlich eine Riefe, die z. B. gefalzt werden kann.
2c zeigt zwei Beispiele einer Falte 14, und damit ebenfalls eine lineare Erstreckung des vorgeformten Materialvorrats 4. Derartige Falten 14 können durch gezieltes Stauchen oder Mehrfachfalzen des Werkstücks 2 schnell erzielt werden.
2d zeigt ein Ausbildungsbeispiel einer Welle im Werkstück 2, und damit ebenfalls eine etwa lineare Erstreckung des vorgeformten Materialvorrats 4, herzustellen z. B. durch Walzen, Pressen oder Rollieren.
2e zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zusätzlich an das Werkstück 2 aufgebrachten Materialbereichs 16, der als aufgeschweißtes Blech den vorgeformten Materialvorrat 4 mit dickerer Wandstärke bildet, und je nach Abmessungen etwa punktuell, linear verlaufend oder flächig ausgebildet sein kann.
2f zeigt einen Materialvorrat 4 des Werkstücks 2, welcher sich über den Umfang des hier rotationssymmetrischen Werkstücks 2 erstreckt. Der vorgeformte Materialvorrat 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel als zwei Absätze 17 und eine Nut 18 ausgeformt. In dieser Teilfigur ist ein rohrförmiges Werkstück gezeigt, wobei sich die Erfindung jedoch nicht auf diese Werkstück-Grundform einschränkt.
Die in 2 dargestellten Materialvorräte können ebenso in die Gegenrichtung ausgeprägt sein; z. B. wird dann aus der Ausbuchtung bzw. Beule 12 zur Außenseite in 2a eine Einbuchtung bzw. Delle zur Innenseite und aus der Vertiefung bzw. Riefe 13 zur Innenseite in 2b eine Erhöhung bzw. Rippe zur Außenseite.
3 zeigt weitere Ausführungsbeispiele zur Ausprägung des vorgeformten Materialvorrats 4 am Werkstück 2. Zu sehen ist ein gewellter Bereich 19, aus Wellen 15 zusammengesetzt, eine Auftragsschweißnaht 20, ein aufgeschweißtes Blech 16 und je eine Beule 12 und Delle 21. Namentlich sind dies punktuelle (einachsige), lineare (zweiachsige) sowie flächige (dreiachsige) Erstreckungen des vorgeformten Materialvorrats 4. Dabei kann eine lineare Ausprägungsart aus mehreren punktuellen bestehen und eine flächige Ausprägungsart ihrerseits wiederum aus mehreren linearen und/oder zweiachsig angeordneten punktuellen. Der vorgeformte Materialvorrat 4 kann sich längs sowie quer zur Längserstreckung des Werkstücks erstrecken. So befindet sich der gewellte Bereich 19 z. B. längs zu einer ersten möglichen Längserstreckung 22 und quer zu einer zweiten möglichen Längserstreckung 23. Dargestellt ist hier beispielhaft ein blechförmiges Werkstück 2, wobei dessen Form ebenfalls nicht auf diese Grundform beschränkt sein soll.

Claims

Werkstück (2) für ein Explosionsumformen, welches in ein Formwerkzeug (1) einbringbar und von einer Ausgangsgestalt (3) mittels Explosionsumformen verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgestalt (3) wenigstens bereichsweise über einen gegenüber benachbarten Bereichen vorgeformten Materialvorrat (4) für den Explosionsumformprozess verfügt.
Werkstück (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) einen verformten Bereich des Werkstücks (2) aufweist.
Werkstück (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) einen zusätzlich an das Werkstück (2) aufgebrachten Materialbereich aufweist.
Werkstück (2) nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) einen Bereich dickerer Wandstärke aufweist.
Werkstück (2) nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) außenseitig bezogen auf die Umformrichtung angeordnet ist.
Werkstück (2) nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) innenseitig bezogen auf die Umformrichtung angeordnet ist.
Werkstück (2) nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) etwa punktuell ausgebildet ist.
Werkstück (2) nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich der vorgeformte Materialvorrat (4) etwa linear verlaufend erstreckt.
Werkstück (2) nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) etwa flächig ausgebildet ist.
Werkstück (2) nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) als mindestens ein(e) Ein- und/oder Ausbuchtung und/oder Vertiefung und/oder Erhöhung in der Werkstückwand ausgebildet ist.
Werkstück (2) nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) als mindestens ein(e) Riefe und/oder Rippe und/oder Falte und/oder Welle und/oder Absatz und/oder Nut ausgebildet ist.
Werkstück (2) nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) bezüglich der Längserstreckung des Werkstücks (2) quer dazu verlaufend ausgebildet ist.
Werkstück (2) nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) bezüglich der Längserstreckung des Werkstücks (2) längs dazu verlaufend ausgebildet ist.
Werkstück (2) nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich der vorgeformte Materialvorrat (4) über den Umfang des Werkstücks (2) erstreckt.
Explosionsumformverfahren, bei welchem ein Werkstück (2) in ein Formwerkzeug (1) eingebracht und dort von einer Ausgangsgestalt (3) mittels einer Explosion zu einer Endgestalt (10) umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgestalt (3) mit wenigstens einem vorgeformten Materialvorrat (4) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) durch Verformen eines Bereiches des Werkstücks (2) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) durch Aufbringen zusätzlichen Materials an das Werkstück (2) hergestellt wird.
Verfahren nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte Materialvorrat (4) vor dem Einbringen des Werkstücks (2) in das Formwerkzeug (1) ausgebildet wird.