DE3842064C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentan­ spruches 1 angegebenen Gattung.

Diese seit längerem bekannte Art, aus elastisches und plastisches Umform­ verhalten aufweisendem Werkstoff gebildete Bauteile in eine einachsig ge­ krümmte Form zu bringen, geht davon aus, daß infolge der Beaufschlagung der Oberfläche des umzuformenden Bauteils mittels beschleunigter, fester Strahlmittel, beispielsweise Stahlkugeln, durch Einprägen in die Bauteilober­ fläche Druckspannungen erzeugt werden, woraus eine Dehnung der gesam­ ten Oberflächenschicht des Bauteils resultiert. Innerhalb der unter der Oberflä­ chenschicht liegenden Schicht kommt es infolgedessen zu einer elastischen Dehnung durch die auftretenden Zugspannungen. Es ist bekannt, diese Art der Bearbeitung bei der Umformung von Bauteilen im Flugzeugbau einzuset­ zen.

Beispielsweise ist es bekannt, Paneele oder Beplankungsteile für die Zelle von Flugzeugen, das heißt des Rumpfes oder des Tragflügels in eine Form mit ein­ achsiger Krümmung umzuformen.

Das Strahlmittel wird beim bekannten Verfahren (US-PS 43 29 862) mittels Schleuderrädern beschleunigt auf die Bauteiloberfläche zur Einwirkung ge­ bracht. Dabei sind quer zur Relativbewegung zwischen Werkzeug und Bauteil eine Anzahl solcher Schleuderräder verteilt angeordnet. Dabei ist das Bauteil auf einem Aufnahmetisch aufgespannt.

Die bisher bekanntgewordenen Umformeinrichtungen beziehungsweise die bisher angewandten Verfahren mit Einsatz der Beaufschlagung der Bauteil­ oberfläche erlauben jedoch nicht oder nur in unvollkommener Weise die Umformung ebener Platten in eine Form mit zweiachsiger bzw. sphärischer Krümmung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, mit denen es möglich ist, durch Kugelstrahlumformen ebene Bauteile in eine zweiachsig bzw. sphärisch gekrümmte Form zu bringen und insbesondere auch Bauteile, die Dickensprünge aufweisen.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Haupterfindungsgedankens sind Gegenstände weiterer Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt zur Umformung von ebenen Bauteilen in eine Form mit sphärischer Krümmung das an sich bekannte Kugelstrahlum­ formverfahren ein, wobei die Umformung mit Hilfe computergesteuerter Strahlbeaufschlagung erfolgt, bei der eine Anpassung der Richtung und Stärke der Kugelbeaufschlagung in Abhängigkeit von den Abmessungen des Bauteils, z. B. in Abhängigkeit von der Wanddicke oder in Abhängigkeit von Wanddickenänderungen über die Erstreckung des Bauteils, auf vorbestimm­ ten Bereichen, wie Bereiche gleicher Dehnung voreinstellbar ist. Ein wesentlicher Vorteil hierbei ist, daß notwendige Dickenstufen des Bauteils vor dem Kugelstrahlumformen durch mechanisches Fräsen vorgesehen wer­ den können und das Bauteil mit den fertiggefrästen Konturen umgeformt wird.

Von Vorteil ist auch, daß die umzuformenden Bauteile direkt im ausgehärteten Zustand umgeformt werden können, so daß anschließend keine Wärmebe­ handlung des Bauteils mehr erforderlich ist und damit Wärmeverzug und Än­ derungen des Materialgefüges durch die Wärmebehandlung ausgeschlossen sind.

Ferner resultiert aus den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten eine ver­ minderte Anzahl von Bearbeitungsschritten. Außerdem ist die Umformung des Bauteils durch die computergesteuerte Strahlbeaufschlagung reprodu­ zierbar.

Mittels des Verfahrens kann die Bearbeitung flexibel auf Wandstärkenände­ rungen oder Änderungen der Materialeigenschaften des Bauteils reagieren.

In der Zeichnung ist anhand eines segmentförmigen Blechbauteiles als Aus­ führungsbeispiel der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes in Verbindung mit Einrichtungen zur Kugelstrahlumformung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutet.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Gesamtbauteil, das sich aus mehreren gemäß dem Verfahren umgeformten Einzelsegmenten zusammensetzt, beispielsweise zu einem Kugelkalottenform auf­ weisenden Bodenteil,

Fig. 2 ebenfalls schematisiert dargestellt, in einer Seitenansicht das sich aus Einzelsegmenten zusammensetzende Gesamtbauteil gemäß Fig. 1,

Fig. 3 in Seitenansicht und in gemäß dem Verfahren umgeformten Zu­ stand eines der Elemente des Gesamtbauteils,

Fig. 4 in Draufsicht auf eines der segmentförmigen Elemente, dessen Konturverlauf in Verbindung mit durch Hilfslinien angedeutetem Verfahrensablauf der Umformung durch Kugelbestrahlung und

Fig. 5 einen Spannrahmen bzw. eine Formauflage zur Fixierung und elastischen Vorspannung des segmentförmigen Bauteils.

Als Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 und 2 ein Bauteil 1 dargestellt, das aus mehreren einzelnen Bauteilen 3 zusammengesetzt ist. Die einzelnen Bauteile 3 sind mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus ebenen Plattenteilen in eine Form mit sphärischer Krümmung, wie aus Fig. 3 ersichtlich, umgeformt.

Das aus einer ebenen Platte umzuformende Bauteil 3 weist im Bereich der äußeren Kontur durch mechanisches Fräsen gebildete Dickenbe­ reiche auf, und zwar einen Bereich 5 von ca. 4,5 mm Dicke, einen Bereich 6 von ca. 3,5 mm Dicke und einen Bereich 7 von ca. 2,6 mm Dicke. Diese Dickenunterschiede sind durch mechanisches Fräsen vor der Umformung in eine sphärische Krümmung der ebenen Bauteile 3 gebildet. Die Umformung der ebenen Bauteile 3 in eine zweiachsig gekrümmte Form durch Bestrahlen der Bauteiloberfläche 10 erfolgt gemäß dem Verfahren dadurch, daß die Strahlmittelstrahlen beim Überdecken der Bauteiloberfläche 10 der Kontur des Bauteiles 3 folgen. Dabei wird die Umformung durch Einsatz bestimmter Strahlparameter und unter Verfolgung einer vorbestimmten Strahlstrategie bewirkt. Es werden dabei die über das Bauteil 3 geführten Strahlspuren in Form eines polygonähnlichen Musters der Geometrie des Bauteiles 3 ange­ nähert.

Das Bauteil 3 weist in seiner Längsrichtung eine obere und eine untere Kon­ turfläche 8 und daran anschließende Seitenflächen 9 auf, wobei hier das Zentrum bzw. der mittlere Bereich der zu bestrahlenden Bauteiloberfläche 10 mit M bezeichnet ist.

Die computergesteuerte Führung der durch die Strahleinrichtung erzeugten Strahlspuren auf der zu beaufschlagenden Bauteilseite 10 (konkav) ist aus Fig. 4 ersichtlich. Die Strahlspuren verlaufen entsprechend dem erfindungs­ gemäßen Verfahren entlang von in Fig. 4 angedeuteten Bahnen 11 und sind der Bauteil-Geometrie angepaßt und weisen angenähert gleiche Dehnung auf.

Die Anordnung der Strahlspuren bewirkt, daß die entsprechende Dehnungs­ verteilung erzeugt wird, wobei das Bauteil 3 im mittleren Bereich M die größ­ ten Dehnungen erfahren soll.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das ebene Bauteil 3 bzw. Blech zunächst, abhängig von seinem Umformverhalten, von einer Spannvorrichtung in konvexer Lage aufgenommen und fixiert. Danach erfolgt die Strahlbehandlung des Bauteiles 3 von der konvex gewölbten Seite aus mit Hilfe der beschleunigten Strahlkugeln, so daß eine Vorkrümmung in die gewünschte Richtung erzeugt werden kann.

Es kann jedoch auch von vornherein das Bauteil 3 in konkaver Lage aufge­ spannt bzw. fixiert werden, so daß eine konkave elastische Vorkrümmung ent­ steht. Danach erfolgt die Kugelbestrahlung von der konkaven Seite her, um die notwendigen Dehnungen im Bauteil 3 und die gewünschte bleibende kon­ kave Krümmung zu erreichen.

Hierbei wird, wie bereits beschrieben, mit Hilfe einer Computersteuerung auf Bahnen 11 gleicher Dehnung gestrahlt, wobei die Strahlspuren an die Geome­ trie des Bauteils 3 angepaßt sind.

Die Strahlenergie wird über die Bauteiloberfläche 10 variiert, wobei der Ener­ giegradient von der inneren Bauteiloberfläche zum äußeren Bauteilrand 8, 9 abnimmt. Durch entsprechende Energieverteilung entlang der Strahlspuren 11 wird das Verhältnis von Längskrümmung zur Querkrümmung beeinflußt. Der Bedeckungsgrad wird z. B. zwischen 10% und 2 · 98% über der Bauteil­ oberfläche 10 variiert. Die mit Frässtufen bzw. Dickensprüngen 5, 6 und 7 versehenen Randbereiche des Bauteils 3 werden infolge der variierenden Dicke nach bestimmten Fertigungsschritten des Mittelbereichs M des Bauteils 3 mit angepaßten Strahlparametern behandelt. Zur Unterstützung der Kugel­ strahlumformung dient eine der Bauteil-Geometrie angepaßte konvexe Form­ auflage oder konkave Aufspannung (Fig. 5).

Die Aufspannung wird gebildet durch eine Grundplatte 16, auf der Abstützungen 17, 18 angeordnet sind, die zur Fixierung des Bau­ teils 3 mit Hilfe von Aufhängegliedern 19, 20 dienen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Umformen von ebenen, plattenförmigen Bauteilen in eine sphärisch gekrümmte Form mit definierten Krümmungsradien,

• - wobei die Bauteile aus elastisches und plastisches Umformver­ halten aufweisendem Werkstoff bestehen,
• - die Umformung mit einem auf das Bauteil einwirkenden Strahl kugelförmiger Strahlmittel erfolgt und
• - der Strahlmittelstrahl entlang vorgegebener Bahnen mittels einer fest vorprogrammierten Steuerungsautomatik über die Bau­ teiloberfläche zur Erzeugung von bestimmten Strahlmustern ge­ führt wird,

gekennzeichnet durch die nachfolgend aufgeführten Verfahrens­ schritte

• a) Aufspannung und Fixierung des Bauteiles (3) mit elastischer, der fertigen Bauteilform entsprechender sphärischer Vorkrümmung,
• b) Strahlbehandlung des elastisch vorgekrümmten Bauteiles (3) auf der in eine konkave Krümmung zu bringenden Bauteilseite (10),
• c) Führung des Strahlmittelstrahls entlang von Spuren oder Bahnen (11) über die Bauteiloberfläche, die gleiche oder annähernd gleiche Dehnung erhalten,
• d) Führung des Strahlmittelstrahls, ausgehend vom Bauteilzentrum (M) in Richtung zur Außenkontur des Bauteils (3), nach einem vorgegebenen Strahlmuster, der Außenkontur des Bauteiles (3) folgend oder annähernd folgend und
• e) Verringerung der Strahlenergie, ausgehend vom Bauteilzentrum oder Zentrumbereichs (M) in Richtung zur Außenkontur des Bau­ teils (3).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer durch den Strahldruck und die Fahrgeschwindigkeit der Strahldüse vor­ bestimmten Strahlintensitätsverteilung (Strahlmittelmenge/Flächenein­ heit) das Verhältnis von Längskrümmung zur Querkrümmung des Bautei­ les (3) beeinflußt wird, so daß der Bedeckungsgrad des Bauteiles (3) durch den Strahlmittelstrahl zwischen annähernd 10% und einfacher vollständiger Bedeckung (1 · 98%) und Mehrfachbedeckung (2 · 98%) über die Bauteiloberfläche variiert.

3. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Stabilisieren der erzeugten sphäri­ schen Krümmung des Bauteiles (3) durch Beaufschlagung unter definier­ tem Strahldruck in Abhängigkeit vom Bauteilwerkstoff und der jeweiligen Bauteildicke eine Nachbehandlung durch Beaufschlagung des Bauteiles (3) von der im Fertigzustand konvexen Bauteilseite (10) her erfolgt.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Kugelstrahleinrichtung und Mitteln zur Aufnahme des Bauteiles, gekennzeichnet durch eine das Bauteil (3) aufnehmende, die geforderte sphärische Bauteilkrümmung aufweisende, gegen den Beaufschlagungsstrahl konvexe Formauflage.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, da­ dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkten Randbereiche (5, 6) des Bauteiles (3) durch separate Strahlmittelbehandlung mit wechselseitiger Beaufschlagung von der konvexen und konkaven Bauteilseite her be­ handelt werden.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Kugelstrahleinrichtung und Mitteln zur Aufnahme des umzuformenden Bauteils, gekennzeichnet durch aus Abstützungen (17, 18) und Aufhängegliedern (19, 20) gebil­ dete Aufspann- und Fixierelemente zur Erzeugung einer dem fertig um­ geformten Bauteil entsprechenden sphärischen, elastischen Vorkrüm­ mung des Bauteils (3).