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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Materialumformung und
insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umformen von
Werkstücken
bei erhöhten
Temperaturen.
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Für ein Umformen
von Formlingen oder Blechen in Teile oder Bauteile sind unterschiedliche
Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Eines dieser bekannten Verfahren
beinhaltet einen Ziehprozess, bei dem ein Teilbereich des umzuformenden
Blechs durch einen Stempel in einen Formeinsatz gezogen und das
Blech zur Formung des Teils in eine Formhöhlung des Formeinsatzes gepresst
wird. Dabei erfährt
das Blech typischerweise eine Verringerung bzw. Änderung seiner Querschnittsfläche oder
Wanddicke. Der Einsatz derartiger Verfahren ist typischerweise durch
die Fähigkeiten
der Materialien begrenzt, über
die Bruchgrenze hinaus gedehnt zu werden. Je nach der Komplexität des Teils
können
die Umformbelastungen des Blechs während des Umformprozesses zu
Materialdefekten oder -ermüdungen
und dementsprechend zu unbrauchbaren Teilen oder Ausschussteilen
führen.
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Bei
superplastischen Umformverfahren werden die Vorteile der Superplasitizität bzw. der
Fähigkeit
von Materialien, unter bestimmten Bedingungen bei erhöhten Temperaturen über ihre
jeweilige Bruchgrenze hinaus gedehnt zu werden, ge nutzt. Bei Metallen
ist Superplasitizität
durch sehr hohe Zugdehnungen definiert. Unter Superplastizität wird die
Fähigkeit
bestimmter Materialien verstanden, bei geeigneten Temperaturen und geeigneten
Dehngeschwindigkeiten extrem gedehnt zu werden. Superplastische
Umformverfahren werden zum Umformen von Teilen eingesetzt, die mittels
konventioneller Fertigungstechniken nur schwer umzuformen sind.
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Bei
einem superplastischen Umformverfahren wird der Formling, nachfolgend
vielfach auch als "Blech" bezeichnet, auf
eine als Superplastizitätspunkt
bezeichnete Temperatur aufgeheizt und in einen geheizten Formeinsatz
eingebracht. Das aufgeheizte Blech wird in dem geheizten Formeinsatz
festgeklemmt, und es wird ein vordefinierter Gasdruck auf eine Seite
des Blechs ausgeübt.
Der Druck bringt das Blech zwangsweise in eine in der Hohlform vorgesehene
Formhöhlung,
wobei während
des Umformzyklus eine Soll-Dehngeschwindigkeit zum Verformen des
Blechs aufrechterhalten wird. infolge der Superplastizität des Materials
ist ein Formen komplexer Bauteile möglich, die durch einen Einsatz
konventioneller Metallumformprozesse bei Raumtemperatur normalerweise
nicht geformt werden könnten.
Der Einsatz superplastischer Umformverfahren ermöglicht ein Formen von Werkstücken mit
tiefen Höhlungen
und ein Formen von über
sehr kleine Radien umgeformten Werkstücken. Nachteilig bei bekannten
superplastischen Umformverfahren ist, dass normalerweise relativ
lange Umformzykluszeiten erforderlich sind. So kann beispielsweise
bei einem konventionellen superplastischen Umformverfahren für die Herstellung
eines komplexen Teils eine Umformzykluszeit von 30 Minuten Dauer
erforderlich sein.
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Superplastische
Umformverfahren bieten gegenüber
konventionellen Prägetechniken
vielfältige
Vorteile, so z. B. ein erhöhtes
Umformdehnverhalten, kein Auftreten von Rückfederungen und sehr niedrige
Bearbeitungskosten. Andererseits erfordern superplastische Umformverfahren
vielfach niedrige Umformgeschwindigkeiten, durch die derartige Verfahren
für viele
Anwendungen wirtschaftlich unverwertbar werden. Verfahren zum Formen
von Teilen aus Blech mittels superplastischen Umformens beinhalten
den Einsatz eines Vorformstempels, der dem Blech eine generische
Anfangsgestalt verleiht, bevor zur Vollendung des Umform prozesses Gasdruck
ausgeübt
wird, durch den das Blech zur Formung des Teils zwangsweise in die
Formhöhlung
der Hohlform gebracht wird.
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Der
Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zugrunde, bekannte superplastische
Umformverfahren der vorstehend beschriebenen Art zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch Verfahren und Vorrichtungen gelöst, die
in den unabhängigen
Patentansprüchen
näher erläutert sind.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Umformen von Werkstücken, vorzugsweise
von Blechen, in Teile oder Bauteile. Das Verfahren umfasst den Einsatz
einer ein oberes Formelement, einen Stempel und einen Formlinghalter
aufweisenden Umformvorrichtung. Zunächst wird das Blech oder Werkstück in die
Umformvorrichtung zwischen dem oberen Formelement und dem Formlinghalter
eingebracht und dann derart auf den Stempel abgesenkt, dass das
Werkstück
mechanisch um den Stempel gezogen wird, wobei über den Formlinghalter die
Geschwindigkeit und die Menge des über den Stempel gezogenen Materials
kontrolliert wird. Die Wirkung des Formlinghalters wird durch ein
Dämpfungssystem
ergänzt.
Sobald der Ziehprozess beendet ist, presst ein auf eine Seite des
Werkstücks
einwirkender Gasdruck das Werkstück gegen
eine formende Oberfläche
des Stempels, womit der Umformprozess beendet ist. Sobald das Werkstück vollständig umgeformt
ist, wird das Werkstück
von dem Stempel abgehoben und aus der Umformvorrichtung entnommen.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Umformen eines
Werkstücks,
wobei die Vorrichtung ein Formelement mit einer darin befindlichen
Höhlung
mit einer nichtformenden Oberfläche
aufweist. Die Vorrichtung weist weiterhin einen Stempel auf, der
so bemessen ist, dass er sich während
des Umformprozesses in die Höhlung
hinein erstreckt. Der Stempel weist eine formende Oberfläche auf,
die dahingehend gestaltet ist, das Werkstück in seine Endform oder -gestalt
umzufor men. Die Vorrichtung weist weiterhin einen Formlinghalter
auf, der die Funktion hat, das Werkstück zwischen dem oberen Formelement
und dem Formlinghalter festzuhalten, und zwar sowohl um die Menge
des über
den Stempel gezogenen Materials zu kontrollieren als auch eine Druckdichtung
zwischen dem Werkstück
und dem Formelement zu erzeugen, durch welche die Höhlung abgedichtet
wird. Dementsprechend zwingt der der Höhlung zugeführte Gasdruck das Werkstück gegen
die formende Oberfläche
des Stempels, um schließlich
das Werkstück
umzuformen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht einer zum Umformen eines Werkstücks eingesetzten
Umformvorrichtung;
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2 eine
Vorderansicht einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung
geformten Innenplatte einer Kraftfahrzeugtür, nachfolgend Innentürplatte
genannt;
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3 eine
Perspektivansicht einer Umformvorrichtung, die zum Formen der in 2 dargestellten
Innentürplatte
eingesetzt wird;
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4 bis 9 Querschnittsansichten,
dargestellt in den Relativpositionen der Vorrichtung, des Werkstücks, des
Stempels und der Höhlung
während
der während
des Umformverfahrens eingesetzten Umformschritte;
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10 eine
vergrößerte Ansicht
eines in 5 mit 10 bezeichneten
Kreises zur Darstellung der Lücke
zwischen dem Werkstück
und der oberen Form;
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11 eine
vergrößerte Ansicht
eines in 5 mit 11 bezeichneten
Kreises zur Darstellung der Lücke
zwischen dem Stempel und dem Formlinghalter;
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12 ein
alternatives Ausführungsbeispiel
einer Umformvorrichtung mit in dem Formlinghalter vorgesehenen Heizelementen;
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13 einen
Graphen der mittleren Formtemperatur gegen die Zeit;
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14 einen
Graphen der Formlinghalterlast gegen die mittlere Formtemperatur;
und
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15 einen
Graphen des Gasdrucks gegen die Zeit.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Umformvorrichtung 10 zum Umformen eines Werkstücks 12,
typischerweise eines Blechs, das nachfolgend häufig auch als Formling bezeichnet
wird. Die Umformvorrichtung 10 weist eine obere Grundplatte 14 und
eine untere Grundplatte 16 auf. Eine obere Form 18 mit
einer Höhlung 20 ist
an der oberen Grundplatte 14 angebracht. Die Höhlung 20 weist
eine nichtformende Oberfläche 21 auf.
Die nichtformende Oberfläche 21 wird
nicht zum Umformen des Werkstücks 12 eingesetzt;
zwar bildet die nichtformende Oberfläche 21 einen Abschnitt
der Höhlung 20,
jedoch berührt
das Werkstück 12 die
nichtformende Oberfläche 21 während des
Umformprozesses nicht. An der unteren Grundplatte 16 ist
ein Stempel 22 angebracht. Die Umformvorrichtung 10 beinhaltet
außerdem
ein Dämpfungssystem 24,
das eine Dämpfungsplatte 26 und
Dämpfungsstifte 28 aufweist.
Die Dämpfungsstifte 28 sind
an einem Ende an der Dämpfungsplatte 26 angebracht,
und an den der Dämpfungsplatte 26 entgegengesetzten
Enden ist an den Dämpfungsstiften 28 ein
Formlinghalter 30 angebracht.
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Die
obere Form 18 weist mindestens einen Kanal 32 auf.
Durch eine Druckquelle (nicht dargestellt) kann die Höhlung 20 über den
Kanal 32 mit Druck beaufschlagt werden. Typischerweise
handelt es sich bei der Druckquelle um eine Druckgasquelle, die
für einen
Einsatz in superplastischen Umformverfahren geeignet ist. Je nach
der Zusammensetzung oder dem Werkstoff des umzuformenden Werkstücks 12 können unterschiedliche
Gase eingesetzt werden. Die untere Grundplat te 16 weist
mindestens einen Kanal 34 auf, der sich durch die untere
Grundplatte 16 und den Stempel 22 hindurch erstreckt
und an einer formenden Oberfläche 36 des
Stempels 22 endet. Die formende Oberfläche 36 des Stempels 22 stellt
diejenige formbildende Oberfläche
dar, gegen die das Werkstück 12 gepresst
wird, um die Endform auszubilden. Wenn das Werkstück 12 über die
formende Oberfläche 36 des
Stempels 22 gedrückt
wird, berührt
die äußere oder
A-Oberfläche die obere
Form 18 der Umformvorrichtung 10 während des
Umformprozesses nicht. Daher ist die Umformvorrichtung 10 der
Erfindung auch dazu geeignet, das Werkstück 12 in ein Teil
von hoher Qualität
umzuformen, nämlich
in ein Teil mit einer Oberfläche
der Klasse A. Sog. A-Oberflächen
sind ästhetisch
ansehnliche Oberflächen von
Sichtteilen (innen bzw. außen),
die eine optimale ästhetische
Gestaltung und eine hohe Oberflächengüte aufweisen.
Für den
Fachmann ist somit ersichtlich, dass die Umformvorrichtung 10 auch
dazu eingesetzt werden kann, eine Vielzahl von Teilen umzuformen,
die eine A-Oberfläche
von hoher Güte
aufweisen, indem superplastisches Gasdruck-Umformen eingesetzt wird,
um ein Werkstück 12 über die
formende Oberfläche 36 des
Stempels 22 zu pressen.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
eines formgepreßten
Werkstücks,
nämlich
den unteren Abschnitt einer Innentürplatte 60 einer Kraftfahrzeugtür. Dieses
Werkstück
wurde unter Einsatz einer Umformvorrichtung bzw. eines mit 62 bezeichneten
Formeinsatzes (siehe 3) gemäß der Erfindung geformt. Die
Erfindung kann zum Verformen diverser Materialien eingesetzt werden,
z. B. zum Verformen von Aluminium-Magnesium-Legierungen der 5000
er Serie wie z. B. 5182-, 5754-Blechlegierungen
oder AZ31-Magnesium-Blechlegierungen, die sämtlich allgemein gebräuchlich
sind und keine spezielle Bearbeitung erfordern. Wie aus 3 ersichtlich,
umfasst der Formeinsatz 62 einen Formlinghalter 64,
einen Stempel 66 und eine obere Form 68. Eine
formende Oberfläche 70 des
Stempels 66 ist dahingehend ausgebildet, die Gestaltung
der Innentürplatte 60 während des
Umformprozesses zu bewirken. Wie ersichtlich weist die Höhlung 78 eine
nichtformende Oberfläche 80 auf,
welche von der Innentürplatte 60 während des
Umformprozesses nicht berührt
wird. Dementsprechend befindet sich die äußere und später sichtbare A-Oberfläche 72 der
Innentürplatte 60 während des
Umformprozesses in einem Abstand zu der nichtformenden Oberfläche 80 der
oberen Form 68 des Formeinsatzes 62. Wie vorstehend
dargelegt, wird durch das Schließen des Formlinghalters 64 und
der oberen Form 68, welche komplementär gekrümmte oder komplexe Oberflächen 74, 76 haben,
das Blech zwischen dem Formlinghalter 64 und der oberen
Form 68 festgehalten, um eine Anfangs-Vorformgestalt zu
erzeugen. Gemäß einer
Ausführungsform
des Umformprozesses bewegt sich der Stempel 66 nach oben
und in die in der oberen Form 68 ausgebildete Höhlung 78 hinein,
um Material des Blechs in die Höhlung 78 zu
ziehen. Unter hohem Druck stehendes Gas tritt durch einen Kanal 82 in
die Höhlung 78 ein
und wirkt auf das Blech ein, um zur Vollendung des Umformprozesses
das Blech gegen die formende Oberfläche 70 des Stempels 66 zu
pressen.
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4 bis 9 zeigen
ein Verfahren zum superplastischen Umformen eines duktilen Materials
unter Einsatz der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung 10.
Insbesondere zeigen die 4 bis 9 den Fortgang
der Verfahrensschritte in einem Umformverfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Zunächst
werden die oberen und unteren Grundplatten 14, 16 gemeinsam
mit der oberen Form 18, dem Stempel 22 und dem
Formlinghalter 30 auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt,
deren Höhe
von der Zusammensetzung des Materials des umzuformenden Werkstücks 12 abhängig ist.
Das Aufheizen der Komponenten der Umformvorrichtung 10 kann
direkt oder indirekt durch elektrisches Widerstandsheizen erfolgen.
Auch das Werkstück 12 wird
auf eine vorbestimmte Umformtemperatur aufgeheizt. Wie ersichtlich
sind die oberen und unteren Grundplatten 14, 16 zwischen
einer offenen und einer geschlossenen Position hin und her bewegbar angeordnet. 4 zeigt
das Umformwerkzeug in einer geöffneten
Position, in der das Werkstück 12 auf
dem Formlinghalter 30 aufliegt, wodurch die Umformvorrichtung 10 den
Status einer beladenen Anfangsposition einnimmt, wobei der Formlinghalter 30,
auf dem das Werkstück 12 aufliegt,
eine über
den Stempel 22 angehobene Position aufweist.
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Anschließend werden
die obere Grundplatte 14 und die obere Form 18 soweit
abgesenkt, bis die obere Form 18 am Werkstück 12 angreift
und dieses zwischen dem Formlinghalter 30 und der oberen
Form 18 festhält.
Eine fortgesetzte Bewe gung der oberen Form 18 nach unten übt Druck
auf den Formlinghalter 30 aus und bewirkt, dass der Formlinghalter 30 und
das Werkstück 12 nach
unten bewegt werden, bis das Werkstück 12 an den Stempel 22 angreift
und diesen umschließt,
wobei der Formlinghalter 30 die Menge des in das Umformwerkzeug 10 geflossenen
Materials kontrolliert. Der Fluss des Werkstücks 12 in die Formhöhlung 20 hinein
ist in 5 mit dem Bezugszeichen 38 gekennzeichnet,
wobei die Enden 40 des Werkstücks 12 einen Abstand von
den Enden 42 des Formlinghalters 30 einnehmen.
Folglich steht die während
der Vorform- oder Ziehphase in die Formhöhlung 20 gezogene
Menge des Werkstücks 12 in
einem direkten Zusammenhang mit der von dem Formlinghalter 30 bereitgestellten
Kraft. Durch die von dem Dämpfungssystem 24 ausgeübte Kraft
wird der Betrag oder die Menge des in die Formhöhlung zwischen dem Formlinghalter 30 und
der oberen Form 18 gezogenen Materials des Werkstücks 12 kontrolliert.
Die Maßnahme,
die von dem Dämpfungssystem 24 während des
Ziehprozesses ausgeübte
Kraft zu kontrollieren, trägt
dazu bei, ein wohldefiniertes, faltenfreies Teil zu formen.
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5 zeigt
das Umformwerkzeug 10 in der unteren bzw. geschlossenen
Position, in der der Stempel 22 an dem Werkstück 12 angreift
und das Material des Werkstücks 12 über die
formende Oberfläche 36 des Stempels 22 zieht.
Nachdem das Werkstück 12 über die
formende Oberfläche 36 des
Stempels 22 gezogen worden ist, liegt – wie ersichtlich – eine Lücke bzw.
ein Zwischenraum 44 zwischen der Unterseite 46 des
Werkstücks 12 und
der formenden Oberfläche 36 des
Stempels 22 vor. Dabei ist die Oberseite 48 des
Werkstücks 12 die
A-Oberfläche.
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6 zeigt
den nächsten
Verfahrensschritt, in welchem über
den Kanal 32 Gasdruck auf die Höhlung 20 in der oberen
Form 18 aufgebracht wird, um den Umformprozess zu vollenden.
Zuerst ist der Druck, der von dem Dämpfungssystem 24 ausgeübt wird,
welches das Werkstück 12 zwischen
der oberen Form 18 und dem Formlinghalter 30 festhält, nur
geeignet den ersten Schritt oder Ziehschritt auszuführen. Der
Druck oder die Kraft, der bzw. die von dem Dämpfungssystem 24 ausgeübt wird,
reicht nicht aus, um eine Gasdruckdichtung zwischen dem Werkstück 12 und
der oberen Form 18 zu erzeugen. Stattdessen greift, wie
aus 5 ersichtlich, der Formlinghalter 30,
wenn er seine unterste Position er reicht, an der unteren Grundplatte 16 an,
die auf dem Pressenbett ruht, und wird von dieser gestützt. Dementsprechend
wird die Dämpfung
abgeschaltet, sobald der Formlinghalter 30 unten oder in
seiner untersten Position ist, bis der Gasformzyklus vollendet ist.
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Eine
Gasdruckdichtung wird durch die hohe Last oder Kraft erzeugt, die
von einem (nicht dargestellten) Pressstempel erzeugt wird, der die
nötige
Kraft ausübt,
um eine Gasdruckdichtung zwischen der Oberseite des Werkstücks 12 und
der oberen Form 18 zu bewirken. Diese Gasdruckdichtung
ist dahingehend ausreichend, dass bei einem Einleiten von Hochdruckgas
in die Höhlung 20 der
Gasdruck auf die Oberseite 48 des Werkstücks 12 einwirkt
und das Material des Werkstücks 12,
insbesondere dessen Unterseite 46, zwangsweise an die formende
Oberfläche 36 des
Stempels 22 angedrückt
und die Gestaltung des fertigen Teils erzeugt wird. Dementsprechend
kann die von dem Pressstempel erzeugte Kraft nach Bedarf vergrößert oder
verkleinert werden, um die Druckdichtung aufrechtzuerhalten.
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Wie
aus 11 ersichtlich wird die Lücke 50 zwischen der
Oberseite 48 des Werkstücks 12 und
der oberen Form 18 möglichst
klein gehalten, um das Volumen der Höhlung 20 zu minimieren
und das während des
Umformprozesses eingesetzte Gasvolumen gering zu halten. Der Kanal 34 in
dem Stempel 22 steht mit der Lücke oder dem Zwischenraum 44 in
Verbindung und entlüftet
jeglichen Druckaufbau zwischen dem Werkstück 12 und der formenden
Oberfläche 36 des
Stempels 22, wenn das Werkstück 12 während des
Umformprozesses zwangsweise gegen die formende Oberfläche 36 des
Stempels 22 zur Anlage gebracht wird. Der Kanal 34 ist
schematisch als eine einzelne Linie dargestellt, die in einer einzelnen Öffnung in
der formenden Oberfläche 36 des
Stempels 22 endet. Es sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, bei
denen der Kanal 34 durch eine Vielzahl von kleinen Entlüftungskanälen gebildet
wird, die an mehreren Stellen auf der Stempeloberfläche enden
und die Luft zwischen der formenden Oberfläche 36 des Stempels 22 und
dem Werkstück 12 austreten
lassen, wenn sich das Werkstück 12 an
den Stempel 22 anpasst. Ein Verfahren, mittels dessen bestimmt
werden kann, an welcher Stelle jeder Einzelkanal der Vielzahl von
Lüftungskanälen anzuordnen
ist, stellt ein Einsatz einer Berechnung des Materialflusses des
Werk stücks 12 während der
Gasdruck-Umformphase dar. In solchen Fällen können alle kleinen Entlüftungskanäle mit einem
einzelnen Kanal innerhalb des Stempels 22 bzw. der Grundplatte 16 verbunden
werden, der sich zur Umgebungsluft öffnet. Wird keine genügende Anzahl
von Entlüftungskanälen benutzt,
könnte
die Luft nicht mehr entweichen, sobald die Kanalöffnungen bedeckt sind, und
dies könnte
verhindern, dass das Werkstück
richtig umgeformt wird.
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Sobald
durch Wirkung des Gasdrucks der Umformprozess abgeschlossen ist,
löst oder
hebt das Anheben der oberen Form 18 gemeinsam mit dem Formlinghalter 30 das
umgeformte Werkstück
bzw. Teil von der formenden Oberfläche 36 des Stempels 22,
wie aus 8 ersichtlich. In weiterer Ausbildung
der Erfindung kann vorgesehen sein, sowohl den Kanal 32 in
der oberen Form 18 als auch den Kanal 34 in dem
Stempel 22 zur Umgebungsluft zu öffnen, bevor die obere Form 18 und
der Formlinghalter 30 hochgezogen werden. Ein Öffnen der
jeweiligen Kanäle
lässt Luft
frei in die Formhöhlung 20 und
unter das Werkstück 12 strömen, um den
Druck auf beiden Seiten des Werkstücks 12 gleich zu machen,
wodurch jeglicher Druckunterschied zwischen den Ober- und Unterseiten
des Werkstücks 12 minimiert
ist, wenn die Bestandteile der Umformvorrichtung 10 getrennt
werden. Wenn bei einem Trennen der Bestandteile der Umformvorrichtung 10 ein
Druckunterschied auf entgegengesetzten Seiten des Werkstücks 12 vorhanden
ist, kann dies ein Verziehen des Werkstücks 12 zur Folge haben.
Wenn beispielsweise bei einem Trennen der Bestandteile der Vorrichtung 10 ein Unterdruck
vorliegt, so wirkt zwar ein solcher Unterdruck nur kurzzeitig und
verschwindet auch schnell; andererseits kann aber ein momentaner
Luftdruckunterschied zwischen der oberen Form 18 und dem
Stempel 18 während
des Trennvorgangs zur Folge haben, dass sich das umgeformte Werkstück 12 verzieht.
Kann jedoch die Luft frei durch den Kanal 32 der offenen
oberen Form 18 und den Kanal 34 des Stempels 22 eintreten,
so wird der Druck auf beiden Seiten des umgeformten Werkstücks 12 gleich
sein, wodurch die Möglichkeit
eines Teileverziehens bei einem Öffnen
der Umformvorrichtung 10 minimiert wird. Bei einem Anheben
des Formlinghalters 30 in seine Anfangs- oder Startposition,
wie aus 9 ersichtlich, bewegt sich die
obere Form 18 weiter nach oben, wobei das fertige Werkstück 12 auf
dem Formlinghalter 30 liegen bleibt und dann aus der Umformvorrichtung 10 entfernt
werden kann.
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In
manchen Fällen,
einschließlich
solchen, in denen das Werkstück 12 in
eine Gestalt geformt wird, die sich nicht leicht von der formenden
Oberfläche 36 des
Stempels 22 löst,
kann es erforderlich sein, den Formlinghalter 30 in der
abgesenkten Position zu belassen, während die obere Form 18 angehoben
wird, so dass das Teil auf dem Formlinghalter 30 und dem
Stempel 22 zurückbleibt.
Unter Einsatz eines geeigneten Verteilsystems wird für eine gewisse
Zeit, typischerweise zwischen 5 und 45 Sekunden, Kühlluft auf
die obere freiliegende Oberfläche
des Werkstücks 12 aufgebracht,
um das Werkstück 12 zu
kühlen
und die Dehngrenze des Werkstücks 12 zu
vergrößern, wodurch
es ohne ein Verziehen von dem Stempel 22 entfernt werden
kann. Sobald dann das Werkstück 12 das
richtige Kühlniveau
oder Temperaturniveau erreicht hat, wird der Formlinghalter 30 angehoben,
um das Werkstück 12 von
dem Stempel 22 zu entfernen. In weiterer Ausbildung der
Erfindung kann ein Einsatz von in dem Stempel angeordneten Extraktionsstiften
vorgesehen sein. Derartige Extraktions- bzw. Betätigungsstifte liegen während des
Umformprozesses normalerweise bündig
mit der formenden Oberfläche 36.
Sobald der Umformprozess vollendet ist, werden die Betätigungsstifte
durch ein Betätigungssystem
angehoben, wodurch diese ein Hochziehen des umgeformten Werkstücks 12 von
dem Stempel 22 unterstützen.
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Der
Formlinghalter 30 wird angehoben, um ein problemloses Einbringen
des Werkstücks 12 in
die Umformvorrichtung 10 zu ermöglichen. Der Formlinghalter 30 wirkt
weiterhin dahingehend, dass das umgeformte Werkstück 12 von
der Umformvorrichtung 10, insbesondere dem Stempel 22,
abgezogen und gelöst
wird, wodurch die Entnahme des Werkstücks 12 vereinfacht
wird. Zudem kann die Umformvorrichtung 10 zur Aufnahme
eines heißen
Werkstücks 12 ausgebildet
sein, wobei das Werkstück 12 vor
dem Einbringen in die Umformvorrichtung 10 auf Umformtemperatur
aufgeheizt worden ist, sowie auch für eine automatische Werkstückentladung,
bei der das umgeformte Werkstück 12 durch
eine mechanische Vorrichtung aus dem Formlinghalter 30 entfernt
wird.
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Wenn
die formende Oberfläche
des Stempels 22 beschichtet und/oder texturiert ist, kann
dadurch das Lösen
des umgeformten Werkstücks 12 nach
Beendigung des Umformverfahrens unterstützt werden. Entsprechende Beschichtungen
können
beispielsweise – ohne
darauf beschränkt
zu sein – autokatalytisches
Nickel, Chrom und Nickel-Bor-Nitrid aufweisen. Durch eine Beschichtung
der formenden Oberfläche,
einschließlich des
Einsatzes eines festen Schmierstoffs, wird das Ab-lösen des Werkstücks 12 von
der formenden Oberfläche 36 des
Stempels 22 im Anschluss an das vollständige Umformen des Werkstücks 12 unterstützt. Der
feste Schmierstoff kann Mehrfachbindemittel, Tenside, Klebstoffe
und Bornitrid-Feststoffpartikel
enthalten und dahingehend ausgebildet sein, dass er den Umformtemperaturen
des Verfahrens Stand hält,
welche im Bereich von 375°C
bis 525°C
liegen können.
Für ein
Texturieren der formenden Oberfläche 36 des
Stempels 22 sind viele Verfahren geeignet, wie z. B. Glaskugelstrahlen
oder chemisches Ätzen.
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Die
Umformvorrichtung 10 und das Verfahren zu deren Verwendung
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden eingesetzt, um kürzere Umformzeiten als bei
konventionellen superplastischen Umformverfahren zu erzielen. Bei
einem Einsatz konventioneller superplastischer Formheizverfahren,
wie z. B. Wärmeleitung
mit Heizplatten, können
kürzere
Umformzeiten zu längeren
Produktionsläufen
führen
als sie bei konventionellen superplastischen Umformprozessen zu
erwarten sind, was eine Absenkung der mittleren Formtemperatur über eine
Reihe von aufeinander folgenden Produktionsläufen zur Folge hat. Ein Beispiel
hierfür
ist aus 13 ersichtlich, wobei die Zeitdauer
und Temperaturänderung
in Abhängigkeit
von dem Umformteil, dem Heizsystem, der Umformvorrichtung u. dgl.
variabel ist. Die Umformvorrichtung 10 und das Verfahren
gemäß der Erfindung sind
zwar so robust ausgebildet, dass ein weiter Bereich von Temperaturänderungen
zugelassen werden kann. Gleichwohl kann aber auch ein Einsatz von
selbstgeheizten Formgrundplatten, die mit ergänzenden Heizelementen geheizt
werden, erfolgen, oder auch ein Einsatz individuell beheizter Komponenten,
wie z. B. des Formlinghalters 30.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird durch ein Plattenbeheizen gemeinsam mit ergänzendem
Beheizen ein primäres
Beheizen der oberen Form 18 und des Stempels 22 durch
Wärmeleitung
mit den beheizten oberen und unteren Grundplatten 14, 16 der
Presse bewirkt. Der Formlinghalter 30 befindet sich allerdings
während
einer signifikanten Betriebszeit in einer hochgestellten Position,
in der er keinen Kontakt mit der unteren Grundplatte 16 hat,
was zu einem merkbaren Temperaturverlust in dem Formlinghalter 30 führen kann. 12 zeigt
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, bei der der Formlinghalter 30 zur Verbesserung
der Temperaturregelung elektrische Heizmodule 52 aufweist.
Die Heizmodule 52 können
mittels Thermoelementen zonengeregelt ausgebildet sein, um die Temperatur
zu überwachen
und einem Steuergerät Rückmeldung
zu geben, um eine vorbestimmte Temperatur des Formlinghalters 30 aufrechtzuerhalten.
Zur Aufrechterhaltung und Verbesserung der Temperaturregelung kann
außerdem
das Äußere der
Umformvorrichtung 10 mit einer Plattenisolierung und/oder
einer Deckenisolierung isoliert sein. Eine Plattenisolierung kann beispielsweise
als sog. Marinite I- oder P-Plattenisolierung ausgebildet sein,
die entsprechend bearbeitet und in die passende Gestaltung formgeschnitten
sein kann. Eine Deckenisolierung kann beispielsweise als sog. Unifrax
Insulfrax 1800 Decke ausgebildet sein.
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Wie
bereits erwähnt,
ermöglicht
die Umformvorrichtung 10 ein robustes Umformen von Blechen über einen
weiten Temperaturbereich, beispielsweise über einen Temperaturbereich
zwischen 375°C
und 525°C. Während aufeinander
folgender Produktionsläufe
kann die mittlere Temperatur der Umformvorrichtung 10 um ungefähr 100°C variieren.
Beispielsweise kann die Umformvorrichtung 10 bei Beginn
des Verfahrens eine Temperatur von 500°C und bei Beendigung des Verfahrens
eine Temperatur von 400°C
aufweisen, wobei gleichwohl eine annehmbare Werkstück- oder
Teilequalität
in Bezug auf Dickenprofil, Oberflächenfinish und Maßtoleranz
erzielbar ist. Diese Toleranz hinsichtlich Umformtemperatur und
Temperaturgradient ermöglicht zwar
den von Einsatz einer Plattenheizung und senkt zudem die Komplexität und die
Investitionskosten der Umformvorrichtung, insofern als keine selbstbeheizten
Formen benötigt
werden; jedoch kann die während
aufeinander abfolgender Produktionsläufe eintretende Temperaturänderung
eine Justierung des Drucks des Formlinghalters 30 erforderlich
machen, wenn sich die Temperatur der Umformvorrichtung 10 ändert. Die Änderung
des Drucks des Formlinghalters 30 ist eine Funktion der Änderung
der Materialflussbelastung des Werkstücks 12 in Bezug auf
die Umformtemperatur. So kann zum Beispiel eine Zunahme der Flussbelastung des
Materials zur Aufrechterhaltung einer gleichwertigen Umformleistung
eine Vergrößerung des
Drucks des Formlinghalters 30 erforderlich machen. Dementsprechend
ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Temperatur der Umformvorrichtung
zu überwachen
und den Formlinghalterdruck zu erhöhen, um Temperaturänderungen
in der Umformvorrichtung auszugleichen, insbesondere wenn sich die
Umformvorrichtung abkühlt. 14 zeigt
ein Beispiel für
das Verhältnis
zwischen Temperatur und Formlinghalterdruck oder -last. Das Verhältnis kann
durch experimentelle Umformversuche festgestellt oder durch Berechnen
der prozentualen Änderung
der Flussbelastung über
aufeinander folgende Umformzyklen auf Basis einer Grund-Umformzyklustemperatur
und der aktuellen Umformzyklustemperatur im Wege einer Schätzung ermittelt
werden. Ein Auftragen der prozentualen Zunahme auf den Formlinghalterdruck
oder die -kraft ergibt den neuen Formlinghalterdruck oder die -kraft
für die
neue, niedrigere Umformtemperatur. Sobald eine Beziehung, wie in 14 gezeigt,
aufgestellt worden ist, kann der Formlinghalterdruck oder die -kraft über einen
Produktionslauf hinweg automatisch ausgeübt werden, indem die Software
oder das Steuergerät
der Presse dahingehend programmiert wird, die Temperatur der Umformvorrichtung
zu überwachen
und den Formlinghalterdruck oder die -last entsprechend zu justieren.
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Bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung
benutzte Gasdruckzyklen unterscheiden sich von konventionellen superplastischen
Umformzyklen, die während
der ersten 60 bis 300 Sekunden einen niedrigen Druck von weniger
als 0,5 MPa benutzen, damit das Werkstück während der massiven Anfangsverformung
oder ungefähr
75% der Verformung des Werkstücks
oder Formlings in die Höhlung
hinein nicht bricht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gros der Werkstück- oder
Formlingumformung, ungefähr
75% der Umformung, in der Ziehphase des Umformprozesses durchgeführt wird.
Dementsprechend wird die Niederdruckphase eines konventionellen
superplastischen Umformzyklus nicht benötigt. Die Umformvorrichtung 10 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist dahingehend ausgebildet, das Werkstück 12 bei
einer Temperatur zwischen 375°C
und 525°C
in weniger als 180 Sekunden umzuformen. 15 zeigt
ein Beispiel für
eine zur Ausführung
der Erfindung benutzte Gasdruckkurve mit einer linearen, schrittweisen
oder nichtlinearen Druckerhöhung
auf mindestens 1 MPA innerhalb von mindestens 30 Sekunden nach Beginn
des Presszyklus. Eine lineare, schrittweise oder nichtlineare Druckerhöhung auf
4 MPa oder den Maximaldruck der Umformvorrichtung 10 wird
dann über
mindestens 30 Sekunden vervollständigt.
Eine Weile auf diesem Maximaldruck zu bleiben, nämlich mindestens 30 Sekunden,
vollendet das Formen der feineren Merkmale der Gestaltung des Werkstücks und
vervollständigt
den Umformzyklus. Der Gasdruck wird nicht später als nach 180 Sekunden im
Umformzyklus von der Höhlung
genommen. Die Druckwegnahme sollte nicht länger als 10 Sekunden dauern.
Weiterhin wird der auf die Höhlung
ausgeübte
Gasdruck überwacht,
und der Formlinghalterdruck an der Grenzfläche von Werkstück und oberer
Form kann nach Bedarf größer gemacht
werden, um die Druckdichtung aufrechtzuerhalten.
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Die
Umformvorrichtung 10 und das Verfahren sind sehr robust
hinsichtlich einer Erweiterung des Umformbereichs von Aluminium-
und Magnesiumblechlegierungen. Weiterhin ist das Verfahren tolerant
gegenüber
den großen
Temperaturänderungen,
die während
eines Produktionslaufs auftreten können, und es ist nicht erforderlich,
die Gaskurve zu ändern,
um einen Blechbruch zu verhindern. Es kann jedoch erforderlich sein, die
Maximaldruck-Verweilzeit zu justieren, wenn sich die Temperatur
der Umformvorrichtung 10 ändert, um ein vollständiges Umformen
des Werkstücks 12 sicherzustellen.
Verweilzeitänderungen
sind eine Funktion der Änderung
der Flussbelastung in Bezug auf die Temperatur. Beispielsweise wird,
wie aus 15 ersichtlich, dann, wenn die
Temperatur der Umformvorrichtung 10 in einem Produktionsverfahren
von Lauf zu Lauf niedriger wird, die Flussbelastung des Materials
oder des Werkstücks 12 größer, wodurch
eine längere
Dauer der Maximaldruck-Verweilzeiten erforderlich ist, um die feinen
Details des Werkstücks 12 zu
vollenden. Eine solche Verweilzeitverlängerung kann durch experimentelle
Umformversuche oder durch eine Finite-Elemente-Analyse bestimmt
werden. Sobald eine Beziehung zwischen der Verweilzeit und der Temperatur
der Umformvorrichtung 10 aufgestellt worden ist, können Verweilzeitjustierungen über einen
Produktionslauf hinweg automatisch durchgeführt werden, indem die Software
oder das Steuergerät
der Presse dahingehend programmiert wird, die Tem peratur der Umformvorrichtung 10 zu überwachen
und die Maximaldruck-Verweilzeit entsprechend zu justieren.
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Der
Stempel
22 wirkt als Führung
für den
Formlinghalter
30, um während
des Hebens und Senkens des Formlinghalters
30 sicherzustellen,
dass dieser in Bezug auf die obere Form
18 und den Stempel
22 in
der richtigen Lage verbleibt. Wie aus
10 ersichtlich,
ermöglicht
eine kleine Lücke
54 zwischen
dem Stempel
22 und dem Formlinghalter
30 eine
Bewegung zwischen den beiden Komponenten. Wenn die Lücke
54 zu groß ist, wird
der Formlinghalter
30 nicht richtig von dem Stempel
22 geführt, und
wenn die Lücke
54 zu
klein ist, wird der Formlinghalter
30 auf dem Stempel
22 festklemmen
oder festfressen. Im Rahmen der Erfindung wird die Wärmeausdehnung
der Bestandteile berücksichtigt,
insbesondere die Größe der Lücke
54 zwischen dem
Stempel
22 und dem Formlinghalter
30, um sicherzustellen,
dass ein Temperaturunterschied von 100°C zwischen dem Formlinghalter
30 und
dem Stempel
22 nicht zu einem Kontakt zwischen den zwei
Bestandteilen führt.
Handelt es sich beispielsweise bei dem Stempel
22 um einen
Stahlstempel, der bei Raumtemperatur eine Länge von 1150 mm aufweist, so
misst der Stempel
22 bei 500°C unter Zugrundelegung eines
Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 1,37E-5 1/C eine Länge
von 1156,3 mm. Wenn der stählerne
Formlinghalter
30, der den Stempel umgibt, eine Temperatur
von 400°C
hat, muss die Lücke
54 zwischen
den beiden Komponenten größer als
1,6 mm über
die Gesamtlänge
oder 0,8 mm je Seite sein, um einen Kontakt aufgrund des Wärmeunterschieds
zu verhindern. Die Berechnungsgrundlage für dieses Ergebnis ist nachfolgend
angegeben, worin L
punch die Stempellänge ist,
X Stell / CTE der Wärmeausdehnungskoeffizient
für Stahl
im Bereich zwischen 400°C und
500°C, T
die jeweilige Temperatur des Stempels
22 (T
punch)
und des Formlinghalters oder -niederhalters
30 (T
blankholder) und Gap die Größe der Lücke
54 ist:
Lpunch(1 + XSteelCTE Tpunch) = Lblankholder(1
+ XSteelCTE Tblankholder), worin Lblankholder = Lpunch +
Gap Lpunch(1 + XSteelCTE Tpunch) = (Lpunch +
Gap)(1 + XSteelCTE Tblankholder) -
Vorstehend
wurde allgemein eine Ziehformvorrichtung eines Typs beschrieben,
bei dem der Formlinghalter 30 mit der oberen Form 18 zusammenwirkt.
Der Formlinghalter 30 bildet eine Niederhalterfläche bezüglich der
Abschneide- bzw. Versäuberungslinie
des fertig umgeformten Teils, derart, dass sichergestellt ist, dass nach
Beendigung des Umformprozesses auf der A-Oberfläche keine während der Ziehphase erzeugten Scheuermarken
vorhanden sind. Ein solcher Lösungsansatz
macht zusätzliche
Hinzufügungen
bzw. Zugaben außerhalb
der Abschneide- bzw. Versäuberungslinie
erforderlich.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
wesentlich kürzere
Umformzeiten, eine bessere Materialausnutzung, ein gleichförmiges Dünnerwerden
und weist den Vorteil auf, kostengünstigere Aluminiumbleche als
nach dem Stand der Technik verwenden zu können. Vorteilhaft ist bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren
gegenüber
konventionellen superplastischen Umformverfahren, dass bei dem anfänglichen
mechanischen Umformschritt Material in die Form gezogen wird, so
dass ein dickeres Teil erstellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist auch schneller als konventionelle superplastische Umformverfahren,
da das Gros des anfänglichen
Umformens durch das Schließen
der Vorrichtung bewerkstelligt wird. Außerdem benötigt die Vorrichtung nur auf
einer Seite des Werkstücks
eine Dichtung. Schließlich
ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
den Einsatz handelsüblicher
Legierungen anstatt speziell verarbeiteter Materialien, da die superplastische
Gasumformphase primär
die Enddetails des Teils vervollständigt und auf dickeres Material
einwirkt. Das Verfahren und die Vorrichtung sind in vorteilhafter
Weise für
ein Umformen von Werkstücken
mit A-Finish geeignet, da das A-Finish
der nichtformenden Oberfläche
der oberen Form gegenüberliegt
und diese nicht berührt.
