DE2432929B2

DE2432929B2 - Verfahren zum Biegen einer Sandwichplatte

Info

Publication number: DE2432929B2
Application number: DE2432929A
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Lesigny Seine-Et-Marne Denis; Serge Yvan Villejuif Val-De-Marne Dzalba-Lyndis; Maurice Henri Louis Massy Essonne Fremont
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1973-07-10
Filing date: 1974-07-09
Publication date: 1979-02-15
Also published as: DE2432929A1; FR2237435A5; US3922899A; GB1433306A; DE2432929C3

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Biegen einer aus einem beiderseits mit einer dünnen Beckhaut aus leicht oxydierbarem Metall belegten gewellten oder wabenförmigen Kern bestehenden Sandwichplatte, bei dem die Sandwichplatte erwärmt wird.

Bekannte Verfahren der eingangs genannten Art werfen nach dem Stand der Technik in der Praxis Probleme auf, die einerseits in der Struktur der Sandwichplatte, d. h. deren hohem FlächenträgheitsmomenC, und andererseits in der bei erhöhter Temperatur beschleunigten Oxydierung des verwendeten Metalls begründet sind.

Einerseits treten nämlich beim Biegen einer Sandwichplatte an der außenliegenden Deckhaut Zugspannungen auf, die zur Bildung einer bleibenden Verformung notwendigerweise oberhalb der Elastizitätsgrenze des Metalls liegen müssen und daher in der Praxis leicht zur Überschreitung der Bruchdehnung führen können; Risse in der außenliegenden Deckhaut sind die Folge. Gleichzeitig treten andererseits in der innenliegenden Deckhaut im Bereich der Biegelinie Druckspannungen auf, die ohne besondere zusätzliche Maßnahmen etwa gleich den an der Außenhaut auftretenden Zugspannungen sind und daher gewöhnlich zu einer Knickung der dünnen, innenliegenden Deckhaut führen.

Durch Erwärmen der Sandwichplatte vor dem Biegevorgang läßt sich zwar die Bruchdehnung des Metalls erhöhen, so daß Risse in der außenliegenden Deckhaut vermieden werden können. Dabei tritt gleichzeitig jedoch die unangenehme Erscheinung auf, daß die innenliegende Deckhaut vermehrt zur Knickbildung und zum Knittern neigt

Überdies läßt sich dieses Verfahren zwar bei Metallen wie rostfreiem Stahl, Nickel usw. anwenden, jedoch führt die Erwärmung bei den verwendeten, leicht oxydierbaren Metallen (Titan, Molybdän, Magnesium, Beryllium sowie Legierungen dieser Metalle) zu einer recht heftigen Oxydation, die zu einer Umwandlung des gesamten Materials in ein Oxyd führen kann. In jedem Fall stellt diese Oxydation eine entscheidende Schwächung der Festigkeit der Sandwichplatte dar; sie macht im allgemeinen unbrauchbar.

Ein Oxydationsschutz der Sandwichplatte durch umhüllendes inertes Gas oder durch Erwärmung im Vakuum kommt nur in den allerwenigsten Fällen und selbst dann nur bei Werkstücken mit sehr geringen Abmessungen in Frage, scheidet also für die allgemeine Anwendung aus.

In der DE-PS 9 70 534 ist ein Verfahren zur Herstellung einer ungewellten Krümmung an einem geraden Rohr mittels einer das Rohr mitnehmenden Rolle beschrieben, bei dem die Innenseite des Rehres stark erhitzt wird, um den Fließvorgang des Metalls beim Stauchen zu verstärken. Über die Temperatur der außenliegenden Wand des Rohres ist nichts ausgesagt, doch darf angenommen werden, daß diese niedriger liegt als die der inneren Wand.

Die US-PS 24 11 801 beschreibt einen Metallbiege- und -Streckapparat, bei dem eine Kaltverformung durchgeführt wird. Insbesondere ist dabei eine Verformung von Stabmaterial beliebigen Querschnitts erläutert, nicht jedoch das Biegen großflächiger Sandwichplatten. Auch eine Erwärmung des Werkstücks ist dabei nicht vorgesehen.

In der JP-PS 6742 ist eine Formungsmaschine für Sandwichplatten vergleichbare Werkstücke beschrieben, bei der eine Heiz- und Andrückeinrichtung vorgesehen ist

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem keine nennenswerte Oxydation des Metalls auftritt und trotzdem eine Rißbildung in der Außenhaut und eine Knickbildung in der Innenhaut weitestgehend ausgeschaltet sind.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Erwärmen in der Weise erfolgt, daß beim Biegevorgang die außenliegende Deckhaut an der Biegestelle auf eine Temperatur gebracht wird, bei der die Bruchdehnung des Metalls größer ist als die der Elastizitätsgrenze zugeordnete Dehnung, während die innenliegende Deckhaut an der Biegestelle auf eine niedrigere Temperatur gebracht wird, bei der der Elastizitätsmodul des Metalls höher ist als bei der höheren Temperatur der außenliegenden Deckhaut

Durch die hohe Temperatur der außenliegenden Deckhaut wird dabei die Fließgrenze des Metalls herabgesetzt, so daß schon eine kurz andauernde Biegung zu einer bleibenden Verformung ohne nennenswerte Relaxationserscheinungen führt Gleichzeitig wird vorteilhafterweise auch die Bruchdehnung stark erhöht, so daß die zulässige Dehnbarkeit gegenüber der normalen Raumtemperatur in dem gewünschten Maße erhöht ist Eine Rißbildung ist somit !ausgeschlossen. Darüber hinaus ist aber auch vorgesehen, daß die Temperatur der innenliegenden Deckhaut abweichend gewählt wird, und zwar erheblich niedriger. Diese niedrigere Temperatur ist entsprechend den Charakteristiken des verwendeten Metalls so gewählt, daß der Elastizitätsmodul des Metalls bei dieser Temperatur höher ist als bei der höheren Temperatur der außenliegenden Deckhaut Dadurch erreicht man, daß gerade die zur Knickbildung neigende innere Deckhaut eine erhöhte Steifigkeit, mithin einen erhöhten Widerstand gegei\ die Knickbildung während des Biegevorgangs erhält

Wegen des Ausscheidens von Relaxationserscheinungen durch die hohe Temperatur der äußeren Deckhaut kann der Biegevorgang und mithin die örtliche Erwärmung in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden, so daß eine nennenswerte Oxydation des Metalls nicht zu befürchten ist

Wesentlich ist insbesondere, die Verarbeitungstemperaturen von innerer und äußerer Deckhaut in vorbe-

stimmter Weise unterschiedlich zu wählen, und zwar so, daß einerseits die Bruchdehnung der Außenhaut beträchtlich größer ist als die der Elastizitätsgrenze zugeordnete Dehnung, weil' bei den betrachteten Materialien die Bruchdehnung keinesfalls einen monoton mit der Temperatur ansteigenden Verlauf hat, sondern ganz im Gegenteil dazu sogar bei erhöhter Temperatur ein ausgeprägtes Minimum zeigt Die Forderung nach geringer Oxydation bei gleichzeitig einwandfreier Biegestelle kann aus diesem Grund in überraschender Weise nur in einem ziemlich hohen Temperaturbereich erfüllt werden, in welchem die genannten Forderungen erfüllt sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispiden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen

F i g. 1 und 2 senkrechte Schnitte durch Sandwichplatten mit gewelltem bzw. wabenförmigem Kern, wobei die neutrale Faser (x-y) in der Mittelebene der Stärke der Platte liegt,

F i g. 3 und 4 den F i g. 1 und 2 entsprechende Darstellungen im Fall einer versetzten und nicht in der Mittelebene der Stärke der Platte befindlichen neutralen Faser (x-y),

Fig.5 und 6 schematische Darstellungen, die die Verteilung der Beanspruchungen zeigt, wenn eine Sandwichplatte einer Biegung und einem Zug ausgesetzt ist,

F i g. 7 ein Diagramm, das die örtliche Knickerscheinung einer Sandwichplatte zeigt,

F i g. 8 ein Diagramm, das die Oxydationswirkung auf ein oxydierbares Metall in der freien Luft zeigt, wenn die Zeit und die Temperatur variieren,

Fig.9 eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 10 ein Diagramm, das die mechanischen Charakteristiken einer Titanlegierung in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt,

F i g. 11 ein mikroskopisches Bild, das die Wirkung der Oxydation einer Verbindung von Folien aus Titanlegierungen bei langdauernder Erwärmung zeigt,

Fig. 12 ein mikroskopisches Bild, das die Wirkung der Oxydation einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Verbindung von Teilen aus Titanlegierungen bei Erwärmung zeigt, und

Fig. 13 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Eine der Schwierigkeiten bei der Formung von Sandwichplatten mit gewelltem oder wabenförmigem Kern beruht darin, daß es so gut wie nicht auszuschließen ist, daß hierbei eine Biegebeanspruchung F(vgl. F i g. 5) auftreten muß. Diese Biegung hat zur Folge, daß in der gespannten Deckiiaut 1 eine Zugbeanspruchung 71 und in der komprimierten Deckhaut 2 eine Druckbeanspruchung Ci erzeugt wird. Die Beanspruchungen bleiben jedoch gleich, solange sich die neutrale Faser in gleichen Abständen von den Außenflächen der Platte befindet (anschaulichkeitshalber wurden in F i g. 1 und 2 die gleichen Beanspruchungen T und C in dem Fall dargestellt, in dem sich die neutrale Faser x-y in gleichen Abständen r von den Außenflächen bzw. Deckhäuten f und 2 der Platten befindet, während in den Fig.3 und 4 die ungleich großen Beanspruchungen T und C in dem Fall dargestellt sind, in dem die neutrale Faser x-y bezüglich der Mittelebene derselben Platten versetzt ist).

Diese Beanspruchungen sind durch die folgende Crundformel leicht errechenbar:

In dieser Formel ist

I/r

σ die Beanspruchung

M das Biegemoment

/ der Trägheitsmoment des Werkstückquerschnitts

r der Abstand der Außenflächen (oder Häute) von der neutralen Faser x-y.

Die Zugbeanspruchung Tbringt in der Praxis keinen besonderen Nachteil mit sich, sofern das Metall ein ausreichendes Dehnungsvermögen besitzt Dagegen führt die Druckbeanspruchung der komprimierten Haut 2 schnell zu einer örtlichen Knickerscheinung, die sich in immer stärker werdenden Faltungen äußert Diese Erscheinung ist nahezu unvermeidbar, wie das Diagramm von F i g. 7 zeigt In diesem Diagramm ist

ε die Verformung

σ die Beanspruchung

σι die Beanspruchung, von welcher an die örtliche

Knickung der komprimierten Haut auftritt, und 02 die Beanspruchung bei der Elastizitätsgrenze des Metalls bei 0,2% Dehnung.

Wenn nun der Werkstoff endgültig verformt werden soll, so ist es unbedingt erforderlich, die Elastizitätsgrenze des Metalls bei 0,2% Dehnung weit zu überschreiten, die im allgemeinen größer als die Beanspruchung o\ ist die die örtliche Knickerscheinung bestimmt

Dieser Nachteil kann häufig vermieden werden, indem die sogenannten Verfahren zur Formung durch »Strecken« benutzt werden, bei denen vor der Biegeverformung auf die in F i g. 6 gezeigte Weise auf die Platte eine Zugkraft Ti ausgeübt wird. Diese Beanspruchung T2 kommt von der Druckbeanspruchung, die in der inneren Haut 2 auftritt, in Abzug (C\ — T2) und setzt im selben Maße das Auftreten der örtlichen Knickerscheinung herab. Dagegen addiert sich diese Beanspruchung zu der Zugbeanspruchung in der äußeren Haut 1 (T\ + T^ und begrenzt dadurch die Möglichkeiten der Verformung infolge hoher Beanspruchungen, die zum Reißen der gespannten Haut 1 führen können.

Bekanntlich wird die Formung von oxydierbaren Teilen, insbesondere von Teilen aus Titan oder einer Titanlegierung, erleichtert, wenn sie unter Erwärmung durchgeführt werden kann. Abgesehen davon, daß die Temperaturerhöhung die mechanischen Grundcharakteristiken verbessert kann hierdurch die »elastische Rückverformung« (Federwirkung) vermieden werden, die bei diesen Werkstoffen bei Kaltbehandlung besonders hoch ist. Um wirksam zu sein, muß diese Temperatur jedoch hoch sein, nämlich höher als 600⁰C. Bei diesen Temperaturen werden jedoch bekanntlich alle diese oxydierbaren Metalle von der Atmosphäre sehr stark angegriffen, was eine beträchtliche Verringerung des festen Querschnitts und das Auftreten von oxydierten Rissen zur Folge hat Infolgedessen erfordert ein bekanntes Formungsverfahren eine ziemlich lange Zeit während der die Oxydierung und die Zerstörung sich in einem Prozeß entwickeln, der durch F1 g. 8 veranschaulicht wird, in der auf der Abszisse die Temperatur (in ⁰C) und auf der Ordinate die Oxydationstiefe (in mm) aufgetragen ist. In dieser Figur entsprechen die Kurven I, II, III und IV Erwärmungszei-

ten von einer halben Stunde, einer Stunde, zwei Stunden und vier Stunden. Man stellt fest, daß die Oxydationstiefen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Zeit tatsächlich zwischen etwa 0,03 mm und 1,1 mm variieren.

Wenn man in Betracht zieht, daß die Häute der zu formenden Sandwichplatten im allgemeinen einige zehntel Millimeter und sogar einige hundertstel Millimeter nicht überschreiten, so ist klar, daß der verbleibende gesunde Metallteil bei einem derartigen ι ο Arbeitsgang so gut wie nicht vorhanden ist, so daß es nicht möglich ist, derartige Werkstoffe nach den bekannten Verfahren in der freien Luft zu behandeln.

Eine für kleine Werkstücke mögliche Lösung, die darin besteht, daß die zu formenden Werkstücke in eine unter Vakuum oder neutraler Atmosphäre stehende Kammer eingesetzt werden, ist schwer durchführbar, sobald diese Werkstücke große Abmessungen erreichen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können alle diese Nachteile beseitigt werden.

Durch dieses Verfahren wird einerseits das Auftreten der örtlichen Knickerscheinungen der inneren komprimierten Haut beträchtlich zurückgesetzt, wodurch sich die Formungsmöglichkeiten bei einer gegebenen Platte erhöhen. Andererseits ermöglicht dieses Verfahren die Formung von oxydierbaren Werkstücken insbesondere aus Titanlegierungen in sehr kurzen Zeiten, während denen die Oxydation nur wenig Zeit hat, um sich zu entwickeln, und zwar auch ohne einen Gasschutz. Eine derartige Formung in kurzer Zeit bedeutet jedoch keineswegs, daß die Verformungsgeschwindigkeiten hoch sind; vielmehr das Gegenteil ist der Fall, was die Ausnutzung der in der Metallurgie bekannten Relaxationserscheinungen gestattet

Dieses Verfahren ist im wesentlichen dadurch bestimmt, daß die Verkleidungen bzw. Häute einer metallischen Sandwichplatte örtlich und differenzierend erwärmt werden, so daß die in den Verkleidungen zum Zeitpunkt der Formung erzeugten Zug- und Druckbeanspruchungen hinsichtlich der mechanischen Charakteristiken der betreffenden Metalle optimal sind.

Weitere Merkmale sind: Die Zone der örtlichen Erwärmung befindet sich in Nähe der Zone der momentanen Verformung; die Formung wird durchgeführt, indem die Platte auf eine bewegliche Form aufgelegt wird und indem eine Einrichtung zur örtlichen Erwärmung in unmittelbarer Nähe der Tangentialpunkte der Form und der noch nicht geformten Platte angeordnet wird; im besonderen Fall von Titan und seinen Legierungen beträgt die Temperatur der »wärmeren« Verkleidung etwa 77O°C, was einen Elastizitätsmodul von nahe 6200 hbar mit sich bringt, während die Temperatur der »kälteren« Verkleidung etwa 480⁰C beträgt, was einen Elastizitätsmodul von nahe 8500 hbar mit sich bringt

Die Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens werden im folgenden an Hand der Fig.9 und 13 beschrieben.

Fig.9 zeigt eine erste Ausführungsform. Die zu formende Sandwichplatte 3 wird mit ihrer Innenseite 7 auf eine beliebige rotierende Form 4 aufgelegt Eine Einrichtung 5 zur örtlichen Erwärmung, beispielsweise ein Joddampfstrahler mit Infrarotröhren, erwärmt örtlich das Metall auf der Außenseite 6 in Nähe der Linie der momentanen Verformung, d.h. an der Stelle der Tangentialpunkte der Form und der noch nicht geformten Platte. Eine Halteeinrichtung 8 mit einer Rolle verhindert das Abheben der Platte; gegebenenfalls ist ein Spannsystem 9 vorgesehen, das auf die Platte einen Zug ausübt, so daß eine zusätzliche allgemeine Streckung erzeugt wird.

Die Oberfläche der Form 4 kann an der Stelle 10 mit Isolierstoffen belegt sein, beispielsweise Asbest oder geschmolzener Keramik, oder mit leitenden Stoffen aus Kupfer oder Aluminium, so daß die Wärmeleitfähigkeit dieser Produkte zu einer optimalen Wärmeverteilung in der Platte führt.

Mit dieser Vorrichtung wurde ein kreisförmiger Zylinder mit einem Innendurchmesser von 100 mm aus einer geschweißten Sandwichplatte hergestellt, die aus einem gewellten Kern mit einer Stärke von 0,15 mm und einer Teilung von 6 mm und aus zwei Verkleidungen oder Häuten mit einer Stärke von 0ß mm aus einer Titanlegierung mit 6% Aluminium und 4% Vanadium bestand. Die Gesamtstärke der Platte betrug 43 mm und die Formgeschwindigkeit betrug 6 mm pro Minute.

Die örtliche Erwärmung wurde mit Hilfe eines Joddampfstrahlers mit linearer Heizzone vorgenommen, der so installiert war, daß die erwärmte Zone auf der Außenseite 6 eine Erzeugende des Zylinders mit einer Breite von annähernd 3 mm war.

Die auf der äußeren erwärmten Haut gemessene Temperatur betrug 770" C und die auf der mit der isolierenden Form in Berührung stehenden, inneren Haut 480⁰C.

Die Kurven von Fig. 10, bei denen auf der Abszisse die Temperatur (in ⁰C) und auf der Ordinate die im Nachstehenden definierten mechanischen Charakteristiken σ_0Α E und A aufgetragen sind, gegen die Werte dieser mechanischen Charakteristiken im Falle von Blechen aus der angeführten Titanlegierung mit einer Stärke von 0,3 mm an. In F i g. 10 ist

öo,2 die Festigkeit bei der gewöhnlichen Elastizitätsgrenze bei 0,2% Dehnung,
E der Elastizitätsmodul und
A % die Bruchdehnung.

Fig. 10 zeigt, daß die Elastizitätsgrenze und der Elastizitätsmodul abnehmen, wenn die Temperatur zunimmt und daß dagegen die zulässige Dehnung nach einer geringen vorübergehenden Senkung beträchtlich zunimmt

Wenn somit die in Formung begriffene Zone der Sandwichplatte zu einem bestimmten Zeitpunkt gleichmäßig erwärmt ist, so liegt die Fläche der neutralen Fasern infolge der thermischen Symmetrie in der Mitte der Platte; die Zug- und Druckbeanspruchungen sind in absoluten Werten gleich groß.

Wenn jedoch infolge der bevorzugten Erwärmung der äußeren Haut eine thermische Unsymmetrie auftritt so wird der Elastizitätsmodul der äußeren Haut kleiner als der der inneren Haut und die Fläche der neutralen Fasern verschiebt sich auf die komprimierte Haut zu, während die Zug- und Druckbeanspnichungen nicht mehr gleich groß sind.

Wenn beispielsweise die äußere »wanne« Haut mit einem Elastizitätsmodul von 6200 hbar bei 770⁰C gespannt ist, ist die innere »kalte« Haut mit 8500 hbar bei 480° C komprimiert und die Verschiebung der Fläche der neutralen Fasern nach unten entspricht dem Verhältnis von

8500
6200

= 1,37,

was in F i g. 3 und 4 schematisch dargestellt ist

Die Kompression in der inneren Haut hat auf diese Weise gegenüber dem vorhergehenden normalen Fall beträchtlich abgenommen; diese Haut besitzt außerdem eine hohe Steifigkeit (8500 hbar). Infolgedessen ist sie wenig beansprucht und widersteht der Knickung. Die ^r> hinderlichen Nachteile einer örtlichen Knickung sind somit beseitigt. Die Verschiebung der neutralen Fasern hat ferner die Erhöhung der Spannung der äußeren Haut, d.h. der für die Verformung erforderlichen Dehnung zur Folge. Diese Erhöhung wird jedoch ι ο dadurch kompensiert, daß diese Seite auf einer hohen Temperatur ist (770"C) und daß bei dieser Temperatur die zugelassene Dehnung, die hierbei 30 Prozent beträgt, wie Fig. 10 zeigt, sehr reichlich ist und für die meisten Fälle, die für Sandwichplatten in Betracht kommen, ausreicht. F i g. 11 zeigt als Beispiel bei geschweißten Lamellen von 0,27 mm und 0,14 mm aus der angeführten Titanlegierung die Korrosionswirkung, die man in der Luft während einer längeren Erwärmung bei 800° C erhält. Das mikroskopische Bild zeigt, daß die 2« oxydierte Stärke sehr groß und in einer 125fachen Vergrößerung gut sichtbar ist.

Das mikroskopische Bild von Fig. 12, das die Verbindungszone von anderen Lamellen derselben Art zeigt, die Bestandteile einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Sandwichplatte bilden, läßt den sehr geringen oxydierten Teil erkennen, obwohl es sich hierbei um eine 340fache Vergrößerung handelt.

Für eine andere Formung eines Werkstücks zeigt Fig. 13 eine ähnliche Vorrichtung wie Fig.9, bei der die rotierende Form 11 nicht zylindrisch ist, während die Platte 3 durch einen Strahler 5 mit Infrarotröhren erwärmt wird und durch eine Druckrollenvorrichtung 12 gehalten wird.

Bei allen diesen Ausführungsformen — ob es sich um eine zylindrische oder um eine nicht zylindrische Form handelt — wird dasselbe Verfahren benutzt, das der Vermeidung der örtlichen Beanspruchungen des Werkstücks durch örtliche unsymmetrische Erwärmung auf den beiden Häuten einer Sandwichplatte dient.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Biegen einer aus einem beiderseits mit einer dünnen Deckhaut aus leicht oxydierbarem Metall belegten gewellten oder wabenförmigen Kern bestehenden Sandwichplatte, bei dem die Sandwichplatte erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen in der Weise erfolgt, daß beim Biegevorgang die außenliegende Deckhaut (1) an der Biegestelle auf eine Temperatur gebracht wird, bei der die Bruchdehnung (A) des Metalls größer ist als die der Elastizitätsgrenze (O₀₃) zugeordnete Dehnung, während die innenliegende Deckhaut (2) an der Biegesteile auf eine niedrigere is Temperatur gebracht wird, bei der der Elastizitätsmodul (E) des Metalls höher ist als bei der höheren Temperatur der außenliegenden Deckhaut