DE2432929C3

DE2432929C3 - Verfahren zum Biegen einer Sandwichplatte

Info

Publication number: DE2432929C3
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: 1979-10-25
Also published as: FR2237435A5; US3922899A; GB1433306A; DE2432929B2; DE2432929A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein 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.

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 Flächenträgheitsmoment, 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 Deckhaui 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 Rohres 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 Xnickbildung 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 Biegestel'e 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 gegen, 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-

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stimmter Weise unterschiedlich zu wählen, und zwar so, Diese Beanspruchungen sind durch riie folgende

daß einerseits die Bruchdehnung der Außenhaut Grundformel leicht errechenbar:

beträchtlich größer ist als die der Elastizitätsgrenze jy

zugeordnete Dehnung, weil bei den betrachteten ^a = ~γ,—

Materialien die Bruchdehnung keinesfalls einen mono- 5 In diesei Formel ist

ton mit der Temperatur ansteigenden Verlauf hat, die Beanspruchung

sondern ganz im Gegenteil dazu sc_£ar bei erhöhter M das Biegemoment

Temperatur ein ausgeprägtes Minimum zeigt Die _{/ def} Trägheitsmoment des Werkstückquer-

Forderung nach geringer Oxydation bei gleichzeitig Schnitts

einwandfreier Biegestelle kann aus diesem Grund in ,0 _f der Abstand der Außenflächen (oder Häute) von

ι!, überraschender Weise nur in einem ziemlich hohen der neutralen Faser x-y
Temperaturbereich erfüllt werden, in welchem die

genannten Forderungen erfüllt sind. Die Zugbeanspruchung Xbringt in der Praxis keinen

Die Erfindung wird im folgenden anhand von besonderen Nachteil mit sich, sofern das Metall ein Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die 15, ausreichendes Dehnungsvermögen besitzt Dagegen

Zeichnung näher erläutert; es zeigen führ* die Druckbeanspruchung der komprimierten Haut

F i g. 1 und 2 senkrechte Schnitte durch Sandwichplat- 2 schnell zu einer örtlichen Knickerscheinung, die sich in

ten mit gewelltem bzw. wabenförmigem Kern, wobei immer stärker werdenden Faltungen äußert Diese

die neutrale Faser (x-y) in der Mittelebene der Stärke Erscheinung ist nahezu unvermeidbar, wie das Dia-

der Platte liegt 20 gramm von F i g. 7 zeigt In diesem Diagramm ist

F i g. 3 und 4 den Fig. 1 und 2 entsprechende die Verformung

Darstellungen im Fall einer versetzten und nicht in der _dj_e Beanspruchung

Mittelebene der Stärke der Platte befindlichen neutra- ^ _die β^^^ _{von welcher an die ortliche}

len haser (x-y/ Knickung der komprimierten Haut auftritt, und

Fifr 5 und 6 schematiche Darstellungen, die die 25 _die Beanspruchung bei der Elastizitätsgrenze

Verteilung der Beanspruchungen zeigt wenn eme des Metalls bei 0^/₀ Dehnung.
Sandwichplatte einer Biegung und einem Zug ausge-

setzt ist Wenn nun der Werkstoff endgültig verformt werden

F i g. 7 ein Diagramm, das die örtliche Knickerschei- soll, so ist es unbedingt erforderlich, die Elastizitätsgren-

nung einer Sandwichplatte zeigt 30 ze des Metalls bei 0,2% Dehnung weit zu überschreiten,

F i g. 8 ein Diagramm, das die Oxydationswirkung auf die im allgemeinen größer als die Beanspruchung O\ ist

ein oxydierbares Metall in der freien Luft zeigt wenn die die ortliche Knickerscheinung bestimmt

die Zeit und die Temperatur variieren, Dieser Nachteil kann häufig vermieden werden,

F i g. 9 eine schematische Darstellung einer ersten indem die sogenannten Verfahren zur Formung durch

möglichen Ausführungsform einer Vorrichtung zur 35 »Strecken« benutzt werden, bei denen vor der

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Biegeverformuiig auf die in F i g. 6 gezeigte Weise auf

Fig. 10 ein Diagramm, das die mechanischen die Platte eine Zugkraft T₂ ausgeübt wird. Diese

Charakteristiken einer Titanlegierung in Abhängigkeit Beanspruchung T₂ kommt von der Druckbeanspru-

von der Temperatur zeigt chung, die in der inneren Haut 2 auftritt in Abzug

F i g. 11 ein mikroskopisches Bild, das die Wirkung 40 (Q — T₂) und setzt im selben Maße das Auftreten der

der Oxyd? Jon einer Verbindung von Folien aus örtlichen Knickerscheinung herab. Dagegen addiert sich

Titanlegierungen bei langdauernder Erwärmung zeigt diese Beanspruchung zu der Zugbeanspruchung in der

Fig. 12 ein mikroskopisches Bild, das die Wirkung äußeren Haut 1 (Ti + T₂) und begrenzt dadurch die

der Oxydation einer nach dem erfindungsgemäßen Möglichkeiten der Verformung infolge hoher Beanspru-

Verfahren behandelten Verbindung von Teilen aus 45 chungen, die zum Reißen der gespannten Haut 1 fühVen

Titanlegierungen bei Erwärmung zeigt und können.

Fig. 13 eine schematische Darstellung einer zweiten Bekanntlich wird die Formung von oxydierbaren

Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung Teilen, insbesondere von Teilen aus Titan oder einer

des erfindungsgemäßen Verfahrens. Titanlegierung, erleichtert, wenn sie unter Erwärmung

Eine der Schwierigkeiten bei der Formung von 50 durchgeführt werden kann. Abgesehen davon, daß die

Sandwichplatten mit gewelltem oder wabenförmigem Temperaturerhöhung die mechanischen Grundcha-

Kern beruht darin, daß es so gut wie nicht rakteristiken verbessert kann hierdurch die »elastische

auszuschließen ist daß hierbei eine Biegebeanspru- Rückverformung« (Federwirkung) vermieden werden,

chung F(vgl. Fig.5) auftreten muß. Diese Biegung hat die bei diesen Werkstoffen bei Kdltbehandlung

zur Folge, daß in der gespannten Deckhaut 1 eine 55 besonders hoch ist Um wirksam zu sein, muß diese

Zugbeanspruchung Ti und in der komprimierten Temperatur jedoch hoch sein, nämlich höher als 600⁰C.

Deckhaut 2 eine Druckbeanspruchung Q erzeugt wird. Bei diesen Temperaturen werden jedoch bekanntlich

Die Beanspruchungen bleiben jedoch gleich, solange alle diese oxydierbaren Metalle von der Atmosphäre

sich die neutrale Faser in gleichen Abständen von den sehr stark angegriffen, was eine beträchtliche Verringe-

Außenflächen der Platte befindet (anschaulichkeitshal- 60 rung des festen Querschnitts und das Auftreten von

ber wurden in F i g. 1 und 2 die gleichen Beanspruchun- oxydierten Rissen zur Folge hat Infolgedessen erfor-

gen T und C in dem Fall dargestellt, in dem sich die dert ein bekanntes Formungsverfahren eine ziemlich

neutrale Faser x-y in gleichen Abständen r von den lange Zeit, während der die Oxydierung und die

Außenflächen bzw. Deckhäuten 1 und 2 der Platten Zerstörung sich in einem Prozeß entwickeln, der durch

befindet, während in den F i g. 3 und 4 die ungleich 65 F i g. 8 veranschaulicht wird, in der auf der Abszisse die

großen Beanspruchungen T und C in dem Fall Temperatur (in ⁰C) und auf der Ordinate die

dargestellt sind, in dem die neutrale Faser x-y bezüglich Oxydationstiefe (in mm) aufgetragen ist. In dieser Figur

der Mittelebene derselben Platten versetzt ist). 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 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 seiner. Legienmgen beträgt die Temperatur der »wärmeren« Verkleidung etwa 770° C, was einen Elastizitätsmodul von nahe 6200 hbar mit sich bringt, während die Temperatur der »kälteren« Verkleidung etwa 480° C 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 diis 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 vor¹. 6 mm und aus zwei Verkleidungen oder Häuten mit einer Stärke von 0,3 mm aus einer Titanlegierung mit 6% Aluminium und 4% Vanadium bestand. Die Gesamtstärke der Platte betrug 4,3 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 480° C.

Die Kurven von Fig. 10, bei denen auf der Abszisse die Temperatur (in °C) und auf der Ordinate die im Nachstehenden definierten mechanischen Charakteristiken öo,2, 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

ooa 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 Druckbeanspruchungen nicht mehr gleich groß sind.

Wenn beispielsweise die äußere »warme« Haut mit einem Elastizitätsmodul von 6200 hbar bei 770° C 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 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 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 F i g. 10 zeigt, sehr reichlich ist und für die meisten Fälle, die für Sandwichplatten in Betracht kommen, ausreicht. Fig. 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 800⁰C erhält. Das mikroskopische Bild zeigt, daß die 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 Erv/ärmung 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 wabenföritnigen 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 (ooa) zugeordnete Dehnung, während die innenliegende Deckhaut (2) an der Biegestelle auf eine niedrigere Temperatur gebracht wird, bei der der Elastizitätsmodul (E) des Metalls höher ist als bei der höheren Temperatur der außenliegenden Deckhaut.