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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Form, einen Einsatz, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Gestalten eines Bauteils durch superplastisches Formen
gemäß den Oberbegriffen
der Ansprüche
1, 6, 7 bzw. 9.
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Unter
gewissen Bedingungen von Temperatur und mechanischen Beanspruchungen
zeigen gewisse Materialien, wie Titan, Titanlegierungen, Aluminium
oder gewisse seiner Legierungen, gewisse Stähle usw. Superplastizität, d.h.
die Fähigkeit,
ein großes
Maß an
Verformung ohne Bruch oder Reißen mitzumachen.
Diese Eigenschaft macht es möglich, Bauteile
von komplexer Gestalt durch ein superplastisches Formgebungsverfahren
herzustellen, das gewöhnlich
mit der Abkürzung
SPF (SuperPlasticForming) bezeichnet wird.
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Metallformen
zur Gestaltung von Bauteilen durch superplastisches Formen sind
im jetzigen Stand der Technik bereits bekannt. Solche Metallformen
sind verhältnismäßig teuer,
da sie aus speziellen Legierungen gefertigt werden und komplizierte
Bearbeitungsvorgänge
erforderlich machen. Außerdem verbrauchen
die Metallformen zum Aufheizen auf eine zum thermoplastischen Formen
geeignete Temperatur eine große
Menge Energie und sind anfällig für eine ungleichförmige Temperaturverteilung
und Temperaturschwankungen, die zu einer Verformung der Formen führen können.
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Um
diesen Mängeln
so weit wie möglich
abzuhelfen, ist im jetzigen Stand der Technik, vor allem in der
US-A-4,984,348, der US-A-5,661,992 oder der US-A-5,214,949 eine
Form für
die Gestaltung eines Bauteils aus Titan oder einer Titanlegierung
durch superplastisches Formen vorgeschlagen worden. Die Form umfasst
normalerweise einen Sockel, in dem ein Formhohlraum ausgebildet
ist, und einen Deckel, zwischen die eine Platte aus Titan oder Titanlegierung
eingelegt werden soll. Gemäß einem
konventionellen Verfahren wird die Form aufgeheizt, die Platte wird
zwischen dem Sockel und dem Deckel festgeklemmt, dann wird ein Inertgas
unter Druck zwischen den Deckel und die Platte injiziert. Unter
der Einwirkung des Gasdrucks wird die Platte einer superplastischen
Verformung unterworfen und nimmt die Gestalt des Formhohlraums an.
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Die
US-A-4,984,348, die US-A-5,661,992 und die US-A-5,214,949 beschreiben
Formen, die mindestens teilweise aus keramischem Werkstoff gefertigt
sind. Dieses Material ist insbesondere ein feuerfester Beton, der
im Allgemeinen aus einem Füllmaterial
auf der Grundalge von körnigem
Quarzgut und einem Bindemittel auf der Grundlage von Aluminat oder
Silikat besteht.
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In
einem feuerfesten Beton bildet das Bindemittel eine Matrix, innerhalb
der das körnige
Füllmaterial
festgehalten. wird. Jedoch können
sich die Körner
des körnigen
Füllmaterials
unter gewissen Umständen
aus der Matrix lösen.
Insbesondere dringt ein in einen superplastischen Zustand gebrachtes Material,
wie Titan oder eine Titanlegierung, in einer feuerfesten Betonform
in die Mikrohohlräume
in der Oberfläche
der Form, die sich im Kontakt mit dem geformten Material befindet,
ein. Beim Entformen der geformten Gegenstände führt dies zu einem Ablösen von
Material an der Oberfläche
der Form und/oder zu Fehlern an der Oberfläche der geformten Gegenstände. Zudem
unterliegt die Form einem vorzeitigen Verschleiß. Diese Mängel führen dazu, dass zahlreiche
geformte Bauteile zurückgewiesen
werden.
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Unter
den Bedingungen eines superplastischen Formens neigen außerdem die
Materialien, die das Bindemittel des feuerfesten Betons bilden, aus
dem die Form hergestellt ist, wie Aluminate oder Silikate, dazu,
bis in eine Tiefe, die mehrere Mikron erreichen kann, in das geformte
Bauteil einzuwandern. Eine solche Oberflächenverunreinigung des geformten
Bauteils ist bei gewissen Anwendungen nicht akzeptabel, vor allem
im Fall von geformten Bauteilen aus Titan oder Titanlegierung, die
zur Verwendung in der Flugzeugindustrie vorgesehen sind.
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Der
Zweck der Erfindung ist es, eine Form zur Gestaltung eines Bauteils
durch superplastisches Formen vorzuschlagen, die gegen Verschleiß und Wärmeschocks
beständig
ist, wobei sie imstande ist, ein Bauteil zu erzeugen, das eine äußerst zufriedenstellende
Oberflächenbeschaffenheit
aufweist.
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Zu
diesem Zweck ist der Gegenstand der Erfindung eine Form zur Gestaltung
eines Bauteils durch superplastisches Formen, vor allem eines Bauteils,
das aus Titan oder Titanlegierung, Aluminium oder Aluminiumlegierung
oder einem beliebigen, superplastische Eigenschaften zeigenden Material
besteht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mindestens ein
aus gesintertem Quarzgut bestehendes Teil einschließt, das
dazu bestimmt ist, sich im Kontakt mit dem zu formenden Bauteil
zu befinden.
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Gemäß anderen
Eigenschaften dieser Form:
bildet der Teil der Form aus gesintertem
Quarzgut einen Formeinsatz;
schließt die Form Mittel ein, die
dazu bestimmt sind, eine Sperre zwischen mindestens einem Teil der Kontaktoberflächen der
Form und des gerade geformten Bauteils zu bilden;
schließen die
Mittel, die dazu bestimmt sind, eine Sperre zu bilden, eine Beschichtung
aus Bornitrid ein, welche die Oberfläche des im Kontakt mit dem gerade
geformten Bauteil befindlichen Teils der Form mindestens teilweise
bedeckt;
schließen
die Mittel, die dazu bestimmt sind, eine Sperre zu bilden, Mittel
zur Injektion eines Inertgases, vor allem Helium oder Argon, an
der im Kontakt mit dem gerade geformten Bauteil befindlichen Oberfläche der
Form ein.
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Der
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Einsatz für eine Form zur Gestaltung
eines Bauteils durch superplastisches Formen, vor allem eines Bauteils
aus Titan oder Titanlegierung, Aluminium oder Aluminiumlegierung
oder einem beliebigen, superplastische Eigenschaften zeigenden Material,
wobei der Einsatz von derjenigen Art ist, der eine Formoberfläche beschreibt,
die dazu bestimmt ist, sich im Kontakt mit dem gerade geformten
Bauteil zu befinden, dadurch gekennzeichnet, dass er aus gesintertem Quarzgut
besteht.
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Der
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Formvorrichtung von derjenigen
Art, umfassend eine Presse, die mit zwei Druckplatten ausgestattet
ist, zwischen die eine Form zur Gestaltung eines Bauteils durch
superplastisches Formen eingefügt
wird, vor allem eines Bauteil aus Titan oder Titanlegierung, Aluminium
oder Aluminiumlegierung oder einem beliebigen, superplastische Eigenschaften
zeigenden Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Form eine Form
gemäß der Erfindung
ist.
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Gemäß einer
anderen Eigenschaft dieser Vorrichtung ist zwischen jede Pressendruckplatte und
die Form ein vorzugsweise aus keramischem Werkstoff bestehender
Heizungsblock eingefügt.
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Der
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Formen eines
Bauteils, von derjenigen Art, bei dem das Bauteil durch superplastisches Formen
in einer Form aus einer Platte geformt wird, die aus einem Material
besteht, das imstande ist, eine superplastische Verformung mitzumachen,
vor allem Titan oder Titanlegierung, Aluminium oder Aluminiumlegierung
oder einem beliebigen, superplastische Eigenschaften zeigenden Material,
dadurch gekennzeichnet, dass die Platte in eine Form gemäß der Erfindung
gelegt wird.
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Gemäß anderer
bevorzugter Eigenschaften dieses Verfahrens:
wird zwischen
mindestens einem Teil der Kontaktoberflächen der Form und des gerade
geformten Bauteils eine Sperre gebildet;
wird die Sperre gebildet,
indem die Kontaktoberflächen
der Form und des gerade geformten Bauteils mindestens teilweise
mit Bornitrid beschichtet werden, bevor die Platte in die Form gelegt
wird;
wird die Sperre gebildet, indem ein Inertgas, vor allem
Helium oder Argon, zwischen die Kontaktoberflächen der Form und des gerade
geformten Bauteils injiziert wird.
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Die
Erfindung wird durch Lesen der nachfolgenden Beschreibung besser
verständlich,
die rein beispielhaft angegeben und unter Bezugnahme auf die Figuren
erstellt worden ist, in denen:
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1 eine
Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Form ist;
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2 eine
schematische Ansicht eines durch das erfindungsgemäße Verfahren
erhaltenen Bauteils ist;
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die 3 bis 5 schematische
Ansichten einer erfindungsgemäßen Formvorrichtung
sind.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Form, die
durch das allgemeine Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist.
Diese Form ist dazu bestimmt, ein Bauteil 12, wie dasjenige,
das in 2 dargestellt ist, durch superplastisches Formen
zu gestalten.
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Das
Bauteil 12 besteht zum Beispiel aus Titan oder einer Titanlegierung,
wie TA6V. Das Bauteil könnte
aus anderen Materialien hergestellt sein, die einer superplastischen
Verformung unterworfen werden können,
zum Beispiel Aluminium.
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Die
im Beispiel in 1 dargestellte Form 10 schließt einen
Sockel 14 und einen Deckel 16 ein, zwischen die
eine Platte 18 aus einem Material, das einer superplastischen
Verformung unterworfen werden kann, eingelegt werden soll. Der Sockel 14 ist
mit einem Einsatz 20 ausgestattet, der eine Formoberfläche beschreibt,
die dazu bestimmt ist, mit dem gerade geformten Bauteil in Kontakt
zu treten. Als Variante kann die Formoberfläche direkt in den Sockel 14 integriert
werden.
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Erfindungsgemäß schließt die Form 10 mindestens
ein aus gesintertem Quarzgut bestehendes Teil ein, das dazu bestimmt
ist, mit dem gerade geformten Bauteil in Kontakt zu treten. Diejenigen
Teile der Form aus gesintertem Quarzgut können somit den Sockel 14,
den Einsatz 20 und/oder den Deckel 16 einschließen.
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Gesintertes
Quarzgut, dessen Verwendung auf dem Gebiet der Erfindung bisher
vom Fachmann missbilligt worden ist – vor allem aufgrund seiner
wärmeisolierenden
Eigenschaften, die im Prinzip mit dem Aufheizen der Form unverträglich sind – weist bei
der Erfindung zahlreiche Vorteile auf, unter denen vor allem die
Folgenden sind.
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Gesintertes
Quarzgut zeigt praktisch keine Anfälligkeit für eine ungleichförmige Temperaturverteilung.
Aus diesem Grund besteht keine Notwendigkeit, die Gestalt der Form
zu berechnen, was im Fall von konventionellen Metallformen ein Erfordernis
ist.
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Außerdem ist
gesintertes Quarzgut aus Quarzkörnern
zusammengesetzt, die während
des Sinterungsvorgangs durch teilweises Schmelzen miteinander verbunden
werden. Die Quarzkörner
in dieser gesinterten Struktur sind anders als die Quarzkörner in
einer feuerfesten Beton(Keramik)-Struktur äußerst beständig gegen Ablösung.
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Zudem
ist die Struktur aus dem gesinterten Siliziumdioxid, das keinerlei
Bindemittel enthält,
aus einer hochgradig reinen Quarzgutphase zusammengesetzt, die anders
als bei der Situation, die im Fall eines feuerfesten Betons beobachtet
wird, bei dem das Bindemittel dazu neigt, das geformte Bauteil zu verunreinigen,
keine Gefahr einer Verunreinigung des gerade durch superplastisches
Formen in der Form gestalteten Bauteils darstellt.
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Schließlich ist
die Energiemenge, die benötigt
wird, um die Form oder das aus gesintertem Quarzgut bestehende Teil
der Form auf die zum superplastischen Formen erforderliche Temperatur
zu bringen, verglichen mit der benötigten Energie im Fall einer
konventionellen Metallform verhältnismäßig klein.
Sobald die Form oder das Teil der Form die benötigte Temperatur erreicht hat,
weist das gesinterte Quarzgut eine Wärmeträgheit auf, die es möglich macht,
die Temperaturschwankungen der Form während aufeinanderfolgender
Formzyklen vorteilhaft zu begrenzen.
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Die
in 1 dargestellte Form 10 ist dazu bestimmt,
in eine Formvorrichtung 22 eingebracht zu werden, wie diejenige,
die in den 3 bis 5 dargestellt
ist. In diesen Figuren ist der Einsatz 20 nicht dargestellt.
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Die
Formvorrichtung 22 schließt eine Presse 24 ein,
die mit zwei Druckplatten, einer unteren 26 und einer oberen
28, ausgestattet ist, zwischen denen die Form 10 eingefügt wird.
Ein unterer Heizblock 30 ist zwischen die untere Pressendruckplatte 26 und
den Sockel 14 der Form eingefügt. Ein oberer Heizblock 32 ist
zwischen die obere Pressendruckplatte 28 und den Deckel 16 der
Form eingefügt.
Diese Heizblöcke 30, 32 von
konventioneller Art sind vorzugsweise aus keramischem Werkstoff
hergestellt.
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In
dem in den 3 bis 5 dargestelltem Beispiel
schließt
die Formvorrichtung 22 konventionelle Mittel 34 zum
Injizieren eines Inertgases, wie Helium oder Argon, unter Druck
zwischen den Deckel 16 und die Platte 18 ein.
Dieses unter Druck stehende Gas ist dazu bestimmt, die Platte 18 zu
verformen, so dass sie gegen die Formgebungsoberfläche des Sockels 14 gepresst
wird.
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Um
die Platte 18 in einen zum superplastischen Formen geeigneten
Zustand zu bringen, wird die Form 10 durch Wärmeübertragung
aus den Heizblöcken 30, 32 in
den Sockel 14 und den Deckel 16 aufgeheizt.
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Um
die Platte 18 zu formen, wird die letztere zwischen dem
Sockel 14 und dem Deckel 16 in die offene Form 10 gelegt,
wie in 4 dargestellt. Die Form 10 wird dann
geschlossen, wie in 1 dargestellt, um die Platte 18 zwischen
dem Sockel 14 und dem Deckel 16 festzuklemmen.
Die Platte 18 bildet somit eine Abdichtung zwischen dem
Sockel 14 und dem Deckel 16. Die Wärme aus
der aufgeheizten Form 10 wird auf die Platte übertragen,
um sie auf eine zum superplastischen Formen geeignete Temperatur
zu erwärmen.
Wenn die gewünschten
Temperaturbedingungen erreicht sind, wird Inertgas unter Druck in
die Form injiziert, um die Platte 18 zu verformen, wie
in 5 dargestellt.
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Nach
dem Formen wird das Bauteil gemäß konventioneller
Entformungspraxis aus der Form 10 entfernt.
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Um
die Bildung von unerwünschten
Oxiden, vor allem Titanoxiden, an der Oberfläche des geformten Bauteils
und eine Diffusion dieser Oxide in die Form zu vermeiden, wird vorzugsweise
eine Sperre zwischen mindestens einem Teil der Kontaktoberflächen der
Form und des gerade geformten Bauteils gebildet.
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Eine
solche Sperre wird zum Beispiel gebildet, indem die Kontaktoberflächen der
Form und des gerade geformten Bauteils mindestens teilweise mit Bornitrid
beschichtet werden, bevor die Platte 18 in die Form gelegt
wird. Dort, wo es zweckmäßig ist, wird
die Bornitridbeschichtung nur auf die Platte oder nur auf die Form
aufgebracht. Die Bornitridbeschichtung wird zum Beispiel durch Aufsprühen auf
die Platte gebildet.
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Die
Sperre kann auch gebildet werden, indem ein Inertgas, vor allem
Helium oder Argon, zwischen die Kontaktoberflächen der Form und des gerade
geformten Bauteils injiziert wird. Zu diesem Zweck schließt die Formvorrichtung 22 Mittel 36 (in 5 schematisch
durch einen Pfeil dargestellt) zum Injizieren dieses Inertgases
zwischen den Sockel 14 und die Platte 18 ein,
d.h. in Kontakt mit der Oberfläche
der Platte, die zu derjenigen entgegengesetzt ist, an welcher der
zum Verformen der Platte 18 bestimmte Gasdruck aufgebracht
wird.
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Die
Gasinjektionsmittel 36 schließen zum Beispiel Mittel zur
Diffusion des Gases durch mindestens einen Teil der gesinterten
Quarzgutform, wodurch die Porosität dieses Materials zum Vorteil
ausgenutzt wird, oder durch Öffnungen
in der Form, ein, die das Gas zu der Oberfläche der Form transportieren,
welche sich im Kontakt mit dem geformten Bauteil befinden soll.
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Der
Druck des zwischen den Sockel 14 und die Platte 18 injizierten
Gases wird so eingestellt, dass er die Verformung der Platte gegen
die Formgebungsoberfläche
des Sockels nicht behindert. Das zwischen den Deckel 16 und
die Platte 18 injizierte Gas liefert die zum Verformen
der Platte 18 benötigte Energie
und bildet in derselben Weise wie das zwischen den Sockel 14 und
die Platte 18 injizierte. Gas ebenfalls eine Sperre.
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Selbstverständlich können die
Bornitridbeschichtung und die Gassperre in Kombination verwendet
werden.
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Unter
den Vorteilen der Erfindung wird man feststellen, dass sie die Gestaltung
eines Bauteils durch superplastisches Formen mittels einer mindestens
teilweise aus Quarzgut gefertigten Form erlaubt, die beständig gegen
Verschleiß (kein
Ablösen
von Quarzkörnern)
und Wärmeschocks
ist. Die erfindungsgemäße Form
macht es somit möglich,
ein Bauteil zu erhalten, das eine äußerst zufriedenstellende Oberflächenbeschaffenheit
aufweist.