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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft die Verwendung eines Druckfluids, das gegen eine Seite eines erwärmten dünnen Metallwerkstücks wirkt, um das durch Wärme erweichte Werkstück zu schieben und zu dehnen. Häufig wird das Werkstück in Übereinstimmung mit der Formfläche eines auf der anderen Seite des Werkstücks positionierten Werkzeugs gedehnt, um das Metall zu einer komplizierten Form zu formen. Genauer betrifft diese Offenbarung die Verwendung eines zweiten Fluids, um vorgegebene hoch verspannte Orte des sich verformenden Metalls wahlweise zu kühlen, um die Gesamtformbarkeit des Werkstücks zu verbessern und um eine lokalisierte Beschädigung, während es geformt wird, zu minimieren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es besteht ein Interesse an der Formung von dünnen, verhältnismäßig leichten Werkstücken aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage und Werkstücken aus einer Legierung auf Magnesiumgrundlage zu Kraftfahrzeugplattenelementen oder zu allgemein rohrförmigen Karosserie- oder Rahmenstrukturen oder dergleichen. Diese Plattenelemente können aus anfangs flachen Blechrohlingen mit Abmessungen z. B. von etwa 1000 mm × 1500 mm × 1–3 mm geformt werden. Rohrförmige Strukturen können z. B. aus Rohren mit der notwendigen Länge, mit einem Nenndurchmesser von etwa 50 mm bis etwa 150 mm oder ähnlich und mit einer Wanddicke von etwa 1–3 mm hergestellt werden.
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Beim Warmblasformen rohrförmiger Werkstücke wird ein geeignet formbares Metalllegierungsrohr auf eine Formtemperatur erwärmt und innerhalb eines begrenzenden Werkzeugs mit einer oder mit mehreren Formflächen angeordnet, wobei an das Innere des Werkstücks ein Fluiddruck angelegt wird, der die sich erweiternden erweichten dünnen Wandabschnitte gegen die umschließenden Formflächen des Werkzeugs ausdehnt. Aus dem Rohrwerkstück können komplizierte Farmen erhalten werden.
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Üblicherweise umfasst das Warmblasformen von Magnesium- oder Aluminiumblech das Erwärmen des Blechs auf näherungsweise 500°C in einem Vorheizofen, das Umsetzen des Blechs mittels Roboter an eine Position zwischen einander zugewandten Pressformelementen (gelegentlich Werkzeuge genannt), die ebenfalls näherungsweise auf dieselbe Temperatur erwärmt werden, das Klemmen des Blechs zwischen die Hälften, um eine gasdichte Abdichtung herzustellen, und daraufhin das Beaufschlagen einer Seite des Blechs mit einem Gasdruck, um es in Anpassung an eine zugewandte Pressformhöhlung zu blasen und zu dehnen, um die gewünschte Form zu formen. Daraufhin wird der Gasdruck entspannt, werden die Pressformen geöffnet und wird das geformte Plattenelement entnommen und abkühlen gelassen. Alternativ kann das Blech in einigen Fallen anstelle der Verwendung eines Vorheizofens durch die heiße Pressform erwärmt werden. Auf jeden Fall wird das Blech üblicherweise auf näherungsweise 500°C erwärmt und daraufhin für kurze Zeit auf dieser Temperatur gehalten, um vor Anwendung des Formdrucks eine gleichförmige Temperatur sicherzustellen. Üblicherweise durchläuft das Werkstück (wenn es nicht bereits vollständig ausgeglüht worden ist) vor der Verformung eine statische Rekristallisation, wobei es die rekristallisierte Kornstruktur ist, die die Verformung erfährt. Diese Praxis kann bei Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen mit geeigneter Zusammensetzung und thermomechanischer Historie erfolgreich verwendet werden. Es können Fahrzeugkarosserie-Plattenelemente mit komplizierten Krümmungen und tiefen Vertiefungen oder Taschen geformt werden.
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Somit kann das Warmblasformen verwendet werden, um in Abhängigkeit von der Formbarkeit aller Gebiete des Metallwerkstücks, während es über und gegen die Formflächen des erwärmten Formwerkzeugs gedehnt wird, komplizierte dreidimensionale Formen zu formen. Zum Verbessern der Reibungsbewegung des Metalls über die Formwerkzeugoberflächen und zum Schutz der Oberflächen des Werkstücks und des Werkzeugs können Schmiermittel verwendet werden. Es kann immer noch Einschränkungen der gewünschten Artikelformen geben, die von einer spezifizierten Blechlegierung erhalten werden können.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das Warmblasformen wird allgemein an dünnen Metalllegierungswerkstücken wie etwa Blech oder Metallrohren verwirklicht, bei denen das kaltgewalzte oder stranggepresste Metall häufig eine Dicke von etwa einem bis etwa drei Millimeter aufweist. In Veranschaulichungen von Ausführungsformen der Erfindung in dieser Beschreibung wird häufig auf die Verarbeitung von Blechwerkstücken Bezug genommen. Dies erfolgt zur Vereinfachung und mit dem Verständnis, dass das dünne Metall rohrförmiger Werkstücke in vielen Ausführungsformen auf die gleiche Weise verarbeitet werden kann.
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Da das Warmblasformen häufig zum Verformen dünner Metalllegierungswerkstücke zu Artikeln mit komplizierten Formen verwendet wird, müssen eine geeignete Metalllegierungszusammensetzung und metallurgische Mikrostruktur gewählt werden. Zum Beispiel kann die Aluminiumlegierung 5083 für Aluminiumlegierungsartikel geeignet sein und ist AZ31 häufig für Magnesiumlegierungsartikel geeignet. Jedes kann mit einer feinkörnigen Mikrostruktur vorbereitet werden, die eine verbesserte Duktilität für die Formung sicherstellt. Wie oben beschrieben wurde, wird das Werkstück allgemein gleichförmig auf eine vorgegebene Formtemperatur erwärmt, bevor oder nachdem es zwischen erwärmten Pressformen angeordnet wird. Dieser Erwärmungsprozess kann ebenfalls verwendet werden, um das Werkstück auszuglühen oder zu rekristallisieren, was seine Formbarkeit gerade verbessert, während die Warmblasformoperation begonnen wird. Häufig werden die Pressformen (oder anderen Formwerkzeuge) ebenfalls auf einen verhältnismäßig schmalen Formtemperaturbereich erwärmt, der hergestellt wird, um die Formbarkeit des Werkzeugs innerhalb einer akzeptablen Formzeitdauer zu verbessern.
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Die Form des zu formenden Teils wird analysiert, um Gebiete zu identifizieren, in denen das Blechwerkstück Verspannungsgrade erfahren kann, die selbst bei den erhöhten Formtemperaturen des Metalls zum Reißen oder zu einer anderen Beschädigung des Blechs führen könnten, während es gedehnt und geformt wird. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, in einem Metallwerkstück eine Halbkreisform zu formen. Wenn der Umfang einer vorgewärmten Blechprobe eingeklemmt wird und eine Seite mit einem geeigneten Luftdruck beaufschlagt wird, kann das Blech allmählich zu einer Halbkugelkuppelform ausgedehnt werden. Allerdings wird beobachtet, dass die Koppelhöhe des ausgedehnten Materials häufig durch übermäßige Verdünnung und Spaltung des verspannten Metalls in der Nähe des Polgebiets der Kuppelform, die geformt wird, beschränkt ist. Eine Halbkugelform ist eine verhältnismäßig einfach zu analysierende Form. Allerdings können andere Formtests durch analytische Techniken oder durch vorbereitende Formungsexperimente an einem Werkstückmaterial durchgeführt werden, um andere gewünschte Artikelformen zu analysieren. Solche Tests werden zum Identifizieren von Gebieten mit einer beabsichtigten Form durchgeführt, in denen das Metall übermäßig verdünnt oder überdehnt oder beschädigt werden kann, bevor eine gewünschte durch Warmblasen geformte Artikelform erreicht worden ist.
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Gelegentlich begrenzt eine solches lokalisiertes Verdünnen und Belasten des duktilen Materials die Arten der Formen (z. B. die Kuppelhöhen), die durch das Warmblasformen des Materials erreicht werden können. Dies kann bedeuten, dass eine gewünschte Artikelform aus verfügbaren Metalllegierungen unter Verwendung des Warmblasformens nicht hergestellt werden kann. Gelegentlich kann die Form durch wesentliches Verlangsamen des Beaufschlagens mit dem Fluiddruck und der Geschwindigkeit des Formens dennoch erreicht werden. Allerdings begrenzt dies die Produktionsraten und die Nutzung teurer Formausrüstung.
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In Übereinstimmung mit der Ausführungsform der Erfindung werden identifizierte Gebiete eines dünnen Metallwerkstücks, das mehr oder weniger gleichförmig auf seine Formtemperatur erwärmt worden ist, während eines Warmblasformprozesses selektiv abgekühlt. Die Kühlung wird geeignet dadurch ausgeführt, dass in den identifizierten Oberflächengebieten des Werkstücks ein Strom von Umgebungsluft (oder eines anderen geeigneten Fluids) gegen eine oder beide Seiten des Metalls gerichtet wird. Der Kühlfluidstrom wird so verwendet und gesteuert, dass die Verspannung und Verdünnung des Formmetalls in den identifizierten kritischen Formgebieten verringert werden. Diese Verringerung der Verspannung oder Verdünnung ist eine Folge dessen, dass das Metall in dem abgekühlten Gebiet härter wird. Die gewählte Kühlstrategie soll die Verspannung in größere benachbarte Bereiche des sich verdünnenden Metallwerkstücks verschieben, während es die Formoperation durchläuft, und die Gesamtformbarkeit durch eine gleichförmigere Verdünnung des Werkstücks verbessern. Diese Verschiebung der Verspannung ermöglicht, dass das Werkstück die beabsichtigte Form des Formschritts, den es erfährt, erzielt.
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In Abhängigkeit von der vorgegebenen Anforderung für das Metall und den Formschritt können ein oder mehrere Ströme von Kühlfluid verwendet werden, um selektiv ein oder mehrere hoch verspannte Gebiete des Werkstücks zu kühlen. Die Kühlfluidströme können während ausgewählter Abschnitte des Warmblasformschritts oder während der gesamten Zeitdauer des Formschritts gegen die ausgewählten Gebiete des heißen Werkstücks gerichtet werden. Ein Warmblasformschritt für ein Metallwerkstück kann z. B. dreißig bis mehr als dreihundert Sekunden bis zum Abschluss dauern, wobei die Kühlfluidströme während ausgewählter Abschnitte der Formzeitdauer oder während der gesamten Zeitdauer auf Gebiete des Metalls angewendet werden können. Einige Artikel können mehr als einen Warmblasformschritt erfordern, wobei in einem oder mehreren der Formschritte eine ausgewählte Abkühlung verwendet werden kann.
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Somit verwendet der Warmblasformprozess in Übereinstimmung mit Praktiken der Erfindung zwei Fluidströme. Ein Fluid, das Luft sein kann, wird dazu verwendet, das erwärmte Metallwerkstück gegen eine Formfläche mit Druck zu beaufschlagen und zu formen. Das zweite Fluid, das ebenfalls Luft sein kann, wird dazu verwendet, ausgewählte Abschnitte des Werkstücks, während es geformt wird, lokal zu kühlen. Der Kühlstrom oder die Kühlströme werden dazu verwendet, die Warmblasformung komplizierterer Formen in einem Metallwerkstück zuzulassen und diese Formung in verhältnismäßig kurzen Zeitdauern einer Minute oder ähnlich auszuführen.
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Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus den folgenden spezifischen veranschaulichenden Beispielen von Praktiken der Erfindung hervor. Es wird Bezug genommen auf die Zeichnungen, die in dem folgenden Abschnitt dieser Beschreibung beschrieben werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Ansicht eines seitlichen Querschnitts einer Warmblasformvorrichtung zum Formen eines Kofferraumdeckel-Innenplattenelements für ein Kraftfahrzeug aus einem Aluminiumlegierungsblech oder aus einem Magnesiumlegierungsblech. Der Ort des Querschnitts aus 1 in Bezug auf die Form des geformten und beschnittenen Plattenelements ist in 2 bei der Linie A-B angegeben.
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2 ist eine Schrägansicht eines beschnittenen und fertiggestellten Fahrzeugkofferraumdeckel-Innenplattenelements, wie es durch die in 1 beispielhaft gezeigte Vorrichtung und den darin beispielhaft gezeigten Prozess anfangs warmblasgeformt worden ist.
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3 ist eine Seitenaufrissansicht eines Blechwerkstücks, das über einer zweiten Ausführungsform einer Warmblaspressform zum Formen zweier gleichtiefer Taschen in dem Blech positioniert ist. Das komplementäre Pressformelement zum Beschränken des mit Druck beaufschlagten Formfluids ist zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. In dieser Ausführungsform sind die in dem Werkstück zu formenden Taschen von einer Mittellinie des Blechs gleich versetzt.
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4 ist eine Teilseitenaufrissansicht des Blechs und der Pressform aus 3, nachdem das Blech teilweise in die Tasche der Pressform gedehnt worden ist. Kühlluftdurchlässe in der Pressform ermöglichen, dass Ströme von Kühlluft gegen Gebiete des Blechs gerichtet werden, während das Blech über konvexe Taschenformabschnitte der Pressform gedehnt wird.
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5 ist ein anderer Teilseitenaufriss des Blechs und der Pressform aus 3, der die weitere Formung des Blechwerkstücks in Anpassung an die Pressformfläche zeigt. In den letzten Phasen des Formprozesses werden dem Blech zusätzliche Ströme von Kühlluft zugeführt.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Erfindung ist besonders nützlich beim Warmblasformen von Leichtmetalllegierungen wie etwa von Legierungen auf Aluminiumgrundlage oder von Legierungen auf Magnesiumgrundlage, die nicht [engl.: ”which to not”] dazu neigen, so formbar wie Legierungen aus kohlenstoffarmem Stahl zu sein. Einige beispielhafte Materialien, die für die Praxis des Warmblasformens geeignet sind, enthalten die Aluminiumlegierung AA5083 (Zusammensetzung in Gewichtsprozent: Mg, 4,0–4,9; Mn, 0,4–1,0; Zn ≤ 0,25; der Rest Aluminium) und die Magnesiumlegierung AZ31B (Zusammensetzung in Gewichtsprozent: Al, 2,5–3,5; Zn, 0,6–1,4; Mn, ≥ 0,2, der Rest Magnesium). Die Magnesiumlegierung AZ31 kann sowohl unter den ausgeglühten (AZ31B-O) als auch unter halbharten (AZ31B-H24) Bedingungen warmblasgeformt werden.
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Das Warmblasformen ist ein Formprozess, in dem ein erwärmtes Werkstück, üblicherweise mit der Form eines kaltgewalzten Blechs oder eines Rohrs, durch Aufrechterhalten einer Druckdifferenz über die Werkstoffdicke für eine gewisse Zeitdauer, üblicherweise im Bereich von 30 bis 300 Sekunden, fortschreitend verformt wird. Die Verformung ist von der Ansammlung einer Verspannung, sowohl in der Ebene des Werkstücks als auch durch seine Dicke, begleitet. Das Warmblasformen ist ein Dehnungsformprozess, der die Ansammlung von Zugverformungen in der Ebene des Blechs fördert, was zu einer Verringerung der Dicke des Werkstücks führt, während die Deformation fortschreitet.
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Üblicherweise wird das Warmblasformen durch Beaufschlagen einer Oberfläche des Werkstücks mit einem Druckfluid, häufig Luft, ausgeführt, während auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Werkstücks ein niedrigerer Druck aufrechterhalten wird. Falls es in einer Pressform durchgeführt wird, wölbt sich das Blech oder Rohr anfangs unbeschränkt auf und dehnt sich nach außen aus, bis die gegenüberliegende Oberfläche des sich ausdehnenden Blechs oder Rohrs eine geformte Pressformfläche berührt. Anschließend veranlasst die weitere Ausdehnung des Blechs, das es sich an die Oberflächengeometrie der Pressform anpasst und sie annimmt.
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Es ist bekannt, das die maximale Gesamtformänderung des Werkstücks im Warmblasformen erzielt wird, wenn sich alle Gebiete des Werkstücks gleich verformen und wenn die Verspannung in dem Werkstück überall dieselbe ist. Trotz Strategien wie etwa dem Ändern des Fluiddrucks in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Plan während des Prozesses und der reichlichen Anwendung eines Schmiermittels wird dieses Ziel in der Praxis üblicherweise nicht erreicht. Stattdessen entwickelt sich eine ungleichförmige Verspannungsverteilung, in der einige Gebiete in größerem Ausmaß als andere verformt worden sind. Wenn eine ungleichförmige Verspannungsverteilung erzeugt wird, nimmt der Betrag der Ungleichförmigkeit, d. h. der Differenz zwischen der niedrigsten und der höchsten Werkstückverspannung, mit zunehmender Verformung zu. Schließlich platzt oder reißt das am meisten verformte Gebiet, das, wie zuvor diskutiert wurde, auch das dünnste Gebiet ist, was das Druckfluid freisetzt und den Formprozess abschließt.
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Es ist bevorzugt, das Warmblasformen bei erhöhter Temperatur durchzuführen. Es ist bekannt, dass die in der Praxis dieses Prozesses verwendeten Aluminium- und Magnesiumlegierungen bei Temperaturen über Umgebungstemperaturen (etwa 25°C oder ähnlich) eine höhere Duktilität oder Formbarkeit aufweisen. Wichtiger ist, was ebenfalls bekannt ist, dass die Verformung bei einer solchen erhöhten Temperatur das Wachstum irgendeiner Verspannungsungleichförmigkeit wirksamer als die Verformung bei Umgebungstemperaturen unterdrückt. Wie eben diskutiert wurde, kann dennoch schließlich ein Bruch des Werkstücks folgen, wenn eine ungleichförmige Verspannungsverteilung beginnt, oder mit anderen Worten, wenn sich ein Verspannungsgradient entwickelt. Natürlich kann die Umwandlung flacher Bleche oder von Rohren in verhältnismäßig einfache Formen leicht ohne Bruch des Werkstücks verwirklicht werden, da nur eine beschränkte Verformung des Blechs oder Rohrs erforderlich sein kann. Allerdings besteht häufig die Notwendigkeit, komplizierte Formen herzustellen, wobei es bevorzugt ist, das Warmblasformen in einer Weise durchführen zu können, die die Formänderung maximiert, während der vorzeitige Bruch vereitelt wird.
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Die meisten Metalle einschließlich Magnesium und Aluminium und ihre Legierungen zeigen nicht nur eine Zunahme ihrer Formbarkeit bei erhöhten Temperaturen, sondern auch eine Verringerung ihres Widerstands gegen plastisches Fließen, d. h. der angelegten Spannung, die zur plastischen oder irreparablen Verformung führt. Es wird vorgeschlagen, dieses Verhalten zu nutzen, um das Wachstum einer Verspannungsungleichförmigkeit zu hemmen.
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In einem gleichförmig verspannten Metallblech, wie es sich etwa aus der Anwendung von Druck durch ein Fluid ergibt, ist die durch das Fluid angewendete Spannung in dem dünnsten Gebiet des Blechs am höchsten. Falls die Fließspannung des Blechs überall dieselbe ist, wie es in einem Blech bei einer gleichförmigen Temperatur auftritt, wird die Fließspannung des Blechs zunächst in diesem dünnsten Gebiet erreicht, was eine zusätzliche Verformung und eine abermals weitere Verdünnung fördert. Falls die Fließspannung des Blechs alternativ mit dem Ort in dem Blech variiert, hängt der Ort, an dem die Spannung durch Beaufschlagung mit Fluid in dem Blech zuerst eine plastische Verformung erzeugt, sowohl von der Fließspannung als auch von der Blechdicke an jedem Ort ab.
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Somit können die Verteilung der plastischen Verformung und die Entwicklung von Verspannungsungleichförmigkeiten durch Steuern der Fließspannung des Werkstücks durch Steuerung der lokalen Werkstücktemperatur, insbesondere durch lokales Kühlen von Gebieten mit hoher Verspannung des Werkstücks, gemanagt und gesteuert werden. Zum selektiven und lokalen Kühlen des Werkstücks können eine Anzahl von Herangehensweisen genutzt werden, wobei es aber eine einfache, direkte und wirksame Herangehensweise ist, die gegenüberliegende Oberfläche des Werkstücks mit einem Kühlfluid zu beaufschlagen. Das Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, wobei aber ein Gas bevorzugt ist, da es leichter die Steuerung des Grads der Abkühlung und somit eine stärkere Steuerung der lokalen Blechtemperatur leistet. Übermäßige Kühlung könnte ein Gebiet des Werkstücks zu stark versteifen und die Entwicklung von Verspannungsgradienten eher veranlassen als sie zu mildern.
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Häufig wird eine solche Steuerung erst begonnen, nachdem eine gewisse Verformung aufgetreten ist, sodass der nützliche Einfluss einer gleichförmigen Anfangstemperatur vollständig genutzt werden kann. Allerdings kann es für einen Teil der Geometrien und Verformungsfolgen vorteilhaft sein, ein solches Kühlfluid vom Beginn der Verformung an selektiv anzuwenden.
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Die Identifizierung von Gebieten mit hoher Verspannung des Werkstücks kann experimentell unter Verwendung von Verfahren, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, wie etwa Circle-Grid-Analyse des Werkstücks vor der Formung, um die Entwicklung einer Verspannungskarte des Formteils zu ermöglichen, oder noch einfacher durch Aufzeichnen des Orts der Ausfallstelle, leicht vorgenommen werden. Da eine solche Herangehensweise, obgleich sie möglich ist, mit sich bringen würde, dass Änderungen an einer Pressform vorgenommen werden müssten, nachdem sie konstruiert worden ist, ist eine bevorzugte Herangehensweise die Nutzung der Vorteile der Modellierung des Warmblasformens, z. B. unter Verwendung von Finite-Elemente-Herangehensweise, zum Identifizieren kritischer Bereiche des Werkstücks durch Modellierung. Da die Modellierung nur unter Verwendung vorläufiger Pressformentwurfsdaten ausgeführt werden kann, kann sie noch durchgeführt werden, bevor die Herstellung vorgenommen wird, was es ermöglicht, irgendwelche Fluidkühlmerkmale optimal in die Pressform zu integrieren. Eine solche Herangehensweise hat weitere Vorteile: Sie definiert genauer den Beginn und das Wachstum einer Verspannungsungleichförmigkeit und schlägt somit genauer vor, wann das Kühlen vorgenommen werden soll; sie lokalisiert die Stelle der anfänglichen Ungleichförmigkeit anstelle der schließlichen Ausfallstelle; und sie ermöglicht die Bewertung von Kombinationsstrategien wie etwa dem selektiven Kühlen, das in Verbindung mit verschiedenen Druckprofilen unternommen wird.
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Praktiken der Erfindung können mit Bezug auf die Zeichnungsfiguren leichter verstanden werden. 1 ist ein seitlicher Querschnitt einer Warmblasformvorrichtung 10 zum Formen eines Kofferraumdeckel-Innenplattenelements, das in 2 gezeigt ist. Die Warmblasformvorrichtung 10 besteht aus einem Pressformsatz 16, der einen oberen Pressformabschnitt 12 und einen unteren Pressformabschnitt 14 umfasst. Solche Pressformabschnitte werden häufig aus einer Gusswerkzeugstahlzusammensetzung mit Formflächen, Berührungsflächen und dergleichen, die durch maschinelle Bearbeitung geformt werden, geformt. Beide Pressformabschnitte 12, 14 der Pressform 16 können auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden. Zum Beispiel können für die gesteuerte Heizung der Pressformen auf einen gewünschten Temperaturbereich für den beabsichtigten Warmblasformschritt elektrische Widerstandsheizstäbe (in der Figur nicht gezeigt) an geeigneten Orten in den Pressformen in Bohrlöcher eingeführt sein.
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Der obere und der untere Pressformabschnitt 12 und 14 sind mit dem Umfang eines erwärmten Werkstücks, das in Strichlinien bei 19 gezeigt ist, bei den Pressformumfangsorten oder -klemmorten 18, die geeignete Klemmmerkmale, die das Blech berühren, enthalten (nicht gezeigt), zum Herstellen einer gasdichten Abdichtung enthalten, in Eingriff. Somit wird die durch die Pressformen 12 und 14 gebildete Innenhöhlung vor dem Formen durch das erwärmte Werkstück 19 in zwei nicht miteinander in Verbindung stehende erwärmte Volumina 26 und 28 geteilt.
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Der untere Pressformabschnitt 14 weist eine geformte Fläche 29 auf, gegen die ein geeignetes Magnesium- oder Aluminiumlegierungs-Blechwerkstück unter dem Einfluss eines Druckgases ausgedehnt und verspannt wird. Das Druckgas (üblicherweise Luft), das bei der Öffnung 20 in den oberen Pressformabschnitt 12 und in die Höhlung 26 eingeleitet wird, ist durch Pfeile 22 in der Weise angegeben, dass es auf eine Seite des Werkstücks 19 wirkt. Unter dem Einfluss des Druckgases verformt sich das erwärmt Werkstück 19 und wird in fortschreitende Berührung mit der geformten Fläche 29 der unteren Pressform 24 gerichtet, währenddessen es eine Reihe von Konfigurationen annimmt, die verschiedentlich als 21, 23, 25 und 27 gezeigt sind. Während das Werkstück 19 in Richtung der geformten Fläche 29 gedehnt und verformt wird, wobei das Volumen der Höhlung 26 ausgedehnt wird, verringert sich das Volumen der Höhlung 28. Das Gas, das ursprünglich das Volumen 28 einnimmt, wird über geeignet positionierte Entlüftungsöffnungen 24, die so angeordnet sind, dass sie den Zugang zum Volumen 28 freigeben, entlastet, selbst während das Werkstück 19, wie z. B. bei 27, mit der geformten Fläche 29 fortschreitend in Berührung kommt und die Höhlung 28 fortschreitend in Teilhöhlungen 28', 28'' und 28''' unterteilt.
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Wenn sich das Werkstück 19 beim Abschluss des Prozesses vollständig an die geformte Fläche 29 angepasst hat, wird der Druck in der Höhlung 26 entlastet, wird der Pressformsatz 16 geöffnet und wird das Formteil entnommen. Wenigstens irgendein Material, das mit den Pressformklemmabschnitten 18 in Eingriff ist, wird abgeschnitten oder entfernt. Die Weiterverarbeitung kann das Stanzen von Löchern oder Öffnungen und das Bilden von Flanschen an dem Teile-Umfang enthalten, um ein Fertigteil 30 (2) wie etwa ein Fahrzeuginnen-Kofferraumdeckel-Plattenelement herzustellen.
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Besonders wird im Teil 30 auf drei zentral angeordnete Merkmale hingewiesen. Diese sind zwei konkave Vertiefungen 34, die durch nahezu vertikale Wände 36 mit umgebenden erhöhten Gebieten verbunden sind, die durch die zentrale Rippe 32 verkörpert sind. Solche Geometrien treten üblicherweise in Formblechteilen auf und können den Riss und Bruch des Werkstücks wesentlich beeinflussen.
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Zur weiteren Konzentration auf die Formung einer Kombination mehrerer [engt.: ”severe”] konvexer und konkaver Formen in einem Blechwerkstück wird Bezug genommen auf die 3–5, in denen in einem anderen Werkstück als dem in 1 und 2 dargestellten zwei eng beabstandete, tiefe Taschen gebildet sind.
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3 ist eine Seitenaufrissansicht eines erwärmten Aluminium- oder Magnesiumlegierungsblech-Werkstücks 119, das sich an Klemmabschnitten 118 eines unteren Pressformabschnitts 114 befindet. Die Aluminium- oder Magnesiumlegierung ist für die Warmblasformung geeignet.
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Der obere Werkzeugabschnitt ist in 3–5 nicht gezeigt. Dieses obere Werkzeug dient zum Beschränken des Warmblasformungs-Druckfluids und presst das Blechwerkstück beim Klemmgebiet 118 gegen das untere Werkzeug 114.
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Der untere Pressformabschnitt 114 weist eine geformte Fläche 129 auf, die zum Formen zweier gleicher tiefer Taschen bestimmt ist. In diesem Beispiel sind die Taschen von einer Mittellinie 100 des Blechs gleich versetzt. Der Pressformabschnitt 114 kann mit elektrischen Widerstandsheizeinrichtungen (nicht gezeigt) oder dergleichen geheizt werden, um die Warmblasformumgebung zu managen. Wie es typisch ist, enthält die geformte Fläche 129 sowohl konvexe Radienmerkmale 152, 162 als auch konkave Aussparungsmerkmale 180. Wie durch die Pfeile 122 angegeben ist, wird die obere Oberfläche 115 des Blechs 119 mit einem Druck beaufschlagt.
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Analog zu 1 umfasst die Klemmung 118 Gasabdichtungsmerkmale (nicht gezeigt) und stellt dadurch ein Volumen 128 her, das durch Entlüftungslöcher 124 und 124' entlüftet wird, um anfangs im Volumen 128 enthaltenes Gas zu entspannen, während die Oberfläche 117 des Blechs 119 unter dem Drängen des Gasdrucks 122 in Richtung der geformten Fläche 129 fortschreitet.
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4 veranschaulicht einen Teil der Pressform- und Blechkonfiguration aus 3, nachdem eine gewisse Verformung stattgefunden hat. Es wird gewürdigt werden, dass sich wegen der Symmetrie der Pressform 114 um die Mittellinie 100 in dem entsprechenden Abschnitt der Pressform eine gleiche Konfiguration ergibt. Wie gezeigt ist, hat der ausgeübte Druck 122 das Blechwerkstück 119 erfolgreich in teilweise Berührung mit konvexen Merkmalen, den Radien 152 und 162, der geformten Pressformfläche 129 gedrängt. Insbesondere steht das Blech 119 in Berührung mit Merkmalen 150 und 160 und insbesondere in Berührung mit Radien 152 und 162 und mit einem Abschnitt der vertikalen Seitenwände 154 und 164. Es ist bekannt, dass zwischen sich berührenden Oberflächen unter Druck eine Reibungswechselwirkung auftritt. Somit beschränkt die lokale Berührung der Blechfläche 117 mit den Radien 152 und 162 und mit den Seitenwänden 154 und 164 durch Reibung das Blech 119 davor, über die Merkmale 150 und 160 zu gleiten.
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Die Wirkung der Beschränkung des Gleitens dieser Abschnitte des Blechs 119 in Berührung mit den Merkmalen 150 und 160 ist es, die die Ansammlung irgendeiner weiteren Verspannung in den Berührungsgebieten beschränkt, da irgendeine Zunahme ihrer Länge (Verspannung) eine Bewegung über die Pressformfläche 129 erfordert. Somit muss von dem nicht die Pressform berührenden Abschnitt des Blechs 119, der in 4 allgemein als Segment 'A' bezeichnet ist, ein größerer Anteil der Verformung, d. h. eine größere Verspannung, aufgenommen werden. Es ist bekannt, dass selbst innerhalb des nicht die Pressform berührenden Abschnitts des Blechs 119 eine weitere Ansammlung der Verspannung nicht gleichförmig ist und dass ein größerer Teil der Verspannung von dem Gebiet des Abschnitts 'A' aufgenommen wird, das unmittelbar an der Berührungsfläche anliegt oder allgemein tangential zu ihr ist, und das in 4 als 'B' bezeichnet ist. Somit ist es bevorzugt, an diesen Orten durch Einleiten eines Kühlfluids, das als Pfeile 142 angegeben ist, durch die Einlassanschlüsse 144 und 140, um an den Orten 'B' auf den nicht die Pressform berührenden Abschnitt 'A' des Blechs 119 aufzuprallen, die weitere Ansammlung einer Verspannung zu minimieren. Diese Prozedur erhöht die Festigkeit des Blechs an den Orten 'B' relativ zu der Blechfestigkeit über dem Rest des Blechabschnitts 'A' und fördert somit eine gleichförmigere Verformung über den Rest des Abschnitts 'A' und ermöglicht vor dem Ausfall oder Riss des Blechs eine umfangreichere Verformung. Für maximale Wirkung sollte das Kühlfluid angewendet werden, bevor eine übermäßige Verdünnung aufgetreten ist. Vorzugsweise wird die sich ändernde Dicke des Werkstücks an diesem Ort nachgeführt, während die Verformung fortschreitet, sodass eine Kühlung initiiert werden kann, wenn die Dicke einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht. Der vorgegebene Schwellenwert wird wiederum durch die spezifizierten minimalen Dickenanforderungen des Artikels in Herstellung bestimmt.
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Solche Praktiken sind für die lokale Wirkung auf das Blech 119 bei einer spezifischen Phase in der Formoperation für die Behebung einer lokalen Verspannungsungleichförmigkeit bestimmt. In der Praxis auf dem Gebiet des Blechformens wird häufig beobachtet, dass sich während des Formens mehrere Verspannungsungleichförmigkeiten entwickeln können. Außerdem kann die Unterdrückung einer lokalen Verspannungsungleichförmigkeit in einem Gebiet des sich verformenden Blechs die Entwicklung nachfolgender Verspannungsungleichförmigkeiten in anderen benachbarten oder nicht benachbarten Gebieten des Blechs nicht unterdrücken. Häufig treten solche mehreren lokalen Verspannungsungleichförmigkeiten nicht gleichzeitig auf, sondern entwickeln sich stattdessen nacheinander während des Formprozesses.
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Somit hat eine wie in 5 dargestellte weitere Verformung, die zu einer abermals weiteren Berührung des Blechs 119 mit konkaven Merkmalen, den Aussparungen 180, auf der geformte Fläche 129 geführt hat, die Länge des nicht die Pressform berührenden Abschnitts des Blechs 19 weiter verringert. Ferner hat die zusätzliche Verformung die nicht die Pressform berührende Länge in zwei als 'C' und 'D' gezeigte Abschnitte geteilt. Eine ähnliche Analyse und Betrachtung wie zuvor diskutiert kann nahelegen, dass sich aus dem selektiven Kühlen von Gebieten des Blechs 119, die an diese Gebiete in Berührung mit den vertikalen Wandflächen 154 und 164 anliegen, eine verbesserte Verteilung der Verspannung ergibt. Mit geeigneten Ventilen können die Entlüftungslöcher 124 (3 und 4) einer doppelten Rolle dienen und in 5 als Kaltlufteinlässe 170 (124) wirken und dadurch Abschnitte der nicht die Pressform berührenden Segmente 'C' und 'D' selektiv verstärken und eine gleichmäßigere Verformung ermöglichen, um größere Formtiefen und eine gleichförmigere Teildicke zu verbessern. Die Verbindungslinie zwischen im Wesentlichen horizontalen und im Wesentlichen vertikalen Pressformflächen ist im Allgemeinen der letzte Abschnitt des geformten Teils. Somit können an diesen Orten wenigstens einige dedizierte Lüftungsbohrungen, z. B. die Lüftungsbohrung 124', positioniert sein, um eine angemessene Lüftung der Höhlung 128 sicherzustellen, während das Formen fortschreitet.
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Umgebungsluft zur Verwendung als ein Kühlfluid ist leicht erhältlich und umweltverträglich. Die Luft kann in Abhängigkeit von den erkannten Notwendigkeiten einer Kühlanforderung erwärmt oder gekühlt werden. Falls die Luft in Bezug auf die zu kühlende Metalllegierung oder in Bezug auf die Warmblasformumgebung ein Problem darstellt, können andere Fluide wie etwa Kohlendioxid, Dampf oder ein Schutzgas wie Helium verwendet werden. In einigen Fällen kann die Zugabe einer kleinen Menge Schwefelhexafluorid zu einem Schutzgaskühlstrom die Oxidation z. B. einer Legierung auf Magnesiumgrundlage verringern. Unter geeigneten Sicherheitsvorkehrungen können andere Kühlfluide wie etwa Methan oder Fluorkohlenwasserstoffe ebenfalls zur Verwendung in Betracht gezogen werden. Außerdem können Gemische verschiedener Kühlfluide verwendet werden.
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Die Praxis der Erfindung ist mit Bezug auf spezifische Merkmale und Elemente in einer beispielhaften nicht einschränkenden Ausführungsform dargestellt worden. Allerdings sollen die folgenden beigefügten Ansprüche und irgendwelche in Zukunft eingeführten Ansprüche so ausgelegt werden, dass sie irgendwelche Änderungen, Hinzufügungen und/oder Kombinationen oder Unterkombinationen, die im Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung liegen, enthalten.
