DE1602530A1 - Verfahren zum Formen von bahn- oder plattenfoermigem Material und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. DR. IUR. . DIPL.-INS. j O UZD J (J

VOLKER BUSSE DIEtFiICH BUSSE

45 OSNABROOK, den 19/ Dezember- 19β7

MDS ERSTRASS E SO/24 DB/4

Pressed Steel Fisher Limited;" "■--".,"■

Cowley,, Oxford, England ..;..■ . . -■■■.- - ■·./..

. Verfahren zum Formen von bahn- oder platten- . : förmigem Material und Vorrichtung zur -.Durch.* führung des Verfahrens. . ;

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum :Formen oder Gestalten von bahn- oder p.l-attenförmigem Ma,teriäl_s welches innerhalb eines begrenzten Temperaturbereiches einen superpla,stischen Zustand annimmt bzw. -aufweist. ,

Es ist bekannt, daß innerhalb eines begrenzten Temperatur·- bereiches bestimmte iietallegierungen₃ wie z.B. die eutelctoidische Legierung von Aluminium und Zink und die eutektische Legierung von Aluminium und Silicium, sich in einem Zustand derart befinden können^ daß sie besonders niedrige Verformungs v/iäerstands?ierte und eine extrem hohe Plastizität im Vergleich mit anderen ähnlichen Legierungen mit unterschiedlichen Verhältnissen der Elemente j oder im Vergleich zu derselben Legierung in einem' unterschiedUchen Zustand oder;-bei einer außerhalb des Bereiches liegenden Temperatur haben. Diese Erscheinung tritt unterhalb eines, bestimmten Verforroungsspannungs-. Belastungamajßefj bzw. -geschviindigkeit bei_: irgendeiner

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; besonderen Temperatur Innerhalb des Temperaturbereiches auf und ist als Superplastizltät bekannt. Der Einfachheit halber werden Metallegierungen., welche In der Lage sind., diese Er- ■ scheinung darzubieten in der vorliegenden Anmeldung als

. "superplastisch" bezeichnet.

Aufgabe der Erfindung ist es_} ein Verfahren zum Formen oder Gestalten superplastischen bahn- oder plattenförmigen Eat-erials sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Das Verfahren nach der Erfindung zum Formen oder Gestalten superplastischen bahn- oder plattenförmigen Materials Ist dadurch gekennzeichnet₃ daß eine Fläche des Materials einer auf eine Temperatur innerhalb oder oberhalb des Temperaturbereiches₉ in dem das Material superplastisch wird, erhitzten Flüssigkeit so lange ausgesetzt wird, bis das Ilaterlal auf eine Innerhalb des Temperaturbereiches liegende Temperatur erwärmt Ist., und daß anschließend auf die Flüssigkeit ein ausreichender Druck ausgeübt wird, um das bahn- oder plattenförmige Material so in ein Werkzeug hineinzudrücken₃ daß das Material dadurch mit einem Maß bzw. einer Geschwindigkeit an Verformungsspannung unterhalb des kritischen Verformungsspannungsmaßes in eine Gestalt verformt wird-, welche der Gestalt der Merkzeugoberflache entspricht.

Als Flüssigkeit wird vorzugsweise ein geschmolzenes Metall ₃ z.B. eine Metallegierung mit niedrigem Schmelzpunkts verwendet, um ein rasches Erwärmen des Werkstücks herbeizuführen.

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Stattdessen können jedoch auch geeignete_s temperaturviider- .·■ standsfähige Öle oder geeignete Salze Verwendung, finden.

Das bahn- bzw. plattenförmige Material oder Blech kann zu- . mindest teilweise vorgestreckt weräen₅ bevor es mit Hilfe : des Verfahrens nach der Erfindung in seine erforderliche Endgestalt verformt wird, wodurch eine Steuerung der Wanddicke ermöglicht oder ein übermäßiges Verdünnen des Materials während des abschließenden Förmvorganges vermieden 1st. Das Material kann in einem gesonderten Arbeitsgang z.B. mittels Vakuum oder mittels eines freßvorgangs vorgestreckt: werden. Stattdessen kann das Material nach seinem Ewärmen auf eine Temperatur Innerhalb des superplastischen Temperaturbereiches durch Anlegen eines geeigneten .Druckes an die erwärmte Flüssigkeit vorgestreckt werden, wobei sich das Werkzeug.in einer zurückgezogenen,, umiirksamen Stellung befindet, so daß das Tlaterial gezwungen ist_s eine "blasenforniige⁵- Gestalt anzunehmen. Das Werkzeug kann anschließend in seine Ärbeitsstellurig bevr'egt und das vorgestreckte Material in die erforderliche Ge-Stalt verformt werden. Esbestehtauch die Möglichkeit, das Material mit .Hilfe eines yorstreckstempels bzw. eines Patritzen-Werkzeugs vorzustrecken^, welches gegen das erwärmte Material gedrückt wird. _; . ' -. '.

Es wurde herausgefunden, daß die verformbarkeit des Materials dadurch verbessert werden kann, daß man es während^ des Formvorganges Hochfrequenzyibrationen oberhalb 10Wz aussetzt.

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Die Vibrationen können an die erwärmte Flüssigkeit angelegt werden" und sind vorteilhaft derart, daß- sie ein Luftlager bzw. -polster zwischen-dem "superplastischen Material und der Werkzeugoberfläche bilden, welches bestrebt ist,, einen gegenseitigen Kontakt zu verhindern.

Die Vorrichtung .zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Kammer "lit einem offenen Ende, Heizglieder zum Erwärmen- der Flüssigkeit in der Kammer, ein dem offenen Ende der Kammer gegenüberliegendes Formwerkzeug., ein Halteglied zum Halten des Werkstücks.gegen das offene"Ende der Kammer, eine Einrichtung, xvelche die Flüssigkeit in der Kammer zwecks Erwärmen" des Werkstücks ir. Kontakt mit diesen bringt j und eine Einrichtung, welche '".>bbr die Flüssigkeit das erwärmte "Werkstück gegen das Formwerkzeug drückt.

Die Erfindung soll anschließend anhand eines Äusführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben werden, welche in einer scheraatischen, teilweise geschnittenen Darstellung eine Seitenansicht der Vorrichtung zur. Durchführung dos Verfahrens nach der Erfindung veranschaulicht.

Die in der Zeichnung veranschaulichte Formvorrichtung weist einen Spannrahmen 11 "mit einer Deckplatte 12 auf, welche über Zugstreben 13 mit einer unteren Platte lh verbunden 1st.

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Sine pneumatis ehe Kolben-.unä. Zy linder -Torr ich tung 15 mit Zweiwege-S ehalt uns sowie einera Einlaß 16; und einem Auslaß 17 trägt ein Formgehäuse 18. In das Formgehäuse 1.8 ist vorher ein bestimmtes "Werkzeug eingesetzt bzw. eingegossen., welches . . eine Formfläche 20 aufweist;und einen Drucklufteinlaßkanal 21 sowie elektrische Widerstands-PIeizwicklungen 22 umfaßt. Der Kanal 21 ist an eine gesteuerte₅ nicht dargestelLte Druckluftquelle angeschlossen und die Wicklungen bzw. Spiralen-22 werden von einer mit einem. Thermoelement· arbeitenden; Temperatursteuervorrichtung., welche nicht dargestellt isi__a gesteuertj die auf die Temperatur angrenzend an die Formfläche 20 des Werkzeugs anspricht. Das Werkzeug 19- ist mit einem Stahldichtungsflansch 23 versehen, ; _■: ■

Die untere Platte 14 trägt einen bestimmten Gegenblock 2^}, in den eine Formkammer 25 aus Stahl eingebettet ist. Elektrische Widerst ands-Heizwindungen 26_L sind/in dem Block 2k angrenzend an die Kammer 25 eingebettet und werden von einem Thermoelement gesteuert, welches in einer Schutzhülle 27 aus Jletall oder hitzebeständigem Material untergebracht ist. Die. Schutzhülle 27 erstreckt sich in die Kammer 25> während das "Thermoelement an eine nicht dargestellte Temperatursteuefvorrichtung angeschlossen ist.

Ein Hochfrequenzsignalgeneratör 28 vjiöist ein Horn ^29" auf, v/elches sich in die Kammer "25 erstreckt und mittels eines Hochtemperatur-O-Dichtungsringes 30 abgedichtet ist*

Die Kammer 25 ist über eine Rohrleitung 31 mit einem Behälter^ 32 verbunden.: Der Behälter 32 ist von elektrischen Widerstands-Heizwindungen 33 umgeben^ welche von einem in einer Schutzhülle 34 aus Metall oder hitzebeständigem Material untergebrachten Thermoelement gesteuert werden., das an eine nicht dargestellte Temperatursteuervorrichtung'angeschlossen ist. Die Rohrleitung 31 ist von weiteren¹ elektrischen Widerstands ~Heizwind.ungen 35 umgeben, von denen die an den Behälter 32 angrenzenden von einem Thermoelement in der Schutzhülle 3^ und von denen die an die Pormkammer 25 angrenzenden von einem Thermoelement in der Schutzhülle 27 gesteuert werden.

Die Oberseite des Behälters ist übfer eine Rohrleitung 36 und über ein Druckregulierventil 37 mit einem Einlaß 39 für ane Druckluftquelle verbunden und steht ferner über die Zweigrohrleitung 38 mit ί Ie ß vent Il 4O mit. einer Meßpumpe 4l mit variabler Voreinstellung in Verbindung. Die Rohrleitung 36 ist ferner mit einem Druckminderungsventil 42 verbunden.

Der Behälter 32, die Rohrleitung 31 und die Formkammer 25 sind mit einer Metallegierungsschmelze 43 gefüllt₃ welche einen Schmelzpunkt von 150° G hat und auf 260° C durch die Widerstandsheizglieder 26, 33 und 35 gehalten wird. Ebenso wird die Formfläche 20 des Werkzeugs 19 auf einer. Temeratur von 260° C durch die Heizwindungen 22 gehalten.

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In-Betrieb wird ein superplastisehes platt en-förmiges- Werkstück 44 in der. Zeichnung entspreelienäei*¥eise angeordnet. Das t'ierks-tücfc ka.nn aus der eutektOidischeri Legierung'von Zink und Aluminium bestehen _s\ welche durch" Abkühlen des Werkstücks in Wasser von 325° bis 35O⁰ C auf Raumtemperatur vorbereitet wurde, mn. den erforderlichen superplastischen Zustand herbeizuführen. ■■ " . -...;"-■-" - - - "

Bei-'diesem-Beispiel ist das Werkstück 44 durch herkömmliches Formen in einer Presse' in die in -der Zeichnung dargestellte Form vorgestreckt worden,; Bas Werkstück 44 wird in seine dargestellte Stellung gebracht_a wonach die pneumatische Vorrichtung 15 betätigt tiird₃ um "das. Werkzeug 19 auf die. Pormkainner 15 zu zu fährenj bis der Slehtunssflansch 23 das Werkstück 44 lose'-hält. Das Druelsainöerüngsventil 42 wird dann.; geschlossen uw^'uie vor-eln3:estellte Seßpumpe 4l betätigt ₃ um den Druck auf

Legierung-43 ausreichend au vor3rö£ern₅ damit die g. 43 in der FormkasEier 25 in Berührung mit dem Werkstück 44 ^elaii.c-t und dädureia,..d.essen Te^ipei'atur auf-.2.$D^Q. anhebt. Dabei wird' die Luft innerhalb der Kammer 25 unter dem Umfang i'.ea ^Werkstücks. 44 hinweg entfernt. . ....._.

Danach wird die Yorrichtung, 15" betätigt, um; das Werkstück 44 . fest zu.ergreifen -und eine Dichtung zwischen dem Dichtungs— flansch, 233 dem Werkstück 44 und der Kammer 25 herbeizuführen. Der Signa !generator 28 -wird erregt und unter Hochdruck stehende Druclcluft durch den Einlaß 39₃ das Druckregulierventil 37 und

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die Rohrleitung 36 in den Behälter 32 eingeführt, wodurch die erhitzte Legierung 43 in der Fornkarrmier 25 das Werkstück 44 in Richtung auf die Fläche 20 des Werkzeugs drückt- bis das Werkstück in seiner Form rn.it der Form der Oberfläche 20 übereinstimmt. Es versteht sich_s daß während des Formvorganges die Druckluft und die Einschränkungen in der Strömung so bemessen sein müssen, daß der kritische Wert der Verformungsspamaungsgeschwindigkeit nicht überschritten wird.

Nachdem das ,Werkstück 44 in die erforderliche Gestalt geformt wurde, werden die elektrischen Heizwindungen 22 abgeschaltet und das Druckminderungsventil 42 wird geöffnet., ura ein Abfallen des Spiegels der erhitzten Legierung 43 in der Formkammer 25 zu ermöglichen. .

Anschließend wird der Druck in' der pneumatischen Vorrichtung 15 aufgehoben bzw. die Torrichtung entlüftet. Entsprechend der parallel laufenden Patentanmeldung der Anmelderin wird Druckluft mit einem verhältnismäßig niedrigen Druck über den Kanal 21 zugeführt, um ein Kühlen des Werkstücks zu bewirken. \ Nach dem Abkühlen des Werkstücks auf eine Temperatur, bei der dieses ausreichend fest ist, wird der Druck in der Druckluft erhöht, um das Werkstück aus dem Werkzeug 19 auszuwerfen.

Die pneumatische Vorrichtung 15 wird dann zwecks Anheben des •Werkzeugs 19 betätigt und das Werkstück entfernt.

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Claims (1)

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' ". .--9- - :^; ■ ^; ..-. ■ Ansprüche:

1. Verfahren zum Formen oder Gestalte- süperplastischeri bahn- oder plattenförmigen Materials;, dadurch gekennzeichnetj daß das Haterial mittels einer erhitzten,, in Berührung mit einer Fläche des Materials stehenden Flüssigkeit auf eine Temperatur innerhalb des superplastischen Temperaturbereiches erhitzt und das Material anschließend gegen eine' Formfläche eines Werkzeugs durch Erhöhen des Druckes· der Flüssigkeit gedrückt wird* ~ . ""---c.

2. Verfahren nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet₉ daß als Flüssigkeit ein geschmolzenes Metall verwendet wird.

3. Verfahrennach" Anspruch 1 oder 2₅ dadurch gekennzeichnet, daß das Material zumindest teilweise vorgestreckt xiorden

ist. ■■.;■- ■■ - .

Η* . Verfahron nach einem der Ansprüche i bis J₃ dadurch gekennzeiühnet, daß das. Material beim Formvörgang Hochfrequenz vibratiönen ausgesetzt

naeh Anspruch h_s dadurehgö kennte lehnet,

daß al& "Vibrationen aemr% an dia erliitzte Flüsäigkgit angg*-. legt werden^ daß ©iri Lüftpölstei* 2wisc;hen d#m Material und dem

W&men eines Wetfkstiiökg aus mäh

eine mit einem offenen Ende versehene Earnmer (25) mit Heizgliedern (26) zum Erwärmen einer Flüssigkeit (43) iri der Kammer ₃ ein dem offenen Ende der Kammer gegenüberliegendes Formwerkzeug (19) _s din Halteglied (23) zum Halten eines Werkstücks (44) gegen das offene Ende der Kammer _, eine Einrichtung, welche die Flüssigkeit in der Kammer zx-recks Erwärmung des Werkstücks in Berührung mit diesem bringt ₃ und eine Einrichtung,, welche über die Flüssigkeit das erhitste Werkstück gegen das Werkzeug drückt.

7. Vorrichtung nach Anspruch S₃ dadurch gekennzeichnet₃ daß die Kammer an eine Quelle gesteuerten Druckgases angeschlossen ist₃ um die Flüssigkeit in der Kammer gegen das Werkstück zu drücken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder I₃ dadurch gekennzeichnet, "daß die Kammer einen Hochfrequenzvibrator (2S) umfaßt;.

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