DE2913568C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen von Blechen aus einem Metall mit relativ schlechtem Formänderungsvermögen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solches Verfahren ist bereits aus der DE-OS 25 32 738 bekannt.

Bei diesem bekannten Verfahren wird das relativ schlecht verformbare Metallblech zwischen einer oberen und einer unteren Deckplatte angeordnet, worauf die Anordnung aus den beiden Deckplatten und dem dazwischen angeordneten Metallblech erwärmt und durch einen Ziehvorgang verformt wird. Zur Verminderung der Reibung zwischen den beiden Deckplatten und dem zu verformenden Metallblech werden Schmiermittel aus Graphit oder Molybdän-Disulfid verwendet.

Dieses bekannte Verfahren ist insofern nachteilig, als das Erhitzen der Anordnung aus den Deckplatten und dem dazwischenliegenden Metallblech mehrfach wiederholt werden muß, da die benutzte Anordnung als Ganzes sehr rasch abkühlt. Insbesondere leidet das bekannte Verfahren darunter, daß der schwer zu verformende Blechrohling sowie seine beiden Deckplatten in ihren mittleren und oberen Bereichen während des Ziehvorganges einen deutlichen Temperaturverlust erleiden, wodurch der Formänderungswiderstand der zu verformenden Anordnung deutlich erhöht und demzufolge das Ziehwerkzeug (Tiefziehwerkzeug) stark beansprucht wird.

Aus der DE-PS 95 35 16 ist es bereits bekannt, beim Warmziehen von Metallen glasartige Materialien, wie Glasfilz oder Glasgewebe, auf die Werkstücke zu legen oder das Werkstück ganz oder teilweise darin einzupacken, um auf diese Weise eine Schmierwirkung zwischen dem Ziehstempel und dem Werkstück herbeizuführen.

Aus der DE-Z. VDI-Zeitschrift 99 (1957), Seite 1221, ist es bereits bekannt, als Schmiermittel Glaswolle und Glaspulver, Molybdän-Disulfid mit Graphit, Feldspat, Bariumchlorid mit Natriumchlorid sowie Asbest zu verwenden. Ferner nennt die genannte Entgegenhaltung als hervorragend geeignet Glaswolle und Glaspulver in ihrer Anwendung nach dem S´journet-Patent.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung so zu verbessern, daß eine Vereinfachung des Ziehvorganges und eine Verbesserung des Verfahrensergebnisses erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch die im neuen Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß wärmeisolierende Schichten aus keramischen Fasern verwendet werden, welche eine hohe Wärmebeständigkeit besitzen und nicht während des Verformens schmelzen. Diese Schicht aus keramischen Fasern auf Tonerdebasis führt ferner zu einer Vergleichmäßigung des Verformungsdruckes über die gesamte Oberfläche des zu verformenden Blechrohlings.

Keramische Fasern, insbesondere keramische Fasern auf Tonerdebasis, besitzen eine bessere Wärmebeständigkeit als Asbest. Im Gegensatz zu Asbest sind sie nicht gesundheitsgefährdend. Ferner gestattet die Verwendung von keramischen Fasern auf Tonerdebasis eine Einstellung der spezifischen Dichte der wärmeisolierenden Schicht innerhalb weiter Grenzen.

Als Metall mit relativ schlechtem Formänderungsvermögen gilt im Rahmen dieser Erfindung ein Metall, dessen Formänderungsvermögen geringer ist als dasjenige von nichtrostendem Stahl. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sehr gut zum Verformen von Titanlegierungen und eignet sich auch recht gut für die Verarbeitung von Berylliumlegierungen und für die Verarbeitung von "Maraging"-Stählen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer mit einem Satz von Ziehwerkzeugen ausgerüsteten Presse zum Verformen eines Metallbleches in eine halbkugelförmige Gestalt,

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Anfangszustand eines herkömmlichen Warmverformungsverfahrens für ein Metall mit geringem Formänderungsvermögen,

Fig. 3 und 4 zwei verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens zum Aufbringen wenigstens einer wärmeisolierenden Beschichtung,

Fig. 5 eine Teilvergrößerung aus Fig. 3,

Fig. 6 das isolierte Ausgangsmaterial gemäß Fig. 3 in einer Anordnung zwischen den Formwerkzeugen der in Fig. 1 dargestellten Presse,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Enstufe eines erfindungsgemäßen Formgebungsvorganges, ausgehend vom in Fig. 6 dargestellten Zustand,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung hergestellten halbkugelförmigen Erzeugnisses und

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines auf herkömmliche Weise hergestellten halbkugelförmigen Erzeugnisses.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Verformung eines Bleches aus einer Titanlegierung zu einem im wesentlichen halbkugelförmigen Erzeugnis erläutert, welches als Teil eines Druckgefäßes angesehen werden kann.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche doppelt wirkende Presse 20, die zum Ziehen eines Metallbleches verwendet wird. Ein Ziehstempel 22 ist an einem aufwärts und abwärts verschieblichen Innenkopf 24 der Presse 20 befestigt, und weiter unten ist ein kreisförmiges Ausgangsmaterial 10 horizontal auf einem ortsfesten Matrizenhalter 25 angeordnet, an welchem ein Matrizenring 26 befestigt ist. Die Presse 20 besitzt einen zylindrischen Außenkopf 28, der koaxial zum Innenkopf 24 angeordnet ist und unabhängig vom Innenkopf 24 in vertikaler Richtung beweglich ist. Ferner ist ein oberer Ring 30 am unteren Ende des Außenkopfes 28 befestigt. Im Betrieb wird zunächst der Außenkopf 28 so abgesenkt, daß der obere Ring 30 einen Randbereich des Ausgangsmaterials 10 gegen den Matrizenhalter 25 drückt. In dieser Weise wirkt der obere Ring 30 als Blechhalter. In diesem Zustand wird der Innenkopf 24 abgesenkt, um vermittels des Stempels 22 einen Verformungsdruck auf das Blech 10 auszuüben.

Beim Verfahren nach der Erfindung ist das in Fig. 1 dargestellte Ausgangsmaterial 10 aus einer Titanlegierung ausreichend (beispielsweise auf 930°C) erwärmt worden, bevor es in die Presse 20 eingelegt worden ist, wobei wenigstens eine Seite des erwärmten Bleches 10 mit einem in Fig. 1 nicht dargestellten wärmeisolierenden Material bedeckt worden ist, derart, daß zwischen dem Ziehstempel 22 und dem Titanlegierungsblech eine erwärmte wärmeisolierende Schicht zwischengefügt ist.

Fig. 2 zeigt ein Titanlegierungsblech 12 im Anfangsstadium eines auf herkömmliche Weise durchgeführten Verformungsvorganges, der dadurch vervollständigt wird, daß die Schritte des Erwärmens des Bleches 12 und des Verpressens des erwärmten Bleches 12 etwa 10mal wiederholt werden. Hat das Blech 12 einen Durchmesser von etwa 1000 mm und eine Dicke von etwa 30 mm, so wird das Blech 12 auf etwa 1000 bis 1100°C vorgewärmt, aber trotzdem erniedrigt sich die Temperatur des Bleches 12 vor dem Beginn des Ziehvorganges, d. h. vor dem Zeitpunkt, zu welchem der Ziehstempel 22 mit dem Blech 12 in Kontakt gelangt. Während des Ziehvorganges wird das Absinken der Blechtemperatur immer deutlicher, da zusätzlich zur Wärmeleitung durch den Matrizenhalter 25, den Matrizenring 26 und den Blechhalter 30 der Ziehstempel 22 eine große Wärmemenge abführt. Der Temperaturabfall erreicht und überschreitet häufig etwa 100°C.

Bei einem Verfahren nach der Erfindung wird ein dem Blech 12 in Fig. 2 ähnliches Blech-Ausgangsmaterial mit einem wärmeisolierenden Werkstoff, der kompressibel ist und ein Wärmeisolierungsvermögen bei einer Temperatur beibehält, auf welche das Blech erwärmt wird, bedeckt, derart, daß wenigstens der Ziehstempel 22 und der Blechhalter 30 nicht in direkten Kontakt mit dem Blech gelangen.

Wie Fig. 3 zu entnehmen, kann die Wärmeisolierung erfindungsgemäß dadurch erzielt werden, daß zunächst das Blech 12 zwischen die beiden Hilfsmetallplatten 16 und 18 sandwichartig eingebaut wird und daß dann die obere Metallseite 18 mit einer wärmeisolierenden Schicht 15 bedeckt wird, woran anschließend die gesamte in Fig. 3 gezeigte Anordnung erwärmt wird. Selbstverständlich kann diese Arbeitsweise dadurch modifiziert werden, daß die wärmeisolierende Schicht 15 und die Anordnung aus dem Blech 12 und den Metallplatten 16 und 18 gesondert voneinander erwärmt und anschließend die erwärmte wärmeisolierende Schicht 15 auf der erwärmten Metallplatte 18 angeordnet wird. Auch in diesem Fall ist es nicht erforderlich, die Metall- Hilfsplatten 16 und 18 an das Blech 12 zu binden. Vorzugsweise ist die Hilfsplatte 16 an der Unterseite dicker ausgebildet als die obere Metallplatte 18, weil dann, wenn der resultierende Schichtkörper unter der Einwirkung eines aus der Richtung der oberen Platte 18 wirkenden Drucks in Richtung auf die untere Platte 16 gebogen wird, eine im Blech 12 verlaufende neutrale Ebene nicht mit der Mittelebene des Bleches 12 zusammenfällt. Bei Ausbildung wie oben, wird die neutrale Ebene in Richtung auf die untere, dickere Stahlplatte 16 verschoben, so daß sich ein in Fig. 3 zu tief unten liegender Bereich des Bleches 12 unter erleichterter Zugbeanspruchung verformt. Um den innigen Kontakt der Metall-Hilfsplatten 16 und 18 mit dem 12 zu gewährleisten, um eine seitliche Verlagerung der Metallplatten 16, 18 zu verhindern und um die Anordnung gut handhaben zu können, können die beiden Metallplatten 16 und 18 miteinander an ihren Umfangsflächen verbunden werden. Wie in Fig. 5 als Beispiel dargestellt, kann das Verbinden der beiden Metallplatten 16 und 18 dadurch erfolgen, daß eine Vielzahl von Metallstücken 19 mit den Umfangsoberflächen der beiden Platten 16 und 18 in Abständen voneinander derart angeschweißt werden, daß diese Metallstücke 19 den Spalt zwischen den beiden Platten 16 und 18 überbrücken.

Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die in Fig. 3 als untere Metallplatte 16 dargestellte Metallplatte gleichfalls mit einer wärmeisolierenden Beschichtung 15′ versehen werden.

Die Dicke einer jeden wärmeisolierenden Schicht 15 oder 15′ wird unter Berücksichtigung des Materials der wärmeisolierenden Schicht, der Dicke des Bleches 12, der Dicke einer jeden Metall-Hilfsplatte und der Menge an erforderlicher Zeit zum Überführen des erwärmten und isolierenden Ausgangsmaterials aus dem Erhitzungsofen zur Presse bestimmt. In jedem Fall sollte jede wärmeisolierende Schicht ausreichend dick sein, um den Temperaturabfall des Bleches (sowie der Metall-Hilfsplatten) vor Abschluß des Verformungsvorganges auf ein vertretbares Maß zu begrenzen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Preßverfahrens lassen sich wie folgt zusammenstellen.

• 1. Das zu verformende Blech kann gleichförmig erhitzt werden und verbleibt auf gleichmäßiger Temperatur.
• 2. Der Wärmeverlust aus dem Blech durch Strahlung und Konfektion während des Transportes des Bleches vom Erwärmungsofen in die Presse und während des Verpressungsvorganges kann in großem Ausmaß herabgesetzt werden.
• 3. Weil zwischen dem Blech und dem Ziehstempel eine wärmeisolierende Schicht vorhanden ist, erleidet das Blech nicht einen derart raschen und deutlichen Temperaturverlust, insbesondere in seinem mittleren und oberen Bereich, wie beim Ziehen auf herkömmliche Weise üblich, wodurch der Ziehvorgang erleichtert wird.
• 4. Zusätzlich zu dem Effekt des Temperaturhaltens wirkt die zwischen Blech und Ziehstempel angeordnete kompressible, wärmeisolierende Schicht im Hinblick auf eine gleichmäßige Übertragung des Verformungsdruckes auf das Blech über die gesamte Kontaktfläche zwischen dem Ziehstempel und dem isolierten Blech, wodurch der Verformungsvorgang mit verbesserter Genauigkeit hinsichtlich Gestalt und Abmessungen des hergestellten Erzeugnisses durchgeführt werden kann.
• 5. Es ist nicht mehr erforderlich, das Erwärmen und Verpressen vielfach zu wiederholen, da selbst beim Tiefziehen in den meisten Fällen die angestrebte Verformung durch einen einzigen Verformungsvorgang erzielbar ist.
• 6. Da der Temperaturabfall im Blech vor Beendigung eines Ziehvorganges sehr gering ist (beispielsweise lediglich 10 bis 20°C) ist es ausreichend, das Blech auf eine Temperatur zu erwärmen, die beträchtlich unter den herkömmlicherweise benutzten Vorwärmtemperaturen liegt. Das hat zur Folge, daß ein auf erfindungsgemäße Weise hergestelltes Erzeugnis sich durch ein feineres Korn im Vergleich mit auf herkömmliche Weise verformten Erzeugnissen auszeichnet.
• 7. Durch Anordnen einer wärmeisolierenden Beschichtung auf wenigstens einer Blechseite lassen sich als gemeinschaftlicher Effekt die Herabsetzung der Erhitzungstemperatur und die Verkürzung der insgesamt benötigten Verformungszeit erreichen, wobei gleichzeitig eine verminderte Oxidation erzielt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen noch näher erläutert.

Beispiele

Bei diesem Beispiel wird eine 28 mm dicke Platte aus einer Titanlegierung, enthaltend im wesentlichen etwa 6% Aluminium, etwa 4% Vanadium, Rest Titan, mit Hilfe der in Fig. 3 dargestellten Ausbildung der Wärmeisolierung zu einer halbkugelförmigen Schale mit einem Durchmesser von 1000 mm verformt.

Zunächst wurde das Blech 12 sacht sandwichartig zwischen zwei Metall-Hilfsplatten 16 und 18 angeordnet, die beide aus Flußstahl bestanden. Die Hilfsplatten 16 und 18 wurden miteinander wie in Fig. 5 dargestellt verbunden. Die untere Stahlplatte 16 war 60 mm dick und die obere Stahlplatte 18 war 32 mm dick, so daß sich die Gesamtdicke der drei aufeinander gelegten Metallplatten 16, 12 und 18 auf 120 mm belief. Die obere Oberfläche und ein Teil der Umfangsfläche dieser Anordnung wurden mit der wärmeisolierenden Schicht 15 bedeckt, die aus einem keramischen Fasermaterial bestand und eine Dicke von 25 mm aufwies. Sodann wurde die Gesamtanordnung in einem Ofen erwärmt, bis die Metallplatten 16, 12 und 18 sowie die wärmeisolierende Schicht 15 eine gleichmäßige Temperatur von 920°C angenommen hatten. Die erwärmte Blechanordnung wurde säuberlich in der Presse 20 angeordnet, wobei die untere Stahlplatte 16 auf den Matrizenhalter 25 gelegt wurde, wie in Fig. 6 dargestellt. Unverzüglich wurden der Blechhalter 30 und der Ziehstempel 20 abgesenkt, um das Blech 12 zu einer halbkugelförmigen Schale 12 A zusammen mit den Stahlplatten 16 und 18 sowie der wärmeisolierenden Schicht 15 zu verformen, wie in Fig. 7 dargestellt. Es war möglich, den halbkugelförmig gestalteten Gegenstand 12 A mittels eines einzigen Ziehvorganges bei einer Preßkraft von 2000 t zu erzielen. Dieser Ziehvorgang wurde in lediglich 3 Minuten nach Entnahme der gewärmten Blechanordnung aus dem Ofen abgeschlossen. Während dieses Zeitraums kühlte sich das Blech 12 lediglich um 10°C von seiner Ausgangstemperatur von 920°C ab. Am Ende des Ziehvorganges wurde für die wärmeisolierende Schicht 15 eine Dicke von noch etwa 2 mm ermittelt, wobei diese Schicht an der Stahlplatte 18 anhaftete.

Zu Vergleichszwecken wurde die gleiche Titanlegierung auch auf herkömmliche Weise zu einem halbkugelförmigen Erzeugnis mit 1000 mm Durchmesser verformt, wobei das Blech 12 wiederholten Erhitzungsvorgängen (auf 1000 bis 1100°C) und Warmpreßvorgängen im unbeschichteten Zustand unterworfen wurde. Es war erforderlich, das Erwärmen und Verformen 10mal zu wiederholen, um die angestrebte Verformung zu erzielen.

Fig. 8 zeigt schematisch in einem Schnitt durch den halbkugelförmigen Gegenstand 12 A den auf erfindungsgemäße Weise hergestellten Gegenstand. Der Scheitelpunkt der Halbkugel ist mit dem Bezugszeichen V bezeichnet, während die Umfangskante mit dem Bezugszeichen E bezeichnet ist. Die Wandung dieses Gegenstandes 12 A war dünner als die ursprüngliche Abmessung (28 mm) des Bleches 12 in einem den Scheitel V aufweisenden Zentralbereich, aber war dicker als 28 mm in einem Kantenbereich. Die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen wurde in einer Ebene aufgefunden, die durch die Linie P-P in Fig. 8 veranschaulicht ist. Mit anderen Worten war der Umfangsbereich P-P frei von Dickenänderungen. Der Vertikalabstand dieses Schnittes P-P vom Scheitel V wurde auf 250 mm bestimmt. Die maximale Verringerung der Wanddicke betrug 18% und diese Verringerung wurde in einem Schnitt Q-Q bestimmt, die einen senkrechten Abstand von 100 mm vom Scheitelpunkt V aufweist.

In vergleichbarer Weise zeigt Fig. 9 einen halbkugelförmigen Gegenstand 12 B, der zu Vergleichszwecken auf herkömmliche Weise hergestellt worden war. Bei diesem Erzeugnis 12 B wurde ein Schnitt P′-P′, in welchem keine Dickenänderungen aufgetreten waren, in einem Vertikalabstand von 400 mm vom Scheitelpunkt V gefunden. Die maximale Herabsetzung der Dicke betrug etwa 30% und wurde in einem Schnitt Q-Q in einem Vertikalabstand von lediglich 50 mm vom Scheitelpunkt V festgestellt.

Der auf erfindungsgemäße Weise hergestellte Gegenstand 12 A zeichnete sich dadurch aus, daß der von Dickenänderungen freie Schnitt P-P nahezu in der Mitte zwischen dem Scheitel V und der Kante E lag, wohingegen beim auf herkömmliche Weise hergestellten Erzeugnis 12 B die entsprechende Schnittebene P′-P′ relativ dicht an der Kante E verlief. Außerdem lag die Schnittebene Q-Q maximaler Dickenverminderung in einem vergleichsweise größeren Abstand vom Scheitel V als die entsprechende Schnittebene Q′-Q′ beim Erzeugnis 12 B. Diese Ergebnisse und die Kleinheit der maximalen Dickenabnahme (18%) macht deutlich, daß der Gegenstand 12 A mit einer vergleichsweise kleinen Gesamt-Dickenabnahme hergestellt worden war und daß das Blech aus der Titanlegierung sehr glatt und weich gezogen oder gestreckt worden war.

In der folgenden Tafel sind die Meßergebnisse zusammengestellt, die an den halbkugelförmigen Gegenständen 12 A und 12 B ermittelt wurden.

Wie der Tafel zu entnehmen, betrug die Abweichung des Innendurchmessers in der erfindungsgemäß hergestellten halbkugelförmigen Schale 12 A weniger als 1/3 der Abweichung, wie sie bei der auf herkömmliche Weise hergestellten Schale 12 B zu beobachten war, wobei sich die Abweichung der Querschnittsgestalt auf etwa die Hälfte belief. Diese Werte zeigen, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens beachtliche Verbesserungen im Hinblick auf die Maßgenauigkeit der hergestellten Erzeugnisse erzielbar sind. Außerdem betrug die Tiefe einer oxidierten Oberflächenschicht in der Schale 12 A lediglich 1/3 der in der Schale 12 B aufgetretenen Oxidationsschicht. Wegen der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielbaren Steigerung der Maßgenauigkeit und Verringerung der Oberflächenoxidationsschicht ist es möglich geworden, die Dicke des zu verformenden Bleches beispielsweise von 28 mm bei herkömmlicher Verarbeitungsweise auf 10 bis 15 mm zu verringern. Dieses führt zu einer deutlichen Verminderung der Materialkosten und zu einer beachtlichen Verminderung der erforderlichen Bearbeitungszeit am verpreßten Erzeugnis.

Claims (5)

1. Verfahren zum Ziehen von Blechen aus einem Metall mit relativ schlechtem Formänderungsvermögen, bei welchem

• a) das Blech zwischen zwei Deckplatten aus einem Metall mit einem besseren Formänderungsvermögen als das Blech angeordnet wird,
• b) die Anordnung aus den beiden Deckplatten und dem dazwischen angeordneten Blech im wesentlichen gleichmäßig auf eine zum Erhöhen des Formänderungsvermögens des Bleches geeignete Temperatur erwärmt wird, und
  • b₁) bei welchem das Blech zusammen mit den beiden Deckplatten mit Hilfe eines Ziehstempels verformt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• c) wenigstens die dem Ziehstempel (22) zugewandte Seite dieser Anordnung (12, 16, 18) mit einer wärmeisolierenden Schicht (15) aus keramischen Fasern auf Tonerdebasis bedeckt wird,
• d) daß die wärmeisolierende Schicht (15; 15′) auf die zum Erhöhen des Änderungsvermögens des Bleches geeignete Temperatur erwärmt wird, wobei die Reihenfolge der Schritte (b, c und d) veränderbar ist, und
• e) daß die Kombination aus der Anordnung (12, 16, 18) und der wärmeisolierenden Tonerdefaserschicht (15, 15′) im erwärmten Zustand vom Preßstempel derart beaufschlagt wird, daß der Ziehstempel direkt die wärmeisolierende Schicht aus Tonerdefasern beaufschlagt und der vom Ziehstempel aufgebrachte Verformungsdruck vermittelt dieser wärmeisolierenden Schicht (15) sowie der dieser Schicht benachbarten Deckplatte (18) auf das Blech (12) übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der einen Deckplatte (18) geringer ist als die Dicke der anderen Deckplatte (16).

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für das zu ziehende Blech eine Titanlegierung verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallwerkstoff für die beiden Deckplatten (16, 18) ein Kohlenstoffstahl verwendet wird.