DE10240876A1

DE10240876A1 - Verfahren zum Formen eines Metallelements

Info

Publication number: DE10240876A1
Application number: DE10240876A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Iseki; Haruo Watanabe
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: JP3761820B2; GB2379180B; GB2379180A; GB0220482D0; JP2003154415A; DE10240876B4; US20040040636A1; GB2379180A8

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Formen eines Metallelements angegeben, welches geeignet ist, sowohl Formbarkeit eines Metallelements als auch bedeutende Stärkung desselben zu erreichen. Es werden ein zylindrisches Metallelement (1) mit einem Hohlraum (10) und eine formgebende Matrize (3) mit einer formgebenden Fläche (31) verwendet. Das Metallelement (1) wird bis auf einen Temperaturbereich, welcher zum Abschreck-Verstärken geeignet ist (z. B. nicht weniger als der A1-Transformationspunkt), erhitzt. Durch Erhöhung des Innendrucks von Gas, welches in dem Hohlraum (10) des Metallelements (1) enthalten ist, wird eine Wand (1a) des Metallelements (1) ausgetauscht und/oder verformt, und die ausgebauchte, verformte Wand (1a) des Metallelements (1) wird dadurch verformt, daß sie in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche (31) der formgebenden Matrize bei gleichzeitigem Abschreck-Verstärken derselben gebracht wird. Es wird eine bedeutende Verstärkung des Metallelements (1) erreicht.

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen eines Metallelements, welches geeignet ist, die Formbarkeit eines Metallelements zu verbessern und dasselbe bedeutend zu verstärken.

Hintergrund der Erfindung

Als ein Verfahren zum Formen eines Metallelements ist ein Hydroforming-Verfahren bekannt. Das Hydroforming-Verfahren ist eine Technik, bei der ein röhrenförmiges oder zylindrisches Metallelement mit einem Hohlraum und eine formgebende Matrize verwendet werden, welche eine formgebende Fläche aufweist, die derart ausgebildet ist, daß sie eine Zielform aufweist; Wasser in den Hohlraum des Metallelements eingespeist wird, um die Wand des Metallelements auszubauchen und verformen; und dann die ausgebauchte, verformte Wand geformt wird, indem sie in innigen Kontakt (d. h. nahen Kontakt oder ohne Freiraum) mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize gebracht wird.

Gemäß dem obig genannten Hydroforming-Verfahren wird die Wand des Metallelements durch Einspeisen von Wasser in den Hohlraum des Metallelements ausgebaucht und verformt, und dadurch kann das Formen der Wand verwirklicht werden. Es bestehen jedoch Beschränkungen bezüglich der Verwirklichung von sowohl Formbarkeit eines Metallelements als auch bedeutender Verstärkung desselben.

Insbesondere ist es bei neueren Automobilteilen und dergleichen erforderlich, die Materialdicke zu verringern, um Gewicht zu reduzieren. Im Fall einer Verringerung der Materialdicke kann zwar die Formungskraft, die zum Formen eines Metallelements notwendig ist, verringert werden, aber es bestehen Beschränkungen im Hinblick auf eine bedeutende Verstärkung des Metallelements.

Darüber hinaus ist es für den Fall, daß es sich um ein Material auf Eisen-Basis handelt, erforderlich, seine Zugfestigkeit durch Erhöhung des Gehalts eines Legierungelementes zu verbessern (d. h. hochfesten Stahl herzustellen), während gleichzeitig seine Dicke verringert wird. Wenn die Zugfestigkeit des Materials auf solche Weise verbessert wurde, kann eine Verbesserung der Stärke des Metallelements verwirklicht werden, da aber die Verlängerung des Materials verringert wird, nimmt die Formbarkeit des Materials ab, und folglich besteht die Gefahr der Ausbildung von Rissen und anderer Defekte im Verlauf des Ausbauchens und Verformens des Metallelements als Folge der Anwendung des Hydroforming-Verfahrens.

WO 01/23116 A1 (5. April 2001) offenbart ein Verfahren zum Formen eines verlängerten röhrenförmigen Rohlings in eine röhrenförmige Strukturkomponente durch Anwendung eines unter Hochdruck stehenden Gases zum Anpassen an die Innenfläche eines Mantels, in welchem die röhrenförmige Komponente durch induktives Erhitzen des Mantels erhitzt wird. Das resultierende Produkt wird außerdem zu einer separaten Abschreckstation gebracht. Der Abschreckungsschritt kann jedoch nicht gleichzeitig mit dem formgebenden Schritt ausgeführt werden, und es bleibt für zukünftige Verbesserung viel zu wünschen übrig.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde unter den oben beschriebenen Umständen gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Formen eines Metallelements bereitzustellen, welches geeignet ist, sowohl Formbarkeit als auch eine bedeutende Verstärkung eines Metallelements bereitzustellen.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines Metallelements bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfaßt:
Bereitstellen und Verwenden eines (typischerweise zylindrischen oder röhrenförmigen (hierin umfassend "zylindrisch" bezeichneten)) Metallelements mit einem Hohlraum und einer formgebenden Matrize mit einer formgebenden Fläche; und Ausführen eines formgebenden und abschreck-verstärkenden Schrittes durch Erhöhen eines Innendrucks eines Gases, welches in dem Hohlraum des Metallelements enthalten ist, das bis auf einen Temperaturbereich erhitzt ist, der zum Verstärken durch Abschrecken (d. h. Abschreck-Verstärken) geeignet ist, eine Wand eines Metallelements auszubauchen und/oder zu verformen, wobei das Formen der ausgebauchten, verformten Wand des Metallelements dadurch ausgeführt wird, daß diese Wand in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize gebracht wird, verbunden mit gleichzeitigem Abschreck-Verstärken der Wand.

Gemäß dem Verfahren zum Formen eines Metallelements der vorliegenden Erfindung wird zunächst ein Metallelement bis auf einen zum Abschreck-Verstärken geeigneten Temperaturbereich erhitzt. Dann wird in einem formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritt eine Wand des Metallelements durch Erhöhen des Innendrucks eines in einem Hohlraum des Metallelements enthaltenen Gases in einen ausgebauchten und/oder verformten Zustand überführt. Während dieser Zeitspanne kann das Meaallelement auf einer bedeutend höheren Temperatur gehalten werden als im Fall, wo Wasser in dem Hohlraum des Metallelements enthalten ist, wie dies beim Hydroforming-Verfahren der Fall ist.

Außerdem wird gemäß dem Verfahren zum Formen eines Metallelements der Erfindung die Wand des Metallelements dadurch geformt, daß sie in innigen Kontakt mit einer formgebenden Fläche einer formgebenden Matrize gebracht wird und daraufhin gleichzeitig Abschreck-Verstärken stattfindet. Indem das Material auf diese Weise ausgebaucht und verformt wird, kann eine Verlängerung des Metallelements sichergestellt werden, da das Metallelement auf einen zum Abschreck-Verstärken geeigneten Temperaturbereich erhitzt wurde. Als Ergebnis davon kann die plastische Verformbarkeit des Metallelements verbessert werden, und auch Verformbarkeit und/oder Formbarkeit in einem ausgebauchten Zustand des Metallelements können verbessert werden.

Die hierin verwendete Bezeichnung "ausbauchen" bedeutet nicht, daß das Werkstück in seiner Gesamtheit "ausgebaucht" wird, sondern umfaßt auch den Fall partiellen Ausbauchens, d. h. einen Fall, in dem nur ein Teil eines Werkstücks unter dem angewandten hohen Druck innerhalb des Innenhohlraums des Werkstücks ausgebaucht oder verformt wird.

Zusätzlich kann das Metallelement in dem oben beschriebenen formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritt abgeschreckt und verstärkt werden, indem das ausgebauchte und/oder verformte Metallelement in innigen Kontakt mit einer formgebenden Fläche einer formgebenden Matrize gebracht wird, um eine bedeutende Verstärkung des Metallelements zu verwirklichen.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines Metallelements bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfaßt:

a) Anordnen eines zylindrischen Metallelements mit einem Hohlraum in einer formgebenden-Matrizen-Anordnung,
b) Erhitzen des Metallelements, welches in der formgebenden-Matrizen-Anordnung angeordnet ist,
c) in-innigen-Kontakt-Bringen einer vorgesehenen Oberfläche des Metallelements mit einer vorgesehenen Fläche einer formgebenden-Matrizen-Anordnung durch Zuführen eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des in der formgebenden-Matrizen-Anordnung erhitzten Metallelements, um dadurch das Metallelement plastisch zu verformen, und
d) Abschrecken des Metallelements unmittelbar nach dessen Verformung, durch Kühlen des Metallelements, während es in der formgebenden-Matrizen-Anordnung angeordnet ist. Durch dieses Verfahren werden das Erhitzen, Verformen und Kühlen des Metalielements nacheinander oder kontinuierlich innerhalb der Matrizen-Anordnung ausgeführt. Das heißt, daß Formen und Wärmebehandlung des Metallelements kontinuierlich in situ ausgeführt werden, was zu einem verbesserten Betrieb führt.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines Metallelements bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfaßt:

a) Erhitzen eines zylindrischen Metallelements mit einem Hohlraum,
b) Anordnen des erhitzten Metallelements in einer formgebenden-Matrizen-Anordnung,
c) In-innigen-Kontakt-Bringen des erhitzten Metallelements mit einer vorgesehenen Fläche der formgebenden Matrizen-Anordnung durch Zuführung eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des Metallelements, um dadurch das Metallelement plastisch zu verformen,
d) Abschrecken des Metallelements unmittelbar nach der Verformung des Metallelements, durch Kühlen der formgebenden-Matrizen-Anordnung, während das Metallelement in der formgebenden-Matrizen-Anordnung angeordnet ist. Durch dieses Verfahren werden Verformen und Kühlen des Metallelements kontinuierlich innerhalb der Matrizen-Anordnung ausgeführt. Das heißt, daß Formen und Wärmebehandlung des Metallelements kontinuierlich in situ ausgeführt werden.

Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Metallelementprodukt bereitgestellt, welches gemäß dem unter einem der vorangehenden Punkte definierten Verfahren hergestellt wurde.

Gemäß einem fünften Aspekt wird eine Vorrichtung zum Formen eines Metallelements bereitgestellt, welche umfaßt:
eine formgebende-Matrizen-Anordnung zum Anordnen eines zylindrischen Metallelements mit einem Hohlraum in einem Matrizenhohlraum der formgebenden-Matrizen-Anordnung,
eine Gasversorgungseinrichtung zum Zuführen eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des Metallelements, welches innerhalb des Matrizenhohlraums der formgebenden Matrizen-Anordnung erhitzt ist, und
eine Kühleinrichtung zum Kühlen der formgebenden Matrizen- Anordnung, die zum Abschreck-Verstärken des Metallelements konfiguriert ist, welches in der formgebenden Matrizen- Anordnung angeordnet ist und plastisch verformt wird. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin eine Steuereinheit zum Steuern der Gasversorgungseinrichtung, um das Ausbauchen und/oder Verformen des Metallelements zusammen mit dessen Abschreck-Härten auszuführen. Gemäß dieser Vorrichtung werden Verformen und Abschrecken kontinuierlich innerhalb der Matrizenanordnung ausgeführt. Das heißt, daß Formen und Wärmebehandlung des Metallelements kontinuierlich in situ ausgeführt werden.

Die Vorrichtung kann weiterhin eine Heizvorrichtung zum selektiven Erhitzen des in dem Matrizenhohlraum der formgebenden-Matrizen-Anordnung angeordneten Metallelements umfassen.

Kurze Erläuterung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die zu einem ersten Beispiel der Erfindung gehört, und die schematisch ein Verfahren darstellt, bei dem ein erweiteter Teil an beiden Enden eines Metallelements geformt wird und dieses in einer Ofenkammer eines Ofens angeordnet wird.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die zum ersten Beispiel der Erfindung gehört, und schematisch einen Zustand darstellt, in dem das erhitzte Metallelement in einer formgebende Matrize angeordnet ist.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die zum ersten Beispiel der Erfindung gehört, in der schematisch ein Zustand dargestellt ist, in dem Gas in einen Hohlraum des Metallelements zugeführt wird und, unter der Bedingung, daß das erhitzte Metallelement in der formgebenden Matrize angeordnet ist, sich eine Wand des Metallelements ausbaucht.

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die zu einem zweiten Beispiel der Erfindung gehört, in der schematisch ein Zustand dargestellt ist, in dem ein Metallelement einer formgebenden Matrize gegenüberliegend erhitzt wird.

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, die zum zweiten Beispiel der Erfindung gehört, in der schematisch ein Zustand unmittelbar vor Gaszufuhr in einen Hohlraum des erhitzten Metallelements dargestellt ist, welches so angeordnet ist, daß es der formgebenden Matrize gegenüberliegt.

Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht, die zu einem dritten Beispiel der Erfindung gehört, in der schematisch ein Zustand des Erhitzens eines einer formgebenden Matrize gegenüberliegenden Metallelements dargestellt ist.

Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht, die zum dritten Beispiel der Erfindung gehört, in der schematisch ein Zustand unmittelbar vor Gaszufuhr in einen Hohlraum des erhitzten Metallelements dargestellt ist, welches derart angeordnet ist, daß es der formgebenden Matrize gegenüberliegt.

Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, die zu einem vierten Beispiel der Erfindung gehört, in der schematisch ein Zustand des Erhitzens eines einer formgebenden Matrize gegenüberliegenden Metallelements dargestellt ist.

Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht, die zum vierten Beispiel der Erfindung gehört, in der schematisch ein Zustand unmittelbar vor Gaszufuhr in einen Hohlraum des erhitzten Metallelements dargestellt ist, welches derart angeordnet ist, daß es der formgebenden Matrize gegenüberliegt.

Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht, in der eine erstes angewandtes Beispiel der Erfindung dargestellt ist.

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht, in der ein zweites angewandtes Beispiel der Erfindung dargestellt ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Formen eines Metallelements kann zumindest eine der folgenden Ausführungsformen verwendet werden.

Ein Metallelement weist eine zylindrische Form mit einem Hohlraum auf. Als zylindrische (oder röhrenförmige) Form können solche mit einem runden oder einem eckigen (d. h. polygonalen oder rechteckigen) oder jeglichem sonstigen Querschnitt verwendet werden. Das Metallelement kann vor Ausführung eines formgebenden und abschreck-verstärkenden Schrittes eine gerade-zylindrische Form oder eine zylindrische Form aufweisen, die wenigstens gebogene, konkave und/oder konvexe Bereiche aufweist. Das Metallelement kann ein einheitlicher geformter (gestalteter) Artikel oder ein zusammengesetztes Produkt aus mehreren Materialien sein.

Bezüglich eines Materials des Metallelements kann eine Ausführungsform verwendet werden, in der das Material ein Material auf Eisen-Basis, einschließlich einem Legierungsstahl, wie etwa Stahl hoher Spannung ("high tension steel"), rostfreiem Stahl oder dergleichen, ein Material auf Titan-Basis, ein Material auf Aluminium-Basis oder ein Material auf Kupfer-Basis ist. Es ist jedoch nicht nötig, das Material des Metallelements auf die beispielhaft angeführten Materialien zu beschränken. Der Begriff "Stahl hoher Spannung" bedeutet Stahl hoher Zugfestigkeit, welcher aus Stahl hergestellt ist, der eine hohe Zugfestigkeit aufweist. Als "Stahl hoher Spannung" kann Metall auf Eisen-Basis mit einer Zugfestigkeit von nicht weniger als 500 MPa (= 50 kgf/mm²), Metall auf Eisen- Basis mit einer Zugfestigkeit von nicht weniger als 600 MPa, Metall auf Eisen-Basis mit einer Zugfestigkeit von nicht weniger als 800 MPa, Metall auf Eisen-Basis mit einer Zugfestigkeit von nicht weniger als 1000 MPa, oder Metall auf Eisen-Basis mit einer Zugfestigkeit von nicht weniger als 1500 MPa verwendet werden. Im Allgemeinen weist hochfester Stahl eine hohe Stärke auf, nicht notwendigerweise jedoch genügende plastische Verformbarkeit. Erfindungsgemäß werden diese Metallelemente erhitzt, bevor sie abgeschreckt und verstärkt werden, so daß die plastische Verformbarkeit jedes Metallelements verbessert werden kann. Als Folge daraus können Verformbarkeit und Formbarkeit in ausgebauchtem Zustand des Metallelements sogar in dem Fall verbessert werden, in dem die plastische Verformbarkeit des Metallelements ungenügend ist, wie dies der Fall ist, wenn ein Material des Metallelements sich in einem Zustand hoher Spannung befindet. Folglich kann für den Fall, daß geformte Formen der Metallelemente voneinander verschieden sind und für den Fall, daß der Formungsgrad des Metallelements groß ist, die Formbarkeit jedes Metallelements sichergestellt werden.

Bezüglich des Erhitzens des Metallelements kann eine Ausführungsform verwendet werden, in der das Erhitzen durch wenigstens einen der folgenden Arbeitsvorgänge ausgeführt wird: Halten des Metallelements in einer Ofenkammer eines Erhitzungsofens, Induktionserhitzen des Metallelements und Widerstandserhitzen zum elektrischen Erregen des Metallelements. Wenigstens zwei dieser Arbeitsvorgänge können in Kombination verwendet werden. Mit anderen Worten kann nach Halten des Metallelements in der Ofenkammer des Ofens Induktionserhitzen des Metallelements ausgeführt werden. Andernfalls kann nach Halten des Metallelements in der Ofenkammer des Ofens Widerstandserhitzen zum elektrischen Erregen des Metallelements ausgeführt werden. Wenn nicht auf solche Weise, können ohne Ausführen des Arbeitsvorgangs zum Halten des Metallelements in der Ofenkammer des Ofens Induktionserhitzen und Widerstandserhitzen (im Allgemeinen elektrisches Erhitzen) ausgeführt werden. Induktionserhitzen und Widerstandserhitzen können simultan oder nacheinander ausgeführt werden.

Bezüglich des Arbeitsvorgangs zum Halten des Metallelements in der Ofenkammer des Ofens kann eine Ausführungsform verwendet werden, in der dieser Arbeitsvorgang unter der Bedingung ausgeführt wird, daß die Ofenkammer des Ofens eine nicht-oxidierende Atmosphäre aufweist. Als die nicht-oxidierende Atmosphäre kann wenigstens eine der Atmosphären von Vakuum-Atmosphäre, reduzierender Atmosphäre und inerter Atmosphäre verwendet werden. Das reduzierende Gas kann wenigstens eines aus der Gruppe von CO-Gas-Atmosphäre und CO-enthaltender Gas- Atmosphäre sein. Die Inertgas-Atmosphäre kann eine Stickstoff-Atmosphäre oder eine Edelgasatmosphäre aus Argon oder dergleichen sein.

Für den Induktionserhitzungsarbeitsvorgang kann eine Ausführungsform verwendet werden, bei der dieser Arbeitsvorgang dadurch verwirklicht wird, daß ein Wechselstrom an ein elektrisch leitfähiges Element zum Induktionserhitzen angelegt wird, während das leitfähige Element in der Nähe von (bevorzugt innerhalb des Hohlraums von) dem innerhalb der Matrize angeordneten Metallelement angeordnet ist, um das Metallelement (selektiv, soweit wie möglich) Induktionszuerhitzen. Das leitfähige Element zum Induktionserhitzen kann spulenförmig oder plattenförmig sein. Grundsätzlich kann das leitfähige Element jede Form annehmen, wenn es das Metallelement Induktionserhitzen kann. Die Frequenz des an das leitfähige Element anzulegenden Wechselstroms kann geeignet innerhalb eines Frequenzbereiches gewählt werden, welcher geeignet ist, das Metallelement Induktionszuerhitzen, wobei das Material des Metallelements, Gerätekosten, Induktionserhitzungsfähigkeit und dergleichen Beachtung finden und demgemäß können ein Niedrigfrequenzbereich, Mittelfrequenzbereich oder Hochfrequenzbereich den Umständen entsprechend eingesetzt: werden. Anwendbare Frequenzen können z. B. von 0,5 bis 5000 kHz reichen, insbesondere 1 bis 2000 kHz. Der anwendbare Frequenzbereich ist jedoch nicht auf diese beispielhaften Frequenzen beschränkt.

Wenn ein Hochfrequenz-Wechselstrom an das leitfähige Element zum Induktionserhitzen des Metallelements angelegt wird, kann eine Oberflächenschicht des Metallelements effizient erhitzt werden, da ein Naheffekt (proximity effect), welcher geeignet ist, die nahe dem leitfähigen Element im Metallelement liegende Oberflächenschicht effizient zu erhitzen, und auch ein Hauteffekt (skin effect), welcher durch das Durchlaufen eines elektrischen Stroms durch die Oberflächenschicht, des Metallelements entsteht, erwartet werden können.

Bei dem Widerstandserhitzungsarbeitsvorgang zum elektrischen Erregen des Metallelements kann eine Ausführungsform verwendet werden, bei der dieser Arbeitsvorgang dadurch ausgeführt wird, daß das Metallelement von den Anschlüssen (energizing terminals) elektrisch erregt wird, während die Anschlüsse mit dem einer formgebenden Fläche einer formgebenden Matrize gegenüberliegenden Metallelement verbunden sind, um das Metallelement durch Joulewärme zu erhitzen. Ein elektrischer Strom zum elektrischen Erregen des Metallelements von den Anschlüssen kann ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom (AC) sein. Wenn Wechselstrom verwendet wird, kann dessen Frequenz in einem niedrigen, mittleren oder hohen Frequenzbereich liegen, je nach Umständen, wobei das Material des Metallelements, Gerätekosten, Erhitzungsfähigkeit und dergleichen Beachtung finden. Die Frequenz kann in einem Bereich von, z. B., von 0,5 bis 5000 kHz, insbesondere von 1 bis 2000 kHz liegen. Die Frequenz ist jedoch nicht auf diese beispielhaften Frequenzen beschränkt. Wenn ein Hochfrequenz-Wechselstrom von einem der Anschlüsse an das Metallelement angelegt wird, kann eine Oberflächenschicht des Metallelements effizient erhitzt werden, da der Hauteffekt erwartet werden kann, der durch das Durchlaufen eines elektrischen Stroms durch die Oberflächenschicht des Metallelements entsteht.

Das Metallelement kann aus einem Material auf Eisen-Basis hergestellt sein, und es kann eine Ausführungsform verwendet werden, in der das Metallelement bis auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem A1- Transformationspunkt (eine zum Härten geeignete Temperatur) erhitzt wird. Der Begriff "nicht geringer als A1-Punkt" bedeutet ein Temperaturbereich, welcher höher ist als eine Temperatur, bei der Austenit erzeugt wird. Je nach Fall kann auch eine Ausführungsform verwendet werden, bei der das Metallelement bis zu einem Temperaturbereich von nicht weniger als dem A3-Transformationspunkt erhitzt wird. Vorzugsweise wird die maximale Erhitzungstemperatur des Metallelements auf eine Temperatur einer Matrix des Metallelements festgesetzt, bei der eine flüssige Phase erzeugt wird.

Im formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritt kann wenigstens ein Teil des Metallelements gehärtet werden, um eine beschleunigte Transformation in einen Martensitzustand dadurch bereitzustellen, daß eine Wand des Metallelements in innigen Kontakt mit einer formgebenden Fläche einer formgebenden Matrize gebracht wird. Härten auf diese Art kann zum Verstärken des Metallelements erfolgversprechend sein. Die Erzeugung von Troostit, Sorbit oder dergleichen zusammen mit oder anstatt von Martensit ist ebenfalls zulässig. Troostit oder Sorbit werden leicht gebildet, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit kleiner ist als die, welche zum Erzeugen von Martensit erforderlich ist.

Im Fall, wo das Metallelement auf Eisen basiert, kann es zum Verbessern der Härtungseigenschaften ein Legierungselement mit einem hohen multiplizierenden Faktor enthalten. Legierungselemente mit einem hohen multiplizierenden Faktor schließen Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Nickel, Chrom und Molybdän ein, und wenigstens eines dieser Legierungselemente kann in dem Metallelement enthalten sein. Für den Fall, daß das Metallelement aus einem Material auf Eisen-Basis ist, existieren viele Fälle, in denen der Gehalt wenigstens eines der oben beschriebenen Legierungselemente zum Transformieren des Materials in ein solches hoher Spannung erhöht wird.

Für die formgebende Matrize kann eine Ausführungsform verwendet werden, bei der die formgebende Matrize eine Kühleinrichtung zum Kühlen der formgebenden Matrize aufweist. Bezüglich der Kühleinrichtung kann wenigstens eines der folgenden Systeme verwendet werden: ein System, in dem ein Kühldurchgang innerhalb der formgebenden Matrize ausgebildet ist und ein Kühlmittel wie etwa Kühlwasser, Kühlgas oder dergleichen im Kühldurchgang ist; und ein System, in dem ein Kühlmittel wie etwa Kühlwasser, Kühlgas oder dergleichen in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize gebracht wird. Ein Material der formgebenden Matrize schließt ein Metall ein, welches sowohl gute thermische Leitfähigkeit als auch gute Beständigkeit aufweist, wie etwa Kohlenstoffstahl, Legierungsstahl und dergleichen.

Gemäß dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Wand des Metallelements ausgebaucht und/oder verformt, um durch Erhöhen des Innendrucks eines in einem Hohlraum des Metallelements enthaltenen Gases in Kontakt mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize zu kommen. Für einen Arbeitsvorgang zum Erhöhen des Innendrucks kann eine Ausführungsform verwendet werden, bei der ein Arbeitsvorgang dadurch ausgeführt wird, daß Gas in den Hohlraum des Metallelements zugeführt wird. Das in den Hohlraum zuzuführende Gas kann wenigstens eines aus der Gruppe bestehend aus Luft, Stickstoffgas, stickstoffreichem Gas, Argongas und argonreichem Gas sein. Der Begriff "stickstoffreiches Gas" bezieht sich auf ein Gas mit hoher Stickstoffkonzentration. Der Begriff "argonreiches Gas" bezieht sich auf ein Gas mit einer hohen Argonkonzentration.

Bezüglich des Arbeitsvorgangs zum Zuführen von Gas in den Hohlraum des Metallelements kann eine Ausführungsform verwendet werden, in der ein Arbeitsvorgang von einer Hochdruckgasversorgung durchgeführt wird, die zum Zuführen eines unter Hochdruck stehenden Gases geeignet ist. Unter Berücksichtigung der Formbarkeit des Metallelements ist der Druck des unter Hochdruck stehenden Gases vorzugsweise eher hoch. Der Druck des unter Hochdruck stehenden Gases kann z. B. auf nicht weniger als 10 MPa, nicht weniger als 15 MPa, nicht weniger als 20 MPa oder nicht weniger 30 MPa eingestellt werden. Berücksichtigt man jedoch die Anwendungen, liegt er vorzugsweise in einem Bereich von 15 bis 25 MPa, von 17 bis 23 MPa, oder von 19 bis 21 MPa, oder wird andernfalls auf 20 MPa eingestellt. Beispiele für Hochdruckgasversorgungsquellen umfassen eine Druckbombe, eine Werksluftversorgungsleitung und dergleichen.

Für das Metallelement kann eine Ausführungsform verwendet werden, in der das Metallelement eine Öffnung aufweist, welche mit seinem Hohlraum in Verbindung steht und durch eine sich verjüngende offene (z. B. konische) Wandfläche ausgebildet ist. In diesem Fall kann eine Ausführungsform verwendet werden, in der eine Öffnung des Metallelements durch direktes oder indirektes Anbringen einer Dichtung, welche eine der der sich verjüngenden offenen Wandfläche entsprechende Schräge aufweist, auf der sich verjüngenden offenen Wandfläche abgedichtet werden. In diesem Fall wird eine gute Abdichtung der sich verjüngenden, die Öffnung des Metallelements bildenden Wandfläche verwirklicht, da die Dichtung auf der sich verjüngenden offenes Wandfläche angebracht ist.

Als eine Ausführungsform des Verfahrens zum Formen des Metallelements kann das folgende Verfahren verwendet werden. Und zwar umfaßt das Verfahren die folgenden Schritte: Anordnen eines zylindrischen Metallelements mit einem Hohlraum in einer formgebenden Matrizen-Anordnung; Erhitzen des in der formgebenden Matrizen-Anordnung angeordneten Metallelements; Bringen einer vorgesehenen Oberfläche des Metallelements in innigen Kontakt mit einer vorgesehenen Fläche der formgebenden Matrizen-Anordnung durch Zuführen eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des Metallelements, welches in der formgebenden Matrizen-Anordnung erhitzt wird, um dadurch das Metallelement plastisch zu verformen; und Abschrecken des Metallelements unmittelbar nach der Verformung des Metallelements, durch Kühlen des Metallelements, während das Metallelement in der formgebenden Matrizen-Anordnung angeordnet ist.

Auch das folgende Verfahren kann zum Formen des Metallelements verwendet werden. Und zwar umfaßt das Verfahren die folgenden Schritte: Erhitzen eines zylindrischen Metallelements mit einem Hohlraum; Anordnen des erhitzten Metallelements in einer formgebenden Matrizen-Anordnung; Bringen des erhitzten Metallelements in innigen Kontakt mit einer vorgesehenen Fläche der formgebenden-Matrizen-Anordnung durch Zuführen eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des Metallelements, um dadurch das Metallelement plastisch zu verformen; und Abschrecken des Metallelements unmittelbar nach der Verformung des Metallelements, durch Kühlen der formgebenden-Matrizen-Anordnung, während das Metallelement in der formgebenden-Matrizen-Anordnung angeordnet ist.

Ein Metallelementprodukt mit einer gewünschten Form kann gemäß einer der hiervor genannten Verfahren hergestellt werden. Durch Verwendung einer der zuvor genannten Verfahren können sowohl Formung als auch bedeutende Verstärkung des Metallelements erreicht werden.

Als eine Vorrichtung zum Formen des Metallelements kann die folgende Vorrichtung verwendet werden. Die Vorrichtung umfaßt eine formgebende-Matrizen-Anordnung zum Anordnen eines zylindrischen Metallelements mit einem Hohlraum in einem Matrizenhohlraum der formgebenden Matrizen- Anordnung; eine Gasversorgungseinrichtung zum Zuführen eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des Metallelements, welches in der formgebenden Matrizen- Anordnung erhitzt ist; und
eine Kühleinrichtung zum Kühlen der formgebenden Matrizenanordnung, welche zum Abschreck-Härten des Metallelements konfiguriert ist, das in der formgebenden Matrizen-Anordnung angeordnet ist und plastisch verformt wird. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin eine Steuereinheit zum Steuern der Gasversorungseinrichtung, um Ausbauchen und/oder Verformen des Metallelements zusammen mit dessen Abschreck-Härten auszuführen. Als ein Gasversorgungsmittel kann eine Hochdruckgasversorgungsquelle (oder Leitungssystem) verwendet werden, welche eine Druckbombe, Ventil, Versorgungsleitungen etc. umfaßt.

Die Vorrichtung kann weiterhin eine Erhitzungseinrichtung zum selektiven Erhitzen des in dem Matrizenhohlraum der formgebenden Matrizen-Anordnung angeordneten Metallelements umfassen. In diesem Fall können als selektive Erhitzungseinrichtung Induktionsheizung oder Widerstandsheizung für das Meaallelement verwendet werden.

Beispiele

1. Beispiel

Ein erstes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 1 bis 3 erläutert. Dieses Beispiel ist ein Beispiel für die Anwendung einer Verstärkung durch ein abschreck-härtendes Verfahren, welches ein typisches abschreck-härtendes Verfahren ist, auf ein Metallelement 1. Das in einem formgebenden Verfahren dieses Beispiels verwendete Metallelement 1 weist eine zylindrische (röhrenförmige) Form mit einem Hohlraum 10 auf und ist aus einem Metall auf Eisen-Basis hergestellt. Das Metall auf Eisen-Basis ist vor dem Härten in einem Zustand hoher Spannung, d. h. ist in hochzugfesten Stahl umgewandelt worden und ist, genau gesagt, aus einem Metall auf Eisen-Basis mit einer Zugfestigkeit von nicht weniger als 600 MPa (= 60 kgf/m²) hergestellt, so daß dessen plastische Verformbarkeit nicht notwendigerweise genügend groß ist.
Gemäß diesem Beispiel werden, wie in Fig. 1 dargestellt, Öffnungen an jedem Ende des die Form eines geraden Rohres aufweisenden Metallelements erweitert, so daß ein jeweiliger erweiterter Teil 12, welcher sich in Richtung auf das Ende 12 ausdehnt, vorangehend ausgebildet wird. Eine sich verjüngende offene Wandfläche 13, welche eine innere Wandfläche des erweiterten Teils 12 ist, bildet eine Öffnung 13x, welche in Verbindung mit dem Hohlraum 10 steht.
Zunächst wird das Metallelement 1 in einem Erhitzungsschritt in einer Ofenkammer 20 eines Ofens 2 für eine vorbestimmte Zeit lang gehalten und bis auf einen zum Abschreck-Härten geeigneten Temperaturbereich erhitzt, d. h. einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem A1- Transformationspunkt. In diesem Fall kann das Metallelement, falls nötig, bis auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem A3- Transformationspunkt erhitzt werden. Dadurch wird die metallographische Struktur des Metallelements 1 ganz oder partiell in einen Austenitzustand überführt. Da die Ofenkammer 20 des Ofens 2 in einer nicht oxidierenden Atmosphäre gehalten wird, können Oxidation und Entkohlung des Metallelements 1 unterdrückt werden. Als die nicht- oxidierende Atmosphäre können eine Vakuumatmosphäre, eine reduzierende Atmosphäre, eine Inertgasatmosphäre von z. B. Argongas oder dergleichen den Umständen entsprechend verwendet werden.
Dann wird das bis auf einen Zieltemperaturbereich erhitzte Metallelement 1 wie oben beschrieben aus der Ofenkammer 20 entnommen, und, wie in Fig. 2 dargestellt, in einer formgebenden Matrize 3 angeordnet. Die formgebende Matrize 3 ist aus einem auf Stahl basierenden Material hergestellt, d. h. einem der typischen metallischen Materialien, und weist eine formgebende Fläche 31 auf, welche so ausgebildet ist, daß sie die Zielform aufzuweist. In diesem Fall wird vorzugsweise das Metallelement 1 zunächst derart angeordnet, daß ein verstärkungserfordernder Bereich einer Wand des Metallelements 1 nicht in Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gebracht wird. In der formgebenden Matrize 3 ist ein Kühldurchgang 33 als eine Kühleinrichtung ausgebildet, durch welchen ein Kühlmittel wie etwa Kühlwasser, Kühlgas oder dergleichen fließt. Wenn ein Kühlmittel wie etwa Kühlwasser, Kühlgas oder dergleichen durch den Kühldurchgang 33 fließt, wird die formgebende Matrize 3 gekühlt und fähig, ein geformtes Produkt des Metallelements 1 an der formgebenden Fläche (Matrizenhohlraumoberfläche) 31 der formgebenden Matrize abzuschrecken. Vorzugsweise wird die formgebende Matrize 3gekühlt, indem ein Kühlmittel wie etwa Kühlwasser, Kühlgas oder dergleichen vor oder während (oder inmitten) des vorgenannten Erhitzungsschritts durch den Kühldurchgang 33 der formgebenden Matrize 3 fließt.
In dem formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritt dieses Beispiels wird, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Satz von zwei Dichtungen 40, 41 mit je einer Dichtungsfläche 44 mit einer Schräge verwendet, welche der der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des erweiterten Teils 12 des Metallelements 1 entspricht. Die Dichtungen 40, 41 können aus Metall oder einem feuerfesten Material hergestellt sein. Die eine Dichtung 40 weist einen Durchgang 40a auf, welcher mit einer Hochdruckgasversorgungsquelle 5 zu verbinden ist. Die andere Dichtung 41 hat eine Dichtungsfunktion, wird aber nie mit der Hochdruckgasversorgungsquelle 5 verbunden. Die Hochdruckgasversorgungsquelle 5 wird zum Zuführen von unter Hochdruck stehendem Gas verwendet, und umfaßt Druckbombe 50 mit darin eingeschlossenem, unter Hochdruck stehendem Gas, Ventil 52 mit einem öffnenden/schließenden Ventil 51 zum Öffnen und Schließen der Druckbombe 50, Druckanzeige 53, welche als Druckerfassungsmittel zum Erfassen des Drucks des in der Druckbombe 50 eingeschlossenen Gases fungiert, und biegsame Versorgungsleitung 54, welche als ein Versorgungsdurchgang des aus dem Ventil 52 austretenden Gases fungiert.
Dann werden, wie in Fig. 2 dargestellt, die Dichtungen 40, 41 jeweils in den Öffnungen 13, welche an beiden Enden des Metallelements 1 angeordnet sind, befestigt, und eine Abdichtung wird dadurch erreicht, daß die Dichtungsfläche 44, direkt oder indirekt durch ein nicht dargestelltes Zwischenelement, auf der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des erweiterten Teils 12 des Metallelements 1 angebracht wird. In diesem Fall liegt ein Leerraum W zwischen der Wand 1a des Metallelements 1 und der formgebenden Fläche 31.
Im formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritt dieses Beispiels wird unter Hochdruck stehendes Gas (von z. B. 20 MPa) von der Hochdruckgasversorgungsquelle 5 in den Hohlraum 10 des Metallelements 1 zugeführt, wobei der Zustand der Abdichtung der Dichtungen 40, 41 an der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des erweiterten Teils 12 des Metallelements 1 wie oben beschrieben beibehalten wird. Konkreter erklärt wird das öffnende/schließende Ventil 51 der Hochdruckgasversorgungsquelle 5 geöffnet, damit ein unter Hochdruck stehendes, in der Druckbombe 50 der Hochdruckgasversorgungsquelle 5 enthaltenes Gas durch die Versorgungsleitung 54 und durch den durch die eine Dichtung 40 hindurch ausgebildeten Durchgang 40a in den Hohlraum 10 des Metallelements 1 zugeführt wird.
Dadurch wird der Innendruck des im Hohlraum 10 des Metallelements 1 enthaltenen Gases erhöht, um die Wand 1a des Metallelements 1 nach außen in radialer Richtung auszubauchen und/oder zu verformen. Folglich wird die Wand 1a in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gebracht. Dadurch wird die Wand 1a entlang eines Profils der formgebenden Fläche 31 wie in Fig. 3 dargestellt verformt. Zusätzlich wird die Wand 1a durch die formgebende Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gleichzeitig mit der Verformung abgeschreckt, so daß die Wand 1a gehärtet wird.
Vorzugsweise läßt man ein Kühlmittel wie etwa Kühlwasser, Kühlgas oder dergleichen durch einen durch die formgebende Matrize 3 hindurch ausgebildeten Kühldurchgang 33 fließen und kühlt die formgebende Matrize 3 direkt vor oder während (oder inmitten von) dem formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritt dieses Beispiels, um die Härtungseigenschaft zu verbessern.
Hinsichtlich des Gases, welches in den Hohlraum 10 des Metallelements 1 zuzuführen ist, kann je nach Umständen wenigstens eines aus der Gruppe bestehend aus Luft, Stickstoffgas, stickstoffreichem Gas, Argongas und argonreichem Gas verwendet werden. Im Hinblick auf eine Kostensenkung kann Luft verwendet werden. Berücksichtigt man eine Unterdrückung der Oxidation, so können Stickstoffgas, stickstoffreiches Gas, Argongas oder argonreiches Gas verwendet werden, von welchen jedes geringes oder keinerlei Oxidationsvermögen aufweist. Nach Beenden der Verformung und der Härtung des Metallelements 1 wie oben beschrieben, wird Metallelement 1 von den Dichtungen 40, 41 und aus der formgebenden Matrize 3 entfernt.
Wie oben beschrieben, wird das Metallelement 1 gemäß diesem Beispiel im Verlaufe der Formung/Ausbauchung bis auf einen gewissen Temperaturbereich erhitzt. Demgemäß kann die plastische Verformbarkeit des Metallelements 1 sogar dann verbessert werden kann, wenn das Metallelement 1 aus einem metallischen Material hoher Spannung und geringer plastischer Verformbarkeit zusammengesetzt ist. Als Folge daraus können plastische Verformbarkeit und demgemäß Formbarkeit des Metallelements 1 verbessert werden.
Weiterhin wird gemäß diesem Beispiel die ausgebauchte und verformte Wand 1a des Metallelements 1 in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gebracht. Folglich kann Abführen von Hitze von und dadurch Härten der Wand 1a des Metallelements 1 verwirklicht werden. Demzufolge kann die Wand 1a des Metallelements 1 verstärkt werden. Dadurch können, wie oben beschrieben, gemäß dem in diesem Beispiel angewandten Verfahren gleichzeitig eine Verbesserung der Verformbarkeit der Wand 1a des Metallelements 1 und bedeutende Verstärkung desselben erreicht werden.
Gemäß diesem Beispiel, in dem das Metallelement 1 in obig offenbarter Weise verstärkt werden kann, kann trotz Verwendung des Metallelements 1, welches aus einem Metall auf Eisen-Basis mit einer Zugfestigkeit vor Härtung von nicht weniger als 600 MPa (= 60 kgf/mm²) hergestellt ist, das das Metallelement 1 bildende Metall auf Eisen-Basis verstärkt werden, so daß es eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 1000 MPa (= 100 kgf/mm²) oder von nicht weniger als 1200 MPa oder von nicht weniger als 1500 MPa, je nach Fall, aufweist.
Gemäß diesem Beispiel wird, wie zuvor beschrieben, in dem formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritt die Wand 1a des Metallelements 1 gehärtet und verstärkt, indem die ausgebauchte und verformte Wand 1a des Metallelements 1 in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gebracht wird. Es kann, wenn die Erhitzungstemperatur des Metallelements 1 und das Kühlvermögen der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 in geeigneter Weise gesteuert werden, bezüglich der Dickenrichtung der Wand 1a des Metallelements 1 eine Kühlgeschwindigkeit von einer Oberflächenschicht 1c (äußere Oberflächenschicht), die der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gegenüberliegt und in innigem Kontakt mit derselben steht, größer gemacht werden als die der anderen Oberflächenschicht 1d (innere Oberflächenschicht), die von der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 weg weisend liegt.
Mit anderen Worten kann im Hinblick auf die Dickenrichtung der Wand 1a des Metallelements 1 die Kühlgeschwindigkeit der Oberflächenschicht 1d (innere Oberflächenschicht) kleiner als die der Oberflächenschicht 1c (äußere Oberflächenschicht) gemacht werden. Folglich kann bezüglich der Dickenrichtung der Wand 1a des Metallelements 1 eine Härtungseigenschaft der Oberflächenschicht 1c (äußere Oberflächenschicht) verstärkt werden, um diesen Bereich bedeutend zu verstärken, und eine Härtungseigenschaft der Oberflächenschicht 1d (innere Oberflächenschicht) kann auch unterdrückt werden, um die Zähigkeit (toughness) dieses Bereichs sicherzustellen. In der Dickenrichtung der Wand 1a des Metallelements 1 kann nämlich das Ausmaß der Härtung und Verstärkung verändert werden, und auch eine Bewirkung der Zunahme von sowohl Stärke als auch Schlagbiegefestigkeit des Metallelements 1 kann erwartet werden.
Zusätzlich wird gemäß diesem Beispiel die Abdichtung der Öffnung 13x des Metallelements 1 ausgeführt unter Verwendung von: den Dichtungen 40, 41, die jeweils Dichtungsfläche 44 mit einer Schräge aufweisen, die der der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des erweiterten Teils 12 des Metallelements 1 entspricht; und Pressen der Dichtungen 40, 41 an die sich verjüngende offene Wandfläche 13 des erweiterten Teils 12 des Metallelements 1. Folglich kann eine gute abdichtende Eigenschaft eines Grenzbereichs zwischen dem Metallelement 1 und den Dichtungen 40, 41 sichergestellt werden. Folglich kann eine Überführung des Hohlraums 10 des Metallelements 1 in einen Hochdruckzustand effektiv erreicht werden. Daher kann die Ausbauchungs- und/oder Verformungsfähigkeit der Wand 1a des Metallelements 1 verbessert werden.
Gemäß diesem Beispiel kann der erweiterte Teil 12, wenn der erweiterte, an jedem der Enden des Metallelements 1angeordnete Teil 12 nach Härten unnötig ist, durch Abschneiden entfernt werden. Oder andernfalls kann der erweiterte Teil 12 so belassen werden, wie er ist, wenn er notwendig ist.

(2. Beispiel)

Ein zweites Beispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf Fig. 4 und 5 konkret erläutert. Aufbau, Arbeit und Effekt dieses Beispiels sind im wesentlichen die gleichen wie die des ersten Beispiels. Eine Erklärung dieses Beispiels wird mit Schwerpunkt auf dem Unterschied zum ersten Beispiel wie folgt gegeben. Dieses Beispiel ist ein Beispiel für die Anwendung einer Verstärkung durch ein härtendes Verfahren, welches ein typisches abschreck-verstärkendes Verfahren ist, auf ein Metallelement 1, auf die gleiche Art wie im ersten Beispiel offenbart. Das in einem formgebenden Verfahren dieses Beispiels verwendete Metallelement hat eine zylindrische Form mit einem Hohlraum 10 und ist aus einem härtungsgeeigneten Metall auf Eisen-Basis hergestellt. Das Metall auf Eisen-Basis ist hergestellt, eine hohe Spannung aufzuweisen, d. h. zum bedeutenden Verstärken in hochfesten Stahl umgewandelt zu werden, so daß seine plastische Verformbarkeit nicht notwendigerweise genügend ist.
Zunächst wird in einem Erhitzungsschritt das Metallelement 1 in einer formgebenden Matrize 3 so angeordnet, daß eine Wand 1a des Metallelements 1 einer formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gegenüberliegt. In diesem Fall wird das Metallelement 1 vorzugsweise so angeordnet, daß ein verstärkungserfordernder Teil der Wand 1a des Metallelements 1 nicht in Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 kommt. Dann wird, wie in Fig. 4 dargestellt, ein elektrisch leitfähiges, spulenförmiges Element 6 zum Induktionserhitzen in dem Hohlraum 10 des Metallelements 1 angeordnet. Und zwar ist das leitfähige Element 6 zum Induktionserhitzen derart ausgebildet, daß es mit dem der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gegenüberliegenden Metallelement 1 schließt. In diesem Erhitzungsschritt werden die formgebende Matrize 3 und das Metallelement 1 vorzugsweise in einem Zustand belassen, in dem sie keinen Kontakt miteinander haben, um zu vermeiden, daß eine Temperatur der formgebenden Matrize 3 erhöht wird und auch die Temperatur des Metallelements 1 verringert wird.
Wie oben beschrieben wird Metallelement 1 induktionserhitzt, indem ein Hochfrequenz-Wechselstrom an das leitfähige Element 6 angelegt wird, während das leitfähige Element 6 zum Induktionserhitzen nahe dem Metallelement 1 in dem Hohlraum 10 des Metallelements 1 angeordnet ist. Der Wechselstrom zum elektrischen Erregen des leitfähigen Elements 6 sollte Frequenz- und Stromwerte aufweisen, die zum Induktionserhitzen eines verstärkungserfordernden Teils in der Wand 1a des Metallelements 1 bis auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem A1- oder A3-Transformationspunkt geeignet sind. Im Fall des Induktionserhitzens der Wand 1a des Metallelements 1 durch Anlegen eines Hochfrequenz- Wechselstroms an das leitfähige Element 6 auf diese Art kann eine Oberflächenschicht der Wand 1a des Metallelements 1 effizient erhitzt werden, da ein Naheffekt, welcher zum effizienten Erhitzen der nahe dem elektrisch leitfähigen Element in dem Metallelement liegenden Oberflächenschicht geeignet ist, und auch ein Hauteffekt, welcher durch das Durchfließen von elektrischem Strom durch die Oberflächenschicht des Metallelements entsteht, erwartet werden können. Als eine Folge solchen Induktionserhitzens wird die gesamte oder teilweise metallographische Struktur des Metallelements 1 innerhalb kurzer Zeit in einen Austenitzustand überführt.
Gemäß diesem Beispiel wird die Erhöhung einer Temperatur der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 im Erhitzungsschritt zum Induktionserhitzen des Metallelements 1 unterdrückt, so daß ein wärmeisolierendes Element 9 zwischen der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 und dem Metallelement 1, wie in Fig. 4 dargestellt, angeordnet werden kann, falls nötig. Das wärmeisolierende Element 9 weist vorzugsweise gute thermisch isolierende Eigenschaften und auch gute magnetflußabschirmende Eigenschaften auf. Vorzugsweise wird ein Kühlmittel, wie etwa Kühlwasser, Kühlgas oder dergleichen durch einen Kühldurchgang 33 der formgebenden Matrize 3 fließen gelassen und die formgebende Matrize 3 dadurch vor oder inmitten des oben beschriebenen Erhitzungsschritts gekühlt.
Dann wird nach Beenden des Erhitzungsschritts im Fall der Verwendung des wärmeisolierenden Elements 9 das wärmeisolierende Element 9 von der formgebenden Matrize 3 entfernt. Nach Vollendung des obig beschriebenen Erhitzungsschritts wird ein formgebender und abschreckverstärkender Schritt ausgeführt. Und zwar wird die formgebende Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 nahe dem Metallelement 1 angeordnet. In diesem Fall liegt, wie in Fig. 5 dargestellt, ein Leerraum W zwischen der Wand 1a des Metallelements 1 und der formgebenden Fläche 31. Weiterhin wird auf die gleiche Weise wie im ersten Beispiel, wie in Fig. 5 dargestellt, unter Verwendung von Dichtungen 40, 41, die jeweils eine der der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des Metallelements 1 entsprechende Schräge aufweisen, eine Abdichtung ausgeführt, indem die Dichtungen 40, 41, direkt oder indirekt durch ein Zwischenelement, auf der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des Metallelements angebracht werden.
Unter Beibehaltung eines Abdichtungszustandes durch Anbringen der Dichtungen (Dichtungselemente) 40, 41 auf der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des erweiterten Teils 12 des Metallelements 1 in obig beschriebener Weise wird unter Hochdruck stehendes Gas, welches in einer Druckbombe 50 einer Hochdruckgasversorgung 5 enthalten ist, durch Versorgungsleitung 54 und Durchgang 40a der Dichtung 40 in den Hohlraum 10 des Metallelements 1 zugeführt, indem ein öffnendes/schließendes Ventil 51 geöffnet wird. Als Folge davon wird der Innendruck des in dem Hohlraum 10 des Metallelements 1 enthaltenen Gases erhöht, und folglich wird die Wand 1a des Metallelements 1 ausgebaucht und in ihrer radialen Richtung verformt, um in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 zu gelangen. Dadurch wird die Wand 1a des Metallelements 1 entlang der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 verformt, um einen formgebenden und abschreckverstärkenden Schritt zu vollenden.
Vorzugsweise wird die formgebende Matrize 3 gekühlt, indem ein Kühlmittel wie etwa Kühlwasser, Kühlgas oder dergleichen durch den Kühldurchgang 33 der formgebenden Matrize 3 vor oder inmitten des formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritts dieses Beispiels fließt, um eine Härtungseigenschaft zu verbessern.
Wie oben erklärt, ist gemäß diesem Beispiel das Metallelement 1 aus einem Metall auf Eisen-Basis hergestellt, welches wegen der Umwandlung in einen Hochspannungszustand (oder hochfesten Stahl) nicht notwendigerweise genügende plastische Verformbarkeit aufwe ist. Das Metallelement 1 wird jedoch im Verlauf der Verformung durch Ausbauchung bis auf einen Temperaturbereich erhitzt, so daß die plastische Verformbarkeit des Metallelements 1 verbessert werden kann, und so daß Ausbauchungs- und/oder Verformungsfähigkeit und demgemäß Formbarkeit des Metallelements 1 verbessert werden können.
Weiterhin wird gemäß diesem Beispiel die Wand 1a des Metallelements 1, das auf nicht weniger als die Härtungstemperatur induktionserhitzt ist, ausgebaucht und/oder verformt, um in dem formgebenden und abschreckverstärkenden Schritt in Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gebracht zu werden. Als Folge davon kann die Wand 1a des Metallelements 1 gehärtet werden. Demgemäß kann das Metallelement 1 verstärkt werden. Folglich können in diesem Beispiel in gleicher Weise wie im ersten Beispiel gleichzeitig sowohl Formbarkeit der Wand 1a des Metallelements 1 als auch bedeutende Verstärkung derselben erreicht werden.
Außerdem wird das Induktionserhitzen des Metallelements 1 durch Anlegen eines Hochfrequenz-Wechselstroms an das leitfähige Element 6 ausgeführt, während das leitfähige Element zum Induktionserhitzen nahe der Wand 1a des der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gegenüberliegenden Metallelements 1 angeordnet ist. Demgemäß kann die Wand 1a des Metallelements 1 ausgebaucht und/oder verformt werden, um durch Öffnen eines öffnenden/schließenden Ventils 51 einer Ventilsteuereinheit 52, unmittelbar nach Erhitzen der Wand 1a des Metallelements 1 bis auf einen Zieltemperaturbereich, und Zuführen von unter Hochdruck stehendem, in der Druckbombe 50 der Hochdruckgasversorgung 5 enthaltenem Gas in den Hohlraum 10 des Metallelements 1 geformt zu werden. Folglich kann ein Schritt eliminiert werden, bei dem das auf einen Zieltemperaturbereich erhitzte Metallelement 1 aus einem Ofen 2 genommen und dann in die formgebende Matrize 3 gebracht wird, und ein Absinken einer Temperatur des Metallelements kann unterdrückt werden. Dadurch kann die Temperatur der Wand 1a des Metallelements 1 unmittelbar vor dem Schritt des Formens und Härtens des Metallelements 1 so hoch wie möglich gehalten werden, so daß sowohl Formen als auch Härten des Metallelements 1 gut ausgeführt werden können. Die Ventilsteuereinheit 52 steuert den Gasdruck und die zeitliche Abstimmung von Öffnen/Schließen des Ventils 51. Die Ventilsteuereinheit 52 arbeitet in Kooperation mit oder unter Steuerung einer zentralen Steuereinheit (nicht dargestellt) zum Steuern des gesamten Prozesses des Formungsverfahrens einschließlich Schließungs-/Öffnungsbewegung der Matrizen-Anordnung, elektrischen Erregens der Erhitzungsmittel (d. h. Bereitstellen elektrischen Stroms), Bereitstellen von Kühlmedium, Anordnen/Entfernen des Metallelements, und Einführen/ Herausziehen eines Isolators, Steuerung der Temperatur der betreffenden Bereiche, etc.
Zusätzlich kann gemäß diesem Beispiel durch die formgebende Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 Härtungsverstärkung zu der Zeit ausgeführt werden, an der die Wand 1a des Metallelements 1 in Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 kommt.
In diesem Beispiel wird durch Anbringen der Dichtungen 40, 41 auf der sich verjüngenden offenen (z. B. konischen) Wandfläche 13 des Metallelements 1 eine Abdichtung nach Ausführen des Erhitzungsschritts zum Erhitzen des Metallelements 1 ausgeführt. Die Abdichtung ist jedoch nicht auf diese Art beschränkt, und die Dichtungen 40, 41 können inmitten von oder vor dem Erhitzungsschritt zum Erhitzen des Metallelements 1 auf der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des Metallelements 1 angebracht werden.

3. Beispiel

Ein drittes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird konkret wie folgt mit Bezug auf Fig. 6 und 7 dargestellt. Im wesentlichen werden in diesem Beispiel gleicher Aufbau, Arbeit und Effekt wie im zweiten Beispiel verwendet. Dieses Beispiel wird nachstehend mit Schwerpunkt auf dem Unterschied zum zweiten Beispiel erklärt. In einem Erhitzungsschritt wird ein Metallelement 1 in den Matrizenhohlraum einer formgebenden Matrize 3 angeordnet, so daß eine Wand 1a des Metallelements 1 einer formgebenden Fläche der formgebenden Matrize 3 gegenüberliegt. In diesem Fall wird das Metallelement 1 vorzugsweise derart angeordnet, daß ein verstärkungserfordernder Teil des Metallelements 1 nicht in Kontakt mit der formgebenden Fläche 13 der formgebenden Matrize 3 kommt.
Dann wird das Metallelement 1 durch Widerstandserhitzen bis auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem A1- oder A3-Transformationspunkt erhitzt. Und zwar werden, wie in Fig. 6 dargestellt, Anschlüsse 7 mit einem erweiterten Teil 12, d. h. einem Randbereich des Metallelements 1, welches der formgebenden Fläche 13 der formgebenden Matrize 3 gegenüberliegt, verbunden und unter Beibehaltung dieses Zustands wird die Wand 1a des Metallelements 1 bis auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem A1- oder A3-Transformationspunkt durch Joulewärme mittels elektrischen Erregens des Metallelements 1 von den Anschlüssen 7 erhitzt. Der jeweilige Anschluß kann aus einem gut elektrisch leitfähigen Metall hergestellt sein, wie etwa einem Metall auf Kupfer-Basis, Aluminium-Basis, Titan-Basis oder Eisen- Basis, oder dergleichen. Ein elektrischer Strom zum elektrischen Erregen des Metallelements 1 von den Anschlüssen 7 kann Gleichstrom oder Wechselstrom sein.
In dem Fall, wo das Metallelement 1 durch Anlegen eines Wechselstroms durch die Anschlüsse 7 elektrisch erregt wird, kann dessen Frequenz je nach Umständen in einem niedrigen, mittleren oder hohen Frequenzbereich liegen. In dem Fall, wo das Metallelement 1 durch Anlegen eines Hochfrequenzwechselstroms durch die Anschlüsse 7 elektrisch erregt wird, kann eine Oberflächenschicht der Wand 1a des Metallelements 1 effizient erhitzt werden, da ein Hauteffekt, welcher durch das Durchfließen eines elektrischen Stroms durch die Oberflächenschicht des Metallelements 1 entsteht, erwartet werden kann.
Auch in diesem Beispiel werden in einem formgebenden und abschreck-härtenden Schritt, wie in Fig. 7 dargestellt, Dichtungen 40, 41 verwendet, welche jeweils eine Schräge aufweisen, die der einer sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 eines erweiterten Teils 12 des Metallelements 1 entspricht. Dann wird durch Anbringen der Dichtungen 40, 41 auf der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des erweiterten Teils 12 des Metallelements eine Abdichtung direkt oder indirekt durch ein Zwischenelement ausgeführt. Unter Beibehaltung eines Dichtungszustands durch Anbringen der Dichtungen 40, 41 auf der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des Metallelements 1 auf diese Art wird ein öffnendes/schließendes Ventil 51 geöffnet, um unter Hochdruck stehendes, in einer Druckbombe 50 einer Hochdruckgasversorgung 5 enthaltenes Gas durch Versorgungsleitung 54 und Durchgang 40a, welcher durch die Dichtung 40 hindurch ausgebildet ist, in einen Hohlraum 10 des Metallelements 1 zuzuführen. Demgemäß wird der Innendruck des in dem Hohlraum 10 des Metallelements 1 enthaltenen Gases erhöht, und die Wand 1a des Metallelements 1 wird ausgebaucht und radial verformt, um in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 zu gelangen. Folglich wird die Wand 1a des Metallelements 1 entlang (und entsprechend einem inneren Profil von) der formgebenden Matrize 31 verformt.
Wie oben erklärt, wird gemäß diesem Beispiel das Metallelement 1 im Verlaufe der Verformung durch Ausbauchen in gleicher Weise wie in Beispiel 1 und 2 bis auf einen Hochtemperaturbereich erhitzt, die plastische Verformbarkeit des Metallelements 1 kann verbessert werden, und Ausbauchungs-/Verformungsfähigkeit und Formbarkeit des Metallelements 1 können selbst in dem Fall verbessert werden, in dem das Metallelement 1 aus einem Metall auf Eisen-Basis hergestellt ist, welches in einen Hochspannungszustand überführt wurde.
Weiterhin kann gemäß diesem Beispiel die Wand 1a des Metallelements 1 durch Verformen/Ausbauchen der Wand 1a des Metallelements 1, welches bis auf eine Härtungstemperatur oder höher induktionserhitzt ist, um in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 zu gelangen, gehärtet und dadurch verstärkt werden. Folglich können gemäß diesem Beispiel sowohl Formbarkeit der Wand 1a des Metallelements 1 und bedeutende Stärkung derselben erreicht werden.
Außerdem wird gemäß diesem Beispiel das Metallelement 1 durch elektrisches Erregen von den Anschlüssen 7 erhitzt, während die Anschlüsse 7 mit dem der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gegenüberliegenden Metallelement 1 verbunden sind. Demgemäß kann die Wand 1a des Metallelements 1 ausgebaucht und verformt werden, indem unter Hochdruck stehendes Gas unmittelbar nach Erhitzen der Wand 1a des Metallelements 1 in den Hohlraum 10 des Metallelements 1 zugeführt wird. Folglich kann ein Schritt weggelassen werden, bei dem das bis auf einen Zieltemperaturbereich erhitzte Metallelement 1 aus einem Ofen 2 genommen wird, und das herausgenommene Metallelement zur formgebenden Matrize 3 getragen wird, und es kann ein Absinken der Temperatur des Metallelements 1 unterdrückt werden. Dadurch kann eine Temperatur des Metallelements 1 in einem Zustand unmittelbar vor den formgebenden und härtenden Schritten des Metallelements 1 hoch gehalten werden. Dadurch können sowohl Formung als auch Härten des Metallelements 1 gut ausgeführt werden, während ein Temperaturabfall des erhitzten Metallelements 1 unterdrückt wird.
Außerdem kann gemäß diesem Beispiel, um einen Temperaturanstieg der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 in dem Erhitzungsschritt zu vermeiden, ein wärmeisolierendes Element 9 zwischen der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 und dem Metallelement 1, wie in Fig. 6 dargestellt, je nach Bedarf angeordnet werden. Ein bevorzugtes wärmeisolierendes Element 9 ist ein solches, das gute thermische Isolierung und magnetflußabschirmende Eigenschaften bereitstellt.

4. Beispiel

Ein viertes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend konkret mit Bezug auf Fig. 8 und 9 erklärt. Aufbau, Funktion und Effekt dieses Beispiels sind im wesentlichen die gleichen wie die des zweiten Beispiels. Dieses Beispiel wird wie folgt mit Schwerpunkt auf dem Unterschied zum zweiten Beispiel dargestellt. Auch in diesem Beispiel wird ein Metallelement 1 vorzugsweise so angeordnet, daß in einem Erhitzungsschritt ein verstärkungserfordernder Teil eines Metallelements 1 nicht in Kontakt mit einer formgebenden Fläche 31 einer formgebenden Matrize 3 gelangt. In diesem Fall liegt eine Wand 1a des Metallelements 1 der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gegenüber.
Auch in diesem Beispiel wird das Metallelement 1 durch Widerstandserhitzen bis auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem A1- oder A3-Transformationspunkt erhitzt. Und zwar werden, wie in Fig. 8 dargestellt, Anschlüsse 7 mit einem erweiterten (z. B. sich verjüngenden oder konischen) Teil 12, d. h. einem Randbereich des Metallelements 1, welches der formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gegenüberliegt, verbunden, und unter Beibehaltung dieses Zustands wird die Wand 1a des Metallelements 1 durch Joulewärme durch elektrisches Erregen des Metallelements 1 von den Anschlüssen 7 erhitzt. Weiterhin wird ein elektrisch leitfähiges Element 6 zum Induktionserhitzen in einem Hohlraum 10 des Metallelements 1 angeordnet und dann ein Hochfrequenzwechselstrom an das leitfähige Element 6 angelegt. Dadurch wird die Wand 1a des Metallelements 1 induktionserhitzt.
Auf diese Art werden Widerstandserhitzung durch elektrisches Erregen unter Verwendung der Anschlüsse 7 und Induktionserhitzen unter Verwendung des elektrisch leitfähigen Elements 6 zum Induktionserhitzen in Kombination zum Erhitzen des Metallelements 1 gemäß diesem Beispiel angewandt, so daß das Metallelement 1 effizient erhitzt werden kann. Insbesondere ist das leitfähige Element 6 zum Induktionserhitzen nahe einem Teil angeordnet, welcher den höchsten Grad an Verformung erfordert oder einem Teil, welcher am meisten Verstärkung durch Härtung der Wand 1a des Metallelements 1 bedarf, so daß jeglicher Teil effizient bis auf einen Temperaturbereich erhitzt werden kann, und so daß plastische Verformbarkeit und Härtungseigenschaft des Teils verbessert werden können. Wie aus Fig. 9 ersichtlich, wird der formgebende/abschreck-härtende Schritt im vorliegenden Beispiel gleich dem im zweiten Beispiel ausgeführt.

Angewandtes Beispiel

Fig. 10 stellt ein angewandtes Beispiel der vorliegenden Erfindung dar. In diesem angewandten Beispiel 1 wird ein Metallelement 1B von gerade-röhrenförmiger Form verwendet. Auf das Metallelement 1B von gerade-röhrenförmiger Form werden Erhitzungsschritt und formgebender und abschreckverstärkender Schritt angewandt, welche die gleichen sind wie die eines jeden obig beschriebenen Beispiels. Fig. 11 stellt ein angewandtes Beispiel 2 der Erfindung dar. In diesem angewandten Beispiel 2 wird ein röhrenförmiges Metallelement 1C verwendet, welches aus der vorangehenden Formung eines (kurbelähnlichen) gebogenen Teils 1s, z. B. durch mechanisches Preßarbeiten, resultiert. Weiterhin ist in diesem Metallelement 1C eine Rille 1s durch Ausstanzen etc. geformt. Dann wird auf das gerillte Metallelement 1C ein Erhitzungsschritt und formgebender und abschreckverstärkender Schritt im wesentlichen gemäß jeglichem der voranstehenden Beispiele angewandt. In der vorliegenden Erfindung kann ein Metallelement 1 angewandt werden, um einen Balken zur Verwendung in einem Fahrzeugsuspensionsmechanismus, ein Suspensionselement, oder eine an einer Stoßstange anzubringende Stoßstangenverstärkung auszubilden. Andernfalls kann es auch angewandt werden auf eine zentrale Säule, die zwischen Vorder- und Rücksitzen eines Fahrzeugs angeordnet ist, oder eine zentrale Säulenverstärkung, die an eine zentrale Säule zum Verstärken derselben anzubringen ist. Es ist zu beachten, daß das ausbauchende-/abschreckhärtende Verfahren am besten als ein einheitliches Verfahren für das Formungs-/Verstärkungsstadium geeignet ist.

Andere

Gemäß dem oben beschriebenen ersten Beispiel wird an beiden Enden des Metallelements 1 ein erweiterter Teil 12 ausgebildet. Jedoch können die Dichtungen 40, 41 an den beiden Enden des Metallelements 1 auch ohne Ausbildung des erweiterten Teils 12 angebracht werden. Weiterhin braucht der erweiterte Teil 12 des Metallelements 1 nicht vor Erhitzen ausgebildet zu werden und kann gleichzeitig mit dem Abdichten nach Erhitzen ausgebildet werden. Eine Dichtungsfläche 44 der Dichtungen 40, 41 weist eine Schräge von konischer Oberflächenform gemäß dem oben beschriebenen ersten Beispiel auf, ist aber nicht auf diesen Typ beschränkt und kann gerade-zylindrisch sein.
Gemäß dem ersten Beispiel weist eine Dichtung 40 einen Durchgang 40a auf, welcher mit einer Hochdruckgasversorgung 5 zu verbinden ist, während die andere Dichtung 41 Dichtungsfunktion hat und nicht mit der Hochdruckgasversorgung 5 verbunden ist. Dies ist nicht einschränkend, und auch in der anderen Dichtung 40 kann ein mit der Hochdruckgasversorgung 5 zu verbindender Durchgang ausgebildet sein. In diesem Fall wird von beiden Enden des Metallelements 1 her unter Hochdruck stehendes Gas zugeführt.
Weiterhin umfaßt die Hochdruckgasversorgung 5 gemäß dem ersten Beispiel: Druckbombe 50 mit darin eingeschlossenem, unter Hochdruck stehendem Gas, sowie Ventilsteuereinheit 52 mit einem öffnenden/schließenden Ventil 51 zum Öffnen und S chließen der Druckbombe 50, Druckanzeige 53, welche als Druckerfassungsmittel zum Erfassen des Drucks des in der Druckbombe 50 eingeschlossenen Gases fungiert, und biegsame Versorgungsleitung 54, welche als ein Versorgungsdurchgang für aus der Ventilsteuereinheit 52austretendes Gas fungiert. Dies ist jedoch nicht einschränkend, und es kann sofortiges Ausbauchen und/oder Verformen des Metallelements 1 durch Gas in einem Hochdruckzustand verwendet werden. Grundsätzlich ist es nur erforderlich, daß die Hochdruckgasversorgungsquelle 5 vermag, Gas in einen Hohlraum 10 des Metallelements 1 zuzuführen und dadurch das Metallelement 1 zu verformen/auszubauchen.
Weiterhin wird gemäß dem ersten Beispiel ein das Metallelement 1 konstituierende Metall auf Eisen-Basis vor Härten in einen Hochspannungszustand oder hochfesten Stahl überführt und weist eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 600 MPa (= 60 kgf/mm²) auf, dies ist jedoch nicht einschränkend. Ein das Metallelement 1 konstituierendes Material kann gewöhnlicher Kohlenstoffstahl oder Legierungsstahl sein und muß grundsätzlich nur geeignet sein, durch eine formgebende Fläche 31 einer formgebenden Matrize abgeschreckt und verstärkt zu werden.
Weiterhin wird gemäß dem ersten Beispiel ein Erhitzungsschritt zum Erhitzen des Metallelements 1 getrennt von einem formgebenden und abschreckverstärkenden Schritt zum Ausbauchen/Verformen einer Wand 1 des Metallelements 1 ausgeführt, dies ist jedoch nicht einschränkend. Das Metallelement 1 kann je nach Fall inmitten des formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritts erhitzt werden. Zum Beispiel kann das Metallelement in einem frühen Stadium oder einem mittleren Stadium des Ausbauchens/Verformens der Wand 1a des Metallelements 1 erhitzt werden.
Gemäß dem in Fig. 6 dargestellten dritten Beispiel werden die Anschlüsse 7 mit jeweils einem Ende des Metallelements 1 verbunden. Struktur und Material des jeweiligen Erregerelements 7 kann den Umständen entsprechend ausgewählt werden. Grundsätzlich müssen die Erregerelemente 7 nur dazu geeignet sein, das Metallelement 1 elektrisch zu erregen und dadurch widerstandszuerhitzen. Gemäß dem dritten Beispiel ist das jeweilige Erregerelement 7 mit dem Ende des Metallelements 1 verbunden, dies ist jedoch nicht einschränkend, und das Erregerelement 7 kann mit einer mittleren Position des Metallelements 1 verbunden werden.
Gemäß den oben beschriebenen zweiten und dritten Beispielen stehen die formgebende Matrize 3 und das Metallelement 1 nicht in Kontakt miteinander, dies ist jedoch nicht beschränkend. Die formgebende Matrize 3 kann im Erhitzungsschritt zu dem Zweck in teilweisem Kontakt mit dem Metallelement 1 stehen, um das Metallelement 1 und dergleichen zu halten. Auch in anderen Aspekten ist die vorliegende Erfindung nicht lediglich auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, und es können den Umständen entsprechend in den Schutzbereich der Erfindung fallende Modifikationen vorgenommen werden.

Anhang

Die folgenden technischen Ideen können aus der obigen Beschreibung herausgelesen werden.

Anhang Punkt 1

Ein Verfahren zum Formen eines Metallelements, umfassend die folgenden Schritte: Verwendung eines zylindrischen Metallelements mit einem Hohlraum und hergestellt aus einem Metall auf Eisen-Basis in einem Zustand hoher Spannung, und formgebender Matrizenanordnung mit (einem Matrizenhohlraum mit) einer formgebenden Fläche; und Ausführen eines formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritts unter Erhöhung des Innendrucks von Gas, welches in dem Hohlraum des Metallelements enthalten ist, das bis auf einen Temperaturbereich erhitzt ist, welcher zum Abschreck-Verstärken zum Ausbauchen und/oder Verformen der Metallelementwand geeignet ist, Formen der ausgebauchten und/oder verformten Wand, indem diese in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche gebracht wird und Abschreck- Verstärken der Wand. In diesem Fall kann das aus einem auf Eisen basierenden Metall von hoher Spannung hergestellte Metallelement noch weiter verstärkt werden, während seine Formbarkeit sichergestellt ist.

(Anhang Punkt 2)

Ein Verfahren zum Formen eines Metallelements, umfassend die folgenden Schritte: Verwendung eines zylindrischen Metallelements mit einem Hohlraum und einer formgebenden Matrizenanordnung mit (einem Matrizenhohlraum mit) einer formgebenden Fläche; und Ausführen eines Erhitzungsschritts unter Erhitzen des Metallelements bis auf einen zum Abschreck-Verstärken und Formen geeigneten Temperaturbereich, und einem abschreck-verstärkenden Schritt unter Erhöhung des Innendrucks des in dem Hohlraum des erhitzten Metallelements enthaltenen Gases, um die Wand des Metallelements auszubauchen und/oder zu verformen, Formen der ausgebauchten und/oder verformten Wand, indem diese Wand in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize gebracht wird, und Abschreck-Verstärken der Wand.

Anhang Punkt 3

Ein Formungsverfahren zum Formen einer Zentralsäulenverstärkung, umfassend die folgenden Schritte: Verwendung eines zylindrischen Metallelements, welches auf eine Zentralsäulenverstärkung zum Verstärken einer Zentralsäule eines Fahrzeugs anzuwenden ist, mit einem Hohlraum, und einer formgebenden Matrizenanordnung mit einer formgebenden Fläche; und Ausführen eines formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritts unter Erhöhung des Innendrucks des Gases, welches in dem Hohlraum des Metallelements, welches bis zu einem abschreck-verstärkungsgeeigneten Temperaturbereich erhitzt ist, um die Wand des Metallelements auszubauchen und zu verformen, Formen der ausgebauchten und/oder verformten Wand, indem diese Wand in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche gebracht wird, und Abschreck- Verstärken der Wand. In diesem Fall kann eine bedeutende Stärkung der Zentralsäulenverstärkung verwirklicht werden, während die Formbarkeit derselben sichergestellt ist, um den Widerstand eines Fahrzeugs gegen Seitenkollision zu erhöhen.

(Anhang Punkt 4)

Ein Verfahren zum Formen eines Metallelements gemäß einem der anhängigen Ansprüche oder jeglichem vorangehenden Punkt, wobei das Erhitzen des Metallelements unter der Bedingung ausgeführt wird, daß das Metallelement innerhalb des Matrizenhohlraumes der formgebenden Matrize angeordnet ist.
Die verdienstvollen Effekte der vorliegenden Erfindung werden wie folgt zusammengefaßt.
Gemäß einem Verfahren zum Formen eines Metallelements der Erfindung wird ein Metallelement bis zu einem Abschreck- Verstärkungs-geeigneten Temperaturbereich erhitzt. Dann wird in einem formgebenden und abschreck-verstärkenden Schritt eine Wand des Metallelements ausgebaucht und verformt durch Erhöhen des Innendrucks von in einem Hohlraum des Metallelements enthaltenem Gas, Formen der ausgebauchten und/oder verformten Wand des Metallelements, indem diese Wand in innigen Kontakt mit einer formgebenden Fläche einer formgebenden Matrize gebracht wird und Abschreck-Verstärken der Wand. Das Metallelement befindet sich während des Ausbauchens/des Verformens in einem erhitzten Zustand, so daß die plastische Verformbarkeit des Metallelements verbessert wird und auch Ausbauchungs- und Verformungsfähigkeit und demgemäß Formbarkeit des Metalielements verbessert werden. Weiterhin wird das Metallelement in dem formgebenden und abschreck-härtenden Schritt abgeschreckt und verstärkt, indem die ausgebauchte und/oder verformte Wand des Metallelements in innigen Kontalct mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize gebracht wird. Demgemäß können gleichzeitig sowohl Formbarkeit des Metallelements als auch eine bedeutende Stärkung desselben erreicht werden.
Gemäß dem Verfahren zum Formen eines Metallelements der Erfindung kann, wenn die Erhitzungstemperatur des Metallelements in einem Erhitzungsschritt, Dicke des Metallelements, Kühlvermögen der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize in geeigneter Weise gesteuert werden, in Bezug auf die Dickenrichtung der Wand des Metallelements 1 eine Kühlgeschwindigkeit einer Oberflächenschicht, die der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize gegenüberliegt und in innigem Kontakt mit derselben steht, größer gemacht werden als die der anderen Oberflächenschicht, welche entgegengesetzt der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize angeordnet ist. Demgemäß kann im Hinblick auf die Dickenrichtung der Wand des Metallelements unter Verbesserung einer Härtungseigenschaft einer Oberflächenschicht, die der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize gegenüberliegt und in innigem Kontakt mit derselben steht, um diesen Teil in hohem Maße zu stärken, eine Härtungseigenschaft der anderen Oberflächenschicht, welche entgegengesetzt der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize angeordnet ist, auch unterdrückt werden, um eine Zähigkeit dieses Teils sicherzustellen.
Gemäß dem Verfahren zum Formen des Metallelements, dem resultierenden Metallelementprodukt und der Metallelementformungsvorrichtung kann die Wärmebehandlung des Metallelements (d. h. das Kühlen (Abschrecken) oder Erhitzen und Kühlen) ausgeführt werden, während das Metallelement innerhalb der Matrize (Matrizenanordnung) gehalten ist. Zum Beispiel kann eine Oberflächenhärtung des Metallelements durch Abschreck-Härten erreicht werden, welches durch die gekühlte Matrize verursacht wird. Demgemäß kann ein Metallelement, für welches das Formungsverfahren schwierig ist, effizient mittels Formation unter Verwendung des unter Druck stehenden Gasmediums geformt werden, wobei gleichzeitig effiziente Verstärkung desselben erreicht wird durch das Abschreck- Härten, welches verursacht durch die gekühlte Matrize innerhalb des Matrizenhohlraumes auftritt.
Es ist anzumerken, daß andere Aufgaben, Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung in der gesamten Offenbarung offensichtlich werden und daß Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung wie in den anhängigen Ansprüchen definiert abzuweichen.
Es sollte auch angemerkt werden, daß jegliche Kombination der offenbarten und/oder beanspruchten Elemente, Sachverhalte und/oder Gegenstände unter die oben genannten Modifikationen fallen können.
Zusammenfassend wird ein Verfahren zum Formen eines Metallelements angegeben, welches geeignet ist, sowohl Formbarkeit eines Metallelements als auch bedeutende Stärkung desselben zu erreichen. Es werden ein zylindrisches Metallelement mit einem Hohlraum und eine formgebende Matrize mit einer formgebenden Fläche verwendet. Das Metallelement wird bis auf einen Temperaturbereich, welcher zum Abschreck-Verstärken geeignet ist (z. B. nicht weniger als der A1-Transformationspunkt), erhitzt. Durch Erhöhung des Innendrucks von Gas, welches in dem Hohlraum des Metallelements enthalten ist, wird eine Wand des Metallelements ausgebaucht und/oder verformt, und die ausgebauchte, verformte Wand des Metallelements wird dadurch verformt, daß sie in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize bei gleichzeitigem Abschreck-Verstärken derselben gebracht wird. Es wird eine bedeutende Verstärkung des Metallelements erreicht.

Claims

1. Verfahren zum Formen eines Metallelements, umfassend:
Bereitstellen von einem Metallelement mit einem Hohlraum und von einer formgebenden Matrize mit einer formgebenden Fläche; und
Ausführen eines formgebenden und abschreckverstärkenden Schrittes durch Erhöhen eines Innendrucks eines Gases, welches in dem Hohlraum des Metallelements enthalten ist, das auf einen Temperaturbereich erhitzt ist, welcher zum Verstärken durch Abschrecken (d. h. Abschreck-Verstärken) geeignet ist, um die Wand des Metallelements auszubauchen und/oder zu verformen, wobei das Formen der ausgebauchten und/oder verformten Wand des Metallelements dadurch ausgeführt wird, daß diese in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize gebracht wird, verbunden mit gleichzeitigem Abschreck-Verstärken der Wand.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Erhöhen des Innendrucks von dem in dem Hohlraum des Metallelementes enthaltenen Gas durch Zuführen eines Gases in den Hohlraum des Metallelements ausgeführt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Erhitzen des Metallelements durch mindestens einen Arbeitsvorgang durchgeführt wird, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Halten des Metallelements in einer Ofenkammer eines Erhitzungsofens, Induktionserhitzen des Metallelements und Widerstandserhitzen zum elektrischen Erregen des Metallelements.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Halten des Metallelements in der Ofenkammer des Ofens in einer nicht oxidierenden Atmosphäre ausgeführt wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Induktionserhitzen ausgeführt wird durch Anlegen eines Wechselstroms an ein elektrisch leitfähiges Element, das in der Nähe des innerhalb der Matrize angeordneten Metallelements angeordnet ist, um das Metallelement Induktionszuerhitzen.

6. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Widerstandserhitzen ausgeführt wird durch elektrisches Erregen des Metallelements von elektrischen Anschlüssen, die mit dem in der Matrize angeordneten Metallelement verbunden sind, um das Metallelement durch Joule-Wärme zu erhitzen.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Metallelement aus einem Material auf Eisen-Basis, einem Material auf Titan-Basis, einem Material auf Aluminium-Basis oder einem Material auf Kupfer-Basis hergestellt ist.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Metallelement aus einem Material auf Eisen-Basis hergestellt ist, und bis auf eine Temperatur von nicht weniger als dem A1-Transformationspunkt erhitzt wird, und der formgebende und abschreck-verstärkende Schritt in-innigen-Kontakt-Bringen der Wand des Metallelements mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize zum Härten zumindest eines Teils des Metallelements umfaßt.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die formgebende Matrize eine Kühleinrichtung zum Kühlen der formgebenden Matrize aufweist, wobei wenigstens ein Teil davon einem Teil des abschreck- zu-verstärkenden Metallelements entspricht.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das in den Hohlraum des Metallelements zuzuführende Gas zumindest eines ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Luft, Stickstoffgas, stickstoffreichem Gas, Argongas und argonreichem Gas.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei ein Arbeitsvorgang zum Zuführen von Gas in den Hohlraum des Metallelements von einer Hochdruckgasversorgungseinheit ausgeführt wird, welche zum Zuführen von unter Hochdruck stehendem Gas geeignet ist.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Metallelement wenigstens eine mit dem Hohlraum in Verbindung stehende Öffnung aufweist, welche durch eine sich verjüngende offene Wandfläche ausgebildet ist, und wobei die Öffnung durch direktes oder indirektes Anbringen einer Dichtung auf der sich verjüngenden offenen Wandfläche des Metallelements abgedichtet ist, wobei die Dichtung eine der sich verjüngenden offenen Wandfläche des Metallelements entsprechende Schräge aufweist.

13. Verfahren zum Formen eines Metallelements, umfassend die folgenden Schritte:

a) Anordnen eines Metallelements mit einem Hohlraum in einer formgebenden Matrizen-Anordnung,

b) Erhitzen des in der formgebenden Matrizen- Anordnung angeordneten Metallelements,

c) Bringen einer vorgesehenen Oberfläche des Metallelements in innigen Kontakt mit einer vorgesehenen Fläche der formgebenden Matrizen- Anordnung durch Zuführung eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des Metallelements, welches in der formgebenden Matrizen-Anordnung erhitzt wird, um dadurch das Metallelement plastisch zu verformen, und

d) Abschrecken des Metallelement s unmittelbar nach der Verformung des Metallelements, durch Kühlen des Metallelements, während es in der formgebenden Matrizen-Anordnung angeordnet ist.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Erhitzen in Schritt (b) innerhalb eines offenen Raums der formgebenden Matrizen-Anordnung ausgeführt wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Erhitzungsschritt (b) unter thermisch isolierter Bedingung innerhalb eines offenen Raums der formgebenden Matrizen-Anordnung ausgeführt wird.

16. Verfahren gemäß Ansprüch 15, wobei die thermische Isolierung bereitgestellt wird durch einen thermischen Isolator, welcher ist zwischen der Matrize und dem Metallelement angeordnet ist, wobei der Isolator vor Schließen der Matrizenanordnung entfernt wird.

17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Erhitzungsschritt (b) durch Induktionserhitzen mittels eines innerhalb des Hohlraums des Metallelements angeordneten Induktionsleiters ausgeführt wird.

18. Verfahren zum Formen eines Metallelements, umfassend die folgenden Schritte:

a) Erhitzen eines zylindrischen Metallelements mit einem Hohlraum,

b) Anordnen des erhitzten Metallelements in einer formgebenden Matrizen-Anordnung,

c) Bringen des erhitzten Metallelements in innigen Kontakt mit einer vorgesehenen Fläche der formgebenden Matrizen-Anordnung durch Zuführung eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des Metallelements, um dadurch das Metallelement plastisch zu verformen,

d) Abschrecken des Metallelements unmittelbar nach der Verformung des Metallelements, durch Kühlen der formgebenden Matrizen-Anordnung, während das Metallelement in der formgebenden Matrizen- Anordnung angeordnet ist.

19. Metallelement, welches gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 hergestellt ist.

20. Vorrichtung zum Formen eines Metallelements, umfassend:
eine formgebende Matrizen-Anordnung zum Anordnen eines zylindrisches Metallelements mit einem Hohlraum in einem Matrizenhohlraum der formgebenden Matrizen- Anordnung,
eine Gasversorgungseinrichtung zum Zuführen eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des Metallelements, welches innerhalb der formgebenden Matrizen-Anordnung erhitzt ist,
Eine Kühleinrichtung zum Kühlen der formgebenden Matrizen-Anordnung, die zum Abschreck-Härten des Metallelements, welches in der formgebenden Matrizen- Anordnung angeordnet ist und plastisch verformt wird, konfiguriert ist,
und eine Steuereinheit zum Steuern der Gasversorgungseinrichtung, um Ausbauchen und/oder Verformen des Metallelements zusammen mit dessen Abschreck-Härten auszuführen.

21. Vorrichtung gemäß Anspruch 20, umfassend eine Erhitzungseinrichtung zum selektiven Erhitzen des in dem Hohlraum der formgebenden Matrizen-Anordnung angeordneten Metallelements.

22. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, welche weiterhin einen entfernbaren thermischen Isolator zum Isolieren des zu erhitzenden Metallelements von der formgebenden Matrizen-Anordnung umfaßt, wobei dieser Isolator nach dem Erhitzen entfernt wird.