-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Formkörper aus Metall für tragende Bauteile, hergestellt durch Fließpressen.
-
Weiters betrifft die Erfindung ein Werkzeug zur Herstellung von Formkörpern aus Metall mittels Fließpressens.
-
Eine besondere Eignung weist die Erfindung für Formkörper aus Metall mit hohem Verformungsvermögen bei Raumtemperatur und im halbwarmen Zustand, insbesondere für Aluminium und Aluminiumlegierungen, auf.
-
Generell ist ein Fließpressen von Metall mit sämtlichen Ausbildungsformen unter den Begriff Massivumformverfahren einzuordnen. Dabei wird ein Werkstoff als Rohteil unter Einwirkung von hohem Druck zum Fließen gebracht.
-
Das Umformen erfolgt je nach Werkstoff und Bauteilform bei Raumtemperatur (Kaltfließpressen) oder im halbwarmen Zustand je nach Legierung im Bereich zwischen 200°C bis 500°C.
-
Besonders bei der Kaltumformung wird in vorteilhafter Weise eine hohe Maßgenauigkeit sowie Oberflächengüte des Bauteiles bei wirtschaftlicher Herstellung erreicht.
-
In der Regel drückt beim Fließpressen ein Stempel das Rohteil durch eine formgebende, im Querschnitt verminderte Werkzeugöffnung – eine Matrize –, wobei nach der Matrize keine wesentlichen Kräfte für eine Verformung auf den Pressling wirksam sind.
-
Einem Fachmann auf diesem Wissensgebiet sind die Begriffe Vorwärtsfließpressen, Rückwärtsfließpressen sowie Seitwärtsfließpressen, die jeweils den Werkstofffluss in Wirkrichtung der Maschine beschreiben, klar. Weiters unterscheidet man in bekannter Weise, ob bei den Verfahren volle, hohle oder napfförmige Teile hergestellt werden.
-
Eine Fehlerfreiheit von fließgepressten Teilen erfordert zumeist eine besondere Ausbildung des Werkzeuges und/oder des Verfahrens, wie dies auch die
DE 35 13 960 A1 offenbart.
-
Eine Herstellung von hochwertigen Formkörpern aus Metall für tragende Teile durch Fließpressen des Werkstoffes stellt an die Entwicklung einer entsprechenden Verfahrenstechnologie hohe Anforderungen.
-
Die Hauptprobleme, die sich bei einer Herstellung von Formkörpern mittels Fließpressens allgemein stellen, sind eine limitierte geometrische Ausbildungsmöglichkeit und ein über den gesamten Querschnitt der Wandteile hohes mechanisches Eigenschaftsniveau des Werkstoffes.
-
Tragende und/oder intensiv mechanisch beanspruchte Teile erfordern einerseits eine in allen Bereichen gewünschte Mikrostruktur des Werkstoffes sowie eine Oberflächengüte frei von Riefen und Vertiefungen, die insbesondere bei wechselnden Zugbeanspruchungen zu Dauerbrüchen führen können.
-
Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und einen Formkörper der eingangs genannten Art aus Metall für tragende Bauteile zu schaffen, welcher eine gewünschte geometrische Form, den Belastungsanforderungen Rechnung tragend, mit hoher und gleichmäßiger Werkstoffgüte aufweist.
-
Weiters ist es das Ziel der Erfindung, ein Werkzeug für die Herstellung von Formkörpern aus Metall für tragende Teile, insbesondere ein Werkzeug für eine Herstellung von Metallkörpern aus Aluminium oder aus Aluminiumlegierungen, mittels Fließpressens des Werkstoffes anzugeben, welches eine Herstellung einer gewünschten geometrischen Ausbildung des Formkörpers und dessen hohe Teilgüte sicherstellt.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht auch in einer Darstellung eines Hohl-Formkörpers aus Aluminium oder aus Aluminiumlegierungen mittels Fließpressens des Werkstoffes, dessen Herstellungsverfahren zu einem hochwertigen fehlerfreien Erzeugnis mit gewünschter geometrischer Ausbildung führt.
-
Die eingangs gestellte Aufgabe der Erfindung, einen Formkörper zu schaffen, wird dadurch gelöst, dass der Formkörper eine im Wesentlichen axsymmetrische Form der Wandung aufweist, welche durch ein Hohl-Fließpressen eines Rohlings bei einem Metallfluss in einem Gesenk mit mindestens zwei Fließrichtungen mit jeweils einem Winkel von größer als 60° zueinander gebildet ist, wobei die jeweilige Länge der Wandung nach einer Fließrichtungsänderung des Metalls mit einer radialen Komponente größer ist als die zweifache Wandungsdicke.
-
Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Formkörpers sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass ein Hohl-Fließpressen mit einem Metallfluss in einem Gesenk eine Änderung der Wandform quer zur Achsrichtung zulässt und eine hohe Materialgüte der aufgebauten Wandung bewirkt.
-
Mit Vorteil ist es möglich, dass eine gewünschte Form der Wandung bei einem Metallfluss im Gesenk mit mindestens drei Fließrichtungsänderungen gebildet und dadurch das Einsatzgebiet eines erfindungsgemäßen Formkörpers wesentlich erweitert ist. Ein Gesenk ist ein mindestens zweiteiliges Werkzeug mit formgebenden Flächen für eine Oberflächenausbildung beim Verformen eines Werkstückes.
-
Es ist herstellungstechnisch, aber auch insbesondere im praktischen Einsatz als tragendes Teil günstig, wenn am Formkörper die bei der jeweiligen Fließrichtungsänderung gebildeten Kanten der Wandung einen Rundbereich mit einer Länge von mindestens 0.5 mm, vorzugsweise von mindestens 2 mm, aufweisen, weil derart eine Kerbbildung in der Oberfläche und eine Materialermüdung und Rissentstehung bei wechselnder mechanischer Beanspruchung weitgehend ausgeschaltet werden können.
-
Wenn der Formkörper in allen Bereichen der Wandung im Wesentlichen gleiche mechanische Eigenschaften aufweist, wird ein hohes Maß an Verlässlichkeit für tragende Teile erreicht.
-
Ein Formkörper nach der Erfindung, der aus einer Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung von in Gew.-%
Silizium 0.7 bis 1.3
Magnesium 0.6 bis 1.2
Mangan 0.4 bis 1.0
Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen gebildet ist und nach dem Gesenk-Fließpressen eine im Wesentlichen gleiche Härte des Werkstoffes der Wand im Bereich von 45 bis 60 HB über den Querschnitt aufweist, hat in günstiger Weise eine weitgehend homogene Mikrostruktur, welche Vorteile bei einer Wärmebehandlung des Werkstoffes für eine Einstellung gewünschter mechanischer Eigenschaften mit sich bringt.
-
Bevorzugt weist aus Herstellungsgründen und einer Wirtschaftlichkeit wegen ein erfindungsgemäßer Formkörper einen Hohldurchmesser im Bereich von 20 mm bis 200 mm bei einer Wanddicke von 5 mm bis 30 mm auf.
-
Das weitere Ziel der Erfindung, ein Werkzeug für eine Herstellung von Formkörpern aus Metall für tragende Teile mittels Fließpressens des Werkstoffes anzugeben wird dadurch erreicht, dass das Werkzeug als Gesenk bestehend aus mindestens zwei Teilen, welche Teile formgebend für den Formkörper gegeneinander anstellbar sind, gebildet ist und die Gesenkteile kooperierende, axsymmetrisch positionierte Arbeitsflächen aufweisen, welche entweder im Wesentlichen axparallel oder mit einem Winkel von größere als 2° zur Achse gerichtet sind, wobei die Arbeitsflächen im geschlossenen Zustand des Gesenkes die Oberflächenform des Formkörpers darstellen.
-
Die Vorteile eines als Gesenk gebildeten Werkzeuges sind im Wesentlichen dadurch gegeben, dass alle Arbeitsflächen der Gesenkteile bei einem aneinander Anstellen derselben ein formgebendes Fließen des Werkstoffes eines Rohlings bis letztlich zur Form des Formkörpers bewirken.
-
Wenn das Gesenk bzw. die Gesenkteile jeweils mindestens zwei kooperierende Arbeitsflächen mit einem Winkel zur Achse, insbesondere mit einem Winkel von größer als 60° zur Achse, aufweist beziehungsweise aufweisen, wirken bei einem aneinander Anstellen der Gesenkteile diese Flächen in hohem Ausmaß als Druckflächen auf das fließende Metall und fördern die Formfüllung in vorteilhafter Weise.
-
Es kann sich als günstig auswirken, wenn die im Wesentlichen axparallel gerichteten Arbeitsflächen der Gesenkteile einen Freiwinkel zur Achse von kleiner als 1° aufweisen, weil dadurch eine Freistellung des Formkörpers nach einem Öffnen der Gesenkteile verbessert sein kann.
-
In Weiterbildung der Erfindung kann es günstig sein, wenn die axparallelen kooperierenden Arbeitsflächen der Gesenkteile im Querschnitt jeweils rund, wellig-runde oder eine dergleichen Form aufweisen, deren örtlicher Abstand voneinander jedoch gleich groß ist. Derart können die Tragfähigkeit eines Bauteiles erhöht oder auch die Herstellbarkeit verbessert werden.
-
Wenn in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zumindest ein Gesenkteil in Achsrichtung mindestens eine für den Formkörper formgebende Vertiefung in der axnormalen Basisfläche aufweist, kann das Werkzeug für eine Herstellung von Sonderformen von Formkörpern dienen.
-
Die Aufgabe der Erfindung, welche auch in der Darstellung eines Formkörpers aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, hergestellt mittels eines speziellen Fließpressverfahrens des Werkstoffes, besteht, welches Verfahren zu einem hochwertigen fehlerfreien Erzeugnis mit gewünschter geometrischer Ausbildung führt, wird dadurch gelöst, dass ein Rohling in eine Form, die als mindestens zweiteiliges anstellbares Gesenk gebildet ist, wobei dieses Gesenk im geschlossenen Zustand einen Spalt zwischen den kooperierenden, im Wesentlichen in Achsrichtung verlaufenden und zur Achse geneigten Arbeitsflächen der Gesenkteile aufweist, welcher Spalt geometrisch die Oberfläche des Formkörpers darstellt, eingebracht und durch ein aneinander Anstellen der Gesenkteile in Achsrichtung druckbeaufschlagt und ein Fließen des Werkstoffes bewirkt werden, wobei unterhalb von örtlichen Rissinitiationsspannungen an der freien Oberfläche das unter Druckspannungen zur Achse geneigte fließende Metall im Gesenk umgelenkt und in den Spalt zwischen die axialen Arbeitsflächen eingebracht und zwischen diesen bei Aufrechterhaltung der Druckspannungen bis in den Bereich mit den zur Achse geneigten Arbeitsflächen geführt und in diesem neuerlich umgelenkt wird, wobei der in diesem Bereich einfließende Werkstoff bei der Umlenkung durch die Spaltverminderung zwischen den zur Achse geneigten kooperierenden Arbeitsflächen im Zuge der Anstellung der Gesenkteile aneinander weiters eine Beaufschlagung mit Druckspannungen erfährt.
-
Wesentlich bei dem Herstellungsverfahren ist, dass der unter Druck fließende Werkstoff im Spalt zwischen den Gesenkteilen, welcher letztlich die Form des Formkörpers bildet, unterhalb der örtlichen Rissinitiationsspannung an der freien Oberfläche belastet und in seiner Fließrichtung umgelenkt wird.
-
Als Definition wird angemerkt, dass die örtliche Rissinitiationsspannung an der freien Oberfläche jene Zugspannung im Werkstoff ist, bei welcher bei einem freien Austritt aus dem Spalt die ersten Anrisse auftreten.
-
Eine Gefahr einer Rissinitiation des in Achsrichtung zwischen den Arbeitsflächen fließenden Metalls bei einer Umlenkung wird beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch minimiert, dass die zur Achse geneigten kooperierenden Arbeitsflächen beim aneinander Anstellen der Gesenkteile eine Druckbeaufschlagung auf den fließenden Werkstoff bewirken.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass nach der zweiten Umlenkung des im Gesenk fließenden Werkstoffes in einer zur Achse geneigten Richtung bei einem weiteren aneinander Anstellen der Gesenkteile eine dritte Umlenkung in einem axial ausgerichtete Arbeitsflächen aufweisenden Gesenkspalt mit Druckspannungen im Werkstoff erfolgt. Derart ist es möglich, die Formenvielfalt der Form zu erweitern.
-
Von hoher Wichtigkeit bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann für ein reibungsgemindertes Fließen des Werkstoffes an den formgebenden Arbeitsflächen im Gesenk und für eine vermehrte fehlerfreie Ausbildung eines Formkörpers sein, wenn der Rohling und/oder die Arbeitsflächen der Gesenkteile vor dem Fließpressen mit Schmiermittel versehen beziehungsweise beschichtet werden.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Prinzipskizzen und metallographischen Untersuchungsergebnissen näher dargelegt.
-
Es zeigen in schematischer Darstellung:
-
1 eine Gesenkfließpresseinrichtung mit zweifacher Umlenkung des fließenden Werkstoffes,
– links der Mittellinie im Ausgangszustand
– rechts der Mittelinie mit ausgeformter Wandung des Formkörpers;
-
2 eine Gesenkfließpresseinrichtung mit dreifacher Umlenkung des fließenden Werkstoffes,
– links der Mittellinie während des Verfahrens
– rechts der Mittellinie mit ausgeformter Wandung des Formkörpers;
-
3 ein Korngefüge im nicht umgelenkten Fließbereich des Formkörpers;
-
4 ein Korngefüge in einem einfach umgelenkten Fließbereich des Formkörpers;
-
5 ein Korngefüge in einem zweifach umgelenkten Fließbereich eines Formkörpers.
-
In 1 ist ein Werkzeug W gebildet als Gesenk mit zwei Teilen schematisch dargestellt, welche Gesenkteile 1 und 2 zueinander in Richtung A axial anstellbar sind. Der linke Teil von 1 zeigt einen Rohling 30 im Gesenk zwischen den Arbeitsflächen 11 und 21 der Gesenkteile 1 und 2.
-
Aus dem rechten Teil von 1 ist ein Formkörper 3 im Schnitt zwischen den aneinander angestellten Gesenkteilen 1 und 2 entnehmbar.
-
Bei einer alternierenden Betrachtung der Teilbilder ist eine Wirkung der Anstellung der Gesenkteile 1 und 2 auf ein Fließverhalten eines Werkstoffes eines Rohlings 30 nachvollziehbar.
-
Zwischen der Arbeitsflächen 11 und 21 erfolgen auf Grund einer Gesenkanstellung AA ein Aufbau von Druckspannungen und ein Fließen des Werkstoffes des Rohlings 30 in einer bezogen auf die Achse X radialen Richtung und der Werkstoff erfährt in der Folge eine erste Umrichtung 31 in eine axparallele Richtung zwischen den Arbeitsflächen 12 und 22 der Gesenkteile 1 und 2, wobei Druckspannungen im fließenden Werkstoff erhalten bleiben.
-
In den Arbeitsflächen 13 und 23 erfolgt ein zweites Umrichten 32 des axparallel fließenden Werkstoffes, wobei eine Anstellung AA der Gesenkteile 1 und 2 den Gesenkspalt BB verringert und derart Druckspannungen in den mit einer radialen Richtungskomponente fließenden Werkstoff einbringt.
-
2 zeigt eine Gesenkfließpresseinrichtung mit einer dreifachen Umlenkung des fließenden Werkstoffes bei einer Herstellung eines Formkörpers 3. Aus dem linken Teil von 2 ist ein Fließen des Werkstoffes des Rohlings 30 (angedeutet) mit einer Umlenkung 31 in eine axparallele Fließrichtung bis in einen Bereich einer zweiten Umlenkung 23 ersichtlich.
-
Eine Verringerung des Gesenkspaltes BB bei einem aneinander Anstellen der Gesenkteile 1 und 2 bringt bei und nach einer Umlenkung 32 Druckspannungen in den fließenden Werkstoff ein und führt diesen, wie im rechten Teil von 2 dargestellt, unter Druckspannung in einen weiteren Bereich einer dritten Umlenkung 33 zwischen die axparallelen Arbeitsflächen 14 und 24.
-
Derart wird ein Formkörper 3 mit zwei unterschiedlichen Maßen beziehungsweise Innendurchmessern und mit axsymmetrischer Form der Wandung gebildet.
-
Im Basisbereich an den Arbeitsflächen 11 und 12 der Gesenkteile 1 und 2 können gegebenenfalls axial Vertiefungen eingebracht sein, welche bei einem Gesenk-Fließpressen des Werkstoffes Teile 4, 4‘ des Formkörpers 3 bilden.
-
3 bis 5 zeigen das Korngefüge in der Wand eines Formkörpers 3 gemäß 1 nach einer Herstellung durch Gesenk-Fließpressen des Werkstoffes mit einer Zusammensetzung in Gew.-% von 1.1% Silizium, 0.8 Magnesium, 0.6% Mangan, Aluminium und Begleitelemente als Rest, sichtbar gemacht durch ein Rasterelektronenmikroskop (EBSD).
-
3 vermittelt die Kornstruktur des Werkstoffes im nicht umgelenkten Bereich des Formkörpers zwischen den Arbeitsflächen 11 und 21 der Gesenkteile 1 und 2. Der Kornverband zeigt eine kleine Korngröße mit geringer Ausrichtung des niedrigen Umformgrades wegen.
-
4 zeigt die Kornstruktur im einfach umgelenkten Bereich in der axparallel ausgeformten Wand des Formkörpers 3. Durch einen vergleichsweise mittleren Umformgrad des Werkstoffes sind die Einzelkörner mittelgroß und ausgerichtet, wobei dies keine Nachteile betreffend die mechanischen Materialeigenschaften bewirkt.
-
Aus 5 ist eine Kornstruktur nach hohem Umformgrad beziehungsweise nach zweifacher Richtungsumlenkung des fließenden Werkstoffes ersichtlich. Beachtenswert sind eine Kornfeinung und eine Ausrichtung der Körner im Gefüge des insgesamt hoch verformten Metalls, wodurch die Güte des Werkstoffes insbesondere im Hinblick auf eine Wärmebehandlung zur Einstellung der mechanischen Materialeigenschaften gesteigert wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
