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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft das Erwärmen
eines stark kaltverarbeiteten Metalllegierungsblechs, um dessen
Mikrostruktur zu einem hochverformbaren (z.B. superplastischen)
Zustand zu rekristallisieren und dessen Temperatur für einen
unmittelbaren Umformprozess anzuheben. Im Spezifischeren betrifft diese
Erfindung ein Verfahren, welches Infrarotstrahlungsheizung mit Konvektionsheizung
kombiniert, um das kaltverarbeitete Blech für die Rekristallisation und
die Umformung unter kontrollierten Bedingungen rasch zu erwärmen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Karosseriebleche
für Kraftfahrzeuge
werden gegenwärtig
unter Verwendung eines Verfahrens zum superplastischen Formen hergestellt,
das auf gewisse magnesiumhaltige Aluminiumlegierungsblech-Grundwerkstoffe
angewendet wird. Derzeit handelt es sich bei dem Blechmaterial um
eine speziell aufbereitete Aluminiumlegierung 5083 mit feinkörniger Mikrostruktur.
AA5083 hat, in Massenprozent ausgedrückt, eine Nennzusammensetzung
von 4 bis 5 Prozent Magnesium, 0,3 bis 1 Prozent Mangan, maximal
0,25 Prozent Chrom, ungefähr
0,1 Prozent Kupfer, bis zu ungefähr
0,3 Prozent Eisen, bis zu etwa 0,2 Prozent Silizium, wobei der Rest
im wesentlichen zur Gänze
aus Aluminium besteht. Im Allgemeinen wird die Legierung zu einer
Platte mit geeigneter Dicke vergossen und einer homogenisierenden Wärmebehandlung
unterzogen. Daraufhin erfolgt in einer Reihe von Warmwalzvorgängen eine
schrittweise Dickenreduzierung der Platte zu einem Blechstreifen
mit einer Dicke von zwanzig bis vierzig Millimeter, was bis zu einem
gewissen Grad von dem Zielwert für
die endgültige
Dicke des Blechs abhängig
ist. Anschließend
wir der Streifen übli cherweise
in Etappen, mit der Möglichkeit
des Zwischenglühens,
auf eine endgültige
Blechdicke von etwa ein bis drei oder vier Millimeter kaltgewalzt.
Das Ergebnis der thermomechanischen Verarbeitung ist ein Bandring
aus Aluminiumblechmaterial mit glatter Oberfläche, dessen Mikrostruktur einer
großen
Spannung ausgesetzt worden ist.
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Der
kaltgewalzte Streifen ist für
einen Umformprozess mit einer hohen Dehnung nicht geeignet. Er muss
erneut erwärmt
werden, um die gedehnten, spannungsbehafteten Körner, die seine Mikrostruktur
charakterisieren, durch die Ausbildung und das Wachstum von nahezu
spannungsfreien Körnern zu
rekristallisieren. Das Ziel der rekristallisierenden Wärmebehandlung
im Fall des AA5083-Blechs ist es, eine sehr feinkörnige Mikrostruktur
zu erzeugen, die durch eine Haupt-Phase aus einer festen Lösung aus Magnesium
in Aluminium, mit gut verteilten, fein dispergierten Partikeln intermetallischer
Verbindungen, welche Legierungsbestandteile wie beispielsweise Al6Mn enthalten, charakterisiert ist. Die Größe der Rekristallisationskörner in
der Mikrostruktur liegt gleichmäßig bei
etwa zehn bis fünfzehn
Mikrometer. Da die dispergierte Phase so klein ist, wird das Material
gelegentlich als "pseudo-einphasig" bezeichnet. Das
feinkörnige
Blech kann erwärmt
und superplastisch zu einem komplexen Teil, wie etwa einem Kraftfahrzeug-Karosserieblech
verformt werden. Das Blech kann einer substanziellen Dehnung bei
einer geeigneten Umformgeschwindigkeit und einer Temperatur im Bereich
von etwa 440°C
(825°F)
bis etwa 550°C
(1020°F)
standhalten.
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Das
U.S.-Patent 6 253 588 mit
dem Titel "Quick
Plastic Forming of Aluminium Alloy Sheet Metal" (Rasches plastisches Umformen von Aluminiumlegierungsblech),
von Rashid et al., das dem Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen
wurde, offenbart Verfahren, mit denen das Aluminiumlegierungsblech
bei einer geeigneten Formungstemperatur zu Kraftfahrzeug-Karosserieblechen
und dergleichen streckgeformt wird. Das Pa tent '588 beschreibt Verfahren zum Formen
von Aluminiumlegierungsblech unter Verwendung eines unter Druck
stehenden Arbeitsmediums, wie beispielsweise Luft. Gemäß diesem
Verfahren wird der Blech-Rohling zuerst auf ein Vorbiege- und Vorwärm-Werkzeug
gegeben. Das erwärmte
Werkzeug wärmt
den Blech-Rohling auf seine Formungstemperatur auf und biegt ihn
falls gewünscht
vor, um ihn auf ein zweites Werkzeug zu geben, das entsprechend
ausgelegt ist, um das erwärmte
Blech zu einem Karosserieblech oder dergleichen streckzuformen.
Der erwärmte
Rohling wird dann an seinen Rändern
festgeklemmt und es wird ein Gasdruck angewendet, der das Blech
in die Werkzeughöhlung
drückt,
damit es die erforderliche Gestalt des Teils annimmt. Die Vorbereitung
des Blechs vor der Formung ist entscheidend dafür, dass dieses in der Lage
ist, der zur Formgebung des Teils nötigen Verformung standzuhalten
und eine handelsübliche
Oberflächengüte beizubehalten.
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Wenn
der zur Formung ausgewählte Blech-Rohling
von dem Bandring-Hersteller
rekristallisiert wurde (d.h. in dem vollständig ausgeglühten O-Temper-Zustand),
kann die Erwärmung
auf dem Vorwärm-Werkzeug
das Kornwachstum seiner Mikrostruktur voranbringen. Wenn ein Rohling
alternativ dazu von einem kaltgewalzten Bandring ohne Wärmebehandlung,
d.h. in dem H18-Temper-Zustand, bereitgestellt wird, so ist das
Metall nicht formbar, weil es als letzten Verarbeitungsschritt eine
Kaltwalz-Reduktion
von 74% oder mehr erfahren hat. Wenn ein nichtrekristallisierter
Rohling auf das in dem Patent '588
von Rashid et al. offenbarte Vorwärm- und Vorbiege-Werkzeug gegeben
wird, wird das Blech rekristallisiert, während es über eine Zeitdauer von fünf bis zehn
Minuten langsam auf die Blech-Formungstemperatur erwärmt wird.
Nachdem das Blech rekristallisiert worden ist und eine Formungstemperatur,
beispielsweise im Bereich von etwa 441°C bis 452°C (825°F bis 845°F), erreicht, wird es gebogen
und an eine erwärmte
Formpresse übergeben,
in welcher es zu einem Fahrzeug-Karosserieblech oder dergleichen
streckgeformt wird.
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Das
lange Vorwärmen
des Blech-Rohlings, um die Rekristallisation des kaltverarbeiteten
Blechs zu erwirken, so dass eine superplastisch formbare Mikrostruktur
entsteht, hat fünf
bis zehn Minuten in Anspruch genommen, hat jedoch zu einem sehr
gut formbaren Blech geführt.
Die langsame Rekristallisation des Blechs auf einem Formwerkzeug
steht bei der kommerziellen Herstellung von Karosserieblechen bereits
in Verwendung. Die Aufwärmzeiten
auf den offenen Werkzeugen sind nicht konsistent gewesen und die
Aufwärmzeit
hat sich als geschwindigkeitshemmend für den in dem Patent '588 beschriebenen,
gesamten Formungsprozess erwiesen. Es ist nunmehr wünschenswert,
mit Rohlingen von einem kaltgewalzten Bandring zu arbeiten und diese
rascher zu erwärmen,
um eine schnellere Produktionsgeschwindigkeit zu ermöglichen.
Es steht zu hoffen, dass die raschere Erwärmungsgeschwindigkeit auch zu
einer noch feineren Korngröße nach
der Rekristallisation und zu einer noch besseren superplastischen Verformbarkeit
führt.
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Die
JP 2000-160260A offenbart
ein Verfahren zum Erwärmen
eines Blechs gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Patentanspruchs.
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Die
US 5 868 023 A offenbart
ein Verfahren zum Formen eines Werkstücks durch örtliche Erwärmung des Werkstücks an einer
zu formenden Stelle durch Induktions- bzw. Konvektionserwärmung, oder durch
Wärmestrahlung.
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Demgemäß ist es
ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, um ein
kaltverarbeitetes, superplastisch formbares Aluminiumlegierungsblech
gleichförmig
zu erwärmen,
um dessen stark spannungsbehaftete Mikrostruktur rasch in eine rekristallisierte,
feinkörnige
Mikrostruktur umzuwandeln, die für
einen Arbeitsgang des superplastischen Formens geeignet ist. Zur
selben Zeit, zu der das Blech sich in Rekristallisation befindet,
wird es auf eine geeignete Formungstemperatur, beispielsweise eine
Streckformungstemperatur, erwärmt.
Es ist auch ein Ziel der Erfindung, ein solches Erwärmungsverfahren
für andere,
kaltverarbeitete Blechlegierungen zu schaffen, die unter statischen
Bedingungen zu einem hochverformbaren pseudo-einphasigen Material rekristallisiert
werden können.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung erreicht dieses Ziel durch die kennzeichnenden
Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs.
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Es
ist festgestellt worden, dass es möglich und praktisch durchführbar ist,
einen Blech-Rohling eines kaltverarbeiteten, AA5083-Materials mit H18-Temperzustand
und mit einer für
die Herstellung von Fahrzeug-Karosserieblechen
geeigneten Abmessung rasch zu rekristallisieren und ihn auf eine Temperatur
für superplastisches
Formen zu erwärmen.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird ein Blech in einen für die Heißluft-Zwangsumlauf-Konvektionsheizung
des Blechs angepassten Ofen eingebracht. Die anfängliche, rasche Haupterwärmung des
Blechs wird jedoch dadurch bewerkstelligt, dass auch Infrarot-Heizstäbe in angemessen
naher Beabstandung zu einer Oberfläche des Blechs verwendet werden.
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Die
Infrarotstrahlungs-Heizstäbe
werden eingeschaltet, nachdem das kalte Blech beispielsweise auf
einen Keramik-Herd des Ofens platziert worden ist. Die effiziente
Strahlungsheizung erhöht
die Temperatur des dünnen
Metalls rasch und führt
zu einer Rekristallisation der kaltverarbeiteten, spannungsbehafteten
Körner
seiner Mikrostruktur. Gleichzeitig wird die in Zwangsumlauf stehende
Heißluft
gegen die Oberfläche
des Blechs und über
diese hinweg geleitet, wodurch dieses ebenfalls erwärmt wird.
Die Heizstrahler werden zu einem geeigneten, vorbestimmten Zeitpunkt
während
des Heizzyklus abgeschaltet, um eine übermäßige Erwärmung bzw. ein örtliches
Schmelzen des Blechs zu vermeiden. Die Temperatur der Umwälzluft wird
entsprechend gesteuert, um die Maximaltemperatur des Blechs zu begrenzen.
Die gegen das Blech strömende
Umwälzluft dient
dazu, eine gleichförmigere
Temperaturverteilung in dem Blech zu erzeugen. So kann die Lufttemperatur
beispielsweise auf ungefähr
482°C (900°F) gesteuert
werden, um das strahlungserwärmte
Blech auf etwa dieselbe Temperatur zu begrenzen. Die Umwälzluft dient
auch dazu, die viel heißeren
Strahlungsheizelemente (etwa 815° bis
etwa 926°C
(1500° bis
1700°F)) "abzukühlen" und deren Temperatur
zu begrenzen.
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Es
erweist sich, dass das Blech sich innerhalb eines Zeitraums von
beispielsweise sechzig bis einhundertfünfzig Sekunden in geeigneter
Weise zu einer Mikrostruktur für
superplastisches Formen rekristallisieren und auf eine geeignete
Temperatur für diesen
Umformprozess erwärmen
lässt.
Diese Zeitspanne ist vorteilhafterweise mit dem tatsächlichen Blechumformprozess
vergleichbar, so dass der Erwärmungsprozess
den Blechherstellungsprozess nunmehr nicht länger verlangsamt. Das heiße Blech wird
aus dem Ofen entnommen und ohne es absichtlich abkühlen zu
lassen auf ein Umformwerkzeug zum Vorbiegen und/oder zur abschließenden Bauteilumformung
gegeben.
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Diese
Erfindung ist gleichermaßen
auf die statische Rekristallisation von anderen pseudo-einphasigen
Legierungen wie beispielsweise Aluminiumlegierungen der AA2xxx-Serie,
andere Legierungen der AA5xxx-Serie, Legierungen der AA7xxx-Serie,
sowie von geeigneten, superplastischen Magnesium-, Eisen- und Titanlegierungen
anwendbar.
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Andere
Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer detaillierten
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ersichtlich, die
in der Folge gegeben wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Ablaufdiagramm eines Konvektions- und Strahlungsheizofens samt
zugehöriger
Beförderungs-
und Steuerausrüstung
zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Erwärmung von kaltverarbeiteten
Blech-Rohlingen.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des Ofens gemäß der Ebene 2-2 aus 1.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Superplastische
Metalle können
starken gleichförmigen
Beanspruchungen unterworfen werden, bevor sie brechen. Die Fähigkeit
eines Metalls, sich superplastisch zu verformen, ist in erster Linie von
seiner Zusammensetzung, der Korngröße, der Umformgeschwindigkeit
und der Verformungstemperatur abhängig. Metalle, die sich superplastisch
verhalten, haben gewöhnlich
eine Korngröße von weniger
als etwa 10 Mikrometer und sie lassen sich innerhalb eines Dehnungsgeschwindigkeitsbereichs
von 10–5 bis
10–1 pro
Sekunde bei Temperaturen von mehr als ungefähr der Hälfte ihrer absoluten Schmelztemperatur
(0,5 T) verformen. Es wird davon ausgegangen, dass die feine Korngröße ein Korngrenzengleiten
und eine Korndrehung ermöglicht
und so zu den großen,
superplastischen Spannungen beiträgt. Damit sich also eine Aluminiumlegierung
oder eine andere, superplastische Legierung aus beispielsweise Titan,
Kupfer oder Magnesium superplastisch verformen kann, muss sie zunächst in
der Lage sein, in ei ne feinkörnige
Struktur verarbeitet zu werden, die während der Verformung gegenüber Kornwachstum resistent
ist.
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Diese
Erfindung ist auf superplastische Blechlegierungen anwendbar, die
sich vor einem Umformprozess statisch zu einer feinen Kornstruktur rekristallisieren
lassen. Das erfindungsgemäße Verfahren
wird in Verbindung mit magnesiumhaltigen Aluminiumblechlegierungen,
spezifischerweise mit AA5083 veranschaulicht. Die Produktion des
Legierungsblechs umfasst eine Kombination aus Warmwalzen, Kaltwalzen
und einer abschließenden
Wärmebehandlung,
um kleine rekristallisierte Körner
einer festen Lösung
aus Aluminium und Magnesium mit dispergierten, unlöslichen
Partikeln auszubilden.
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Die
Aluminiumblechlegierung AA5083 wird in geeigneter Weise von einem
Zulieferer kommend in stark kaltverarbeitetem Zustand (z.B. H18-Temper-Kennzeichnung) entgegengenommen.
Wie weiter oben in Bezug auf das Patent '588 von Rashid, et al., erwähnt, ist
im Zuge der aktuell praktizierten Herstellungsverfahren das Blech
bei einer relativ langsamen Erwärmungsgeschwindigkeit
rekristallisiert worden, während
es vorerwärmt
wird, und zwar gewöhnlich
auf einem offenen Heiß-Vorbiegewerkzeug.
Der Erwärmungsvorgang
dauert oft 10 Minuten oder mehr, um das Blech in geeigneter Weise
zu rekristallisieren. Es ist nunmehr entdeckt worden, dass die Rekristallisation
bei einer viel rascheren Geschwindigkeit bewerkstelligt werden kann,
sofern geeignete Erwärmungstechniken
geschaffen werden. Die Wärme
wird entsprechend gesteuert, um die Mikrostruktur des Rohlings für eine gleichförmige Umformung zu
rekristallisieren und um ihn auf eine für den Herstellungsprozess geeignete
Formungstemperatur zu erwärmen.
Das wärmebehandelte
Blech wird dann vor dem Abkühlen
auf Umgebungstemperatur seinem beabsichtigten Umformprozess unterzogen.
Es wird nun auf 1 und 2 Bezug
genommen, um eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zu veranschaulichen.
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Ein
ankommender, kaltverarbeiteter Blech-Rohling 10 wird auf
einem dem Wärmebehandlungsofen 14 unmittelbar
vorgeordneten Auflagetisch 12 bzw. Beförderungsmittel positioniert.
Ein Rohling für
ein Kraftfahrzeug-Karosserieblech
kann beispielsweise Abmessungen von 1625 mm (64 Zoll) × 1117 mm
(44 Zoll) × 1,6
mm aufweisen. Er ist oft an einer oder an beiden Seiten mit einem
Film aus Bornitrid-Gleitmittelpartikeln beschichtet. Der Ofen 14 ist entsprechend
dimensioniert, um zumindest einem solchen Blech Platz zu bieten
und um weiter unten beschriebene Heizmittel zu umschließen. Wenn
der Ofen 14 verfügbar
ist, wird der Rohling 10 durch die Schiebetür 16 in
das Eingangsende 18 des Ofens 14 auf einen Herd 20 in
dem unteren Bereich des Ofens 14 geschoben oder auf andere,
geeignete Weise dorthin befördert.
Der in dem Ofen 14 positionierte Rohling wird nunmehr als 10' bezeichnet.
Der Herd 20 ist geeigneterweise aus einem keramischen oder feuerfesten
Werkstoff gebildet und kann, wie in 2 schematisch
dargestellt, beispielsweise auf Balken 22 auf dem Boden 24 des
Ofens 14 aufliegen. Der Herd 20 kann eine leicht
konvexe Oberseite aufweisen, so dass die Ränder des flachen Blechs 10' nicht auf dem
Herd aufliegen und dazu benutzt werden können, um den Rohling in geeigneter
Weise in den Ofen 14 hinein- und wieder daraus herauszubewegen.
So können
zur Beförderung
des Rohlings 10 beispielsweise die Ränder des Rohlings auf Schienen
(nicht gezeigt) geführt
werden oder durch Roboter mit geeigneten End-Effektoren (nicht gezeigt)
erfasst werden.
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In
dieser Ausführungsform
der Erfindung wird das dünne
Blech 10',
das typischerweise eine Dicke von 1 bis 4 mm aufweist, in erster
Linie durch Konvektion und Strahlung über seine exponierte Oberseite
erwärmt,
wie aus 1 und 2 ersichtlich.
Der Herd 20 wird in dem Ofen erwärmt und schafft eine heiße Unterlage
für das
Blech 10'.
Es ist festzustellen, dass andere Anordnungen zum Tragen des Blechs 10 ersonnen
werden könnten,
wie beispielsweise eine solche für
eine Erwärmung
von beiden Seiten.
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Im
Hinblick auf die Einfachheit der Ofenkonstruktion wird jedoch die
Ausführungsform
aus 1 und 2 bevorzugt.
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Der
Rohling 10 wird in dem Ofen 14 durch eine Kombination
aus Heißluftumlauf-Konvektionsheizung
und Infrarotstrahlungsheizung erwärmt. Wie am besten aus 2 ersichtlich,
erstreckt sich eine Mehrzahl (sechs gezeigt) von Infrarot-Heizstäben 26 im
wesentlichen entlang der Länge
des Ofens 14. Sie sind parallel zueinander entlang der
Länge des Blechs 10 ausgerichtet,
wenn dieses auf dem Herd 20 in dem Ofen 14 aufliegt.
Sie sind auch parallel zu der Oberseite des Rohlings 10' positioniert
und um eine Distanz von etwa 63,5 bis 76,2 mm (etwa zweieinhalb
bis drei Zoll) von dieser beabstandet. Bei den Stäben 26 handelt
es sich geeigneterweise um im Handel erhältliche, elektrische Widerstandsheizelemente
mit hoher Wattleistung zur Emission von Infrarotenergie. Die Heizstäbe 26 sind
durch die Leitung 27 mit der elektrischen Stromquelle 28 verbunden. Die
Stromquelle 28 wird von dem Controller 30 in Ausführung des
erfindungsgemäßen Erwärmungsprozesses
betrieben. Eine bevorzugte Betriebstemperatur für die Stäbe während ihres Erwärmungsmodus
für die
AA5083-Rohlinge
liegt bei etwa 815°C
bis etwa 926°C
(etwa 1500 bis 1700°F).
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Zusätzlich zu
den Infrarotstrahlungs-Heizelementen 26 wird auch eine
Konvektionsheizung verwendet. Die Konvektionsheizung wird gleichermaßen als
Ergänzung
zur raschen Erwärmung
durch die Infrarot-Heizelemente
wie zur Steuerung der Höchsttemperatur
des Blechs 10' verwendet.
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Erwärmte Luft
wird unter Verwendung eines Gebläses 32 durch
den Ofen 14 umgewälzt
(siehe 1). Das Gebläse 32 saugt
Luft aus der Rückführ-Sammelkammer des
Ofens 14 durch den isolierten Heißluftkanal 34. Die
so aus dem Ofen 14 abgeführte Heißluft wird über (z.B. durch eine 480V-Dreiphasen-Stromquelle
mit 60 Hz gespeiste) elektrische Widerstands heizgeräte gesaugt,
die sich in dem Lufterhitzer 36 befinden. Das Gebläse 32 bläst die erwärmte Luft
durch den Kanalabschnitt 38 wieder zurück in den Ofen 14.
Eine geeignete Heißluft-Umwälzgeschwindigkeit
für ein
Karosserieblech gemäß obiger
Beschreibung kann bei etwa 226 Kubikmeter (8000 Kubikfuß) pro Stunde
liegen.
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Die
erwärmte
Luft wird in den Ofen 14 an dessen Zuluft-Sammelkammer 50 nahe
dem Deckel 42 eingeleitet. Der Heißluftstrom wird nach unten
gegen das auf dem Herd 20 liegende Blechmaterial 10' gelenkt. So
leitet beispielsweise eine entlang dem Deckel des Ofens 14 verlaufende
Sammelkammer 50 die einströmende Heißluft entlang der gesamten Länge des
Ofens und lenkt den Strom durch regelmäßig entlang der Länge beabstandete
Austrittsöffnungen
nach unten. Somit wird Heißluft
allgemein senkrecht gegen das Blech 10' gelenkt.
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Eine
Mehrzahl von parallelen Luftrückführ-Sammelkammern 44 ist
parallel zu der Länge des
Ofens positioniert. Drei davon sind in 2 im Querschnitt
zu sehen. Jede Heißluftrückführ-Sammelkammer 44 weist
einen sich konisch erweiternden Einlassabschnitt 46 auf,
der sich zwischen zwei Infrarot-Heizstäben 26 erstreckt.
Heißluft
prallt von der Oberfläche
des Blechs 10' zurück und wird
durch den Gebläsesog
in die Einlässe 46 gesaugt.
Die rückgeführte Luft
strömt
in jeder Sammelkammer 44 zu dem Ende des Ofens, wo die
getrennten Rückführströme in einem
Krümmer
(nicht gezeigt) gesammelt werden und in den Rückführkanal 34 weitergeleitet werden.
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Wenn
ein neues Blech 10 durch die Tür 16 in den Ofen 14 hinein
auf den Herd 20 bewegt wird, wird der Heißluftstrom
gestartet und wird Strom zu den Infrarot-Heizelementen zugeführt. Ein
beispielhaftes Ziel für
diesen Erwärmungsprozess
kann es sein, das kaltverarbeitete Blech in weniger als 150 Sekunden auf
eine Temperatur von etwa 482°C
(900°F)
zu erwär men.
Dieses Erwärmungsprogramm
soll eine Umwandlung der Mikrostruktur von stark spannungsbehafteten,
kaltverarbeiteten Körnern
in eine rekristallisierte, feinkörnige
pseudo-einphasige, weiche Mikrostruktur (z.B. O-Temper) bewirken.
Und das Blech soll auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der es in ein
Karosserieblech oder ein ähnliches
Produkt von komplexer Form gestreckt und/oder gezogen werden kann.
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Wenn
die gewünschte,
endgültige
Temperatur des Blechs 482°C
(900°F)
ist, so wird die Temperatur der auf das Blech auftreffenden Heißluft geeigneterweise
auf etwa 482° bis
487°C (900
bis 910°F) gesteuert.
Die Infrarot-Heizelemente, die durch eine von dem Controller 30 gesteuerte
Stromversorgung 28 betrieben werden, weisen beispielsweise
etwa 815°C
(1500°F)
auf. Die Hochtemperatur-Heizstrahler erwärmen das Blech 10' rasch auf seine
spezifizierte Temperatur. Das Blech ist typischerweise mit einem
dünnen
Film aus Bornitrid-Partikeln beschichtet, der als Gleitmittel zwischen
der Oberfläche
des Blechs und der Oberfläche
des Werkzeugs dient, über
welches das Blech gestreckt oder gezogen wird. Der weiße BN-Film erhöht den Emissionsgrad
des bis zu einem gewissen Ausmaß reflektierenden
Aluminiumblechs und der Gesamt-Emissionsgrad des beschichteten Blechs
kann bei etwa 0,2 liegen. Wenn die Temperatur des Blechs sich 482°C (900°F) nähert, werden
die Heizstrahler abgedreht, um eine übermäßige Erwärmung oder sogar ein örtliches Schmelzen
des Blechs zu vermeiden. Die Zeitsteuerung ist enscheidend, um die
Erwärmungsgeschwindigkeit
zu maximieren, ohne dabei eine übermäßige Erwärmung zu
verursachen. Sofern kein zuverlässiges
Erwärmungsmodell
für den
Ofen, das Heizsystem und die Werkstücke verfügbar ist, ist der Zeitpunkt
für das
Abschalten der Heizstrahler auf experimentellem Weg mittels Test-Blechen zu bestimmen. Beispielsweise
kann bestimmt werden, dass die Heizstrahler 26 nach einer
Betriebsdauer von 100 Sekunden abgeschaltet werden. Daraufhin erwärmt und/oder
kühlt der
erwärmte
Luftstrom weiterhin Teile des Blechs, um das Blech 10' so rasch wie
praktisch durch führbar
auf eine gleichförmige
Temperatur von etwa 482°C
(900°F)
zu bringen. Der Luftstrom kühlt auch
die Heizstrahler 26 und trägt somit dazu bei, deren Nutzlebensdauer
zu erhöhen.
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Das
erwärmte
Blech 10' wird
aus dem Ofen 14 entnommen, indem es durch die Ausgangstür 52 auf
die Oberfläche 48 gezogen,
gleiten gelassen oder gehoben wird. Das heiße Blech kann dann auf ein Umformwerkzeug
gegeben werden, um seinen erweichten und formbaren Zustand nutzbar
zu machen. Da das entnommene, erwärmte Blech 10'' seine Formungstemperatur hat,
wird es ohne übermäßige Verzögerung auf
das Umformwerkzeug übertragen.
Wenn eine gewisse Verzögerung
und somit ein Abkühlen
vorhersehbar sind, kann es wünschenswert
sein, das Blech 10' auf
eine geringfügig
höhere Temperatur
zu erwärmen,
um eine Toleranz für
diesen Abkühlvorgang
vor dem Umformen zu schaffen.
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Somit
wird eine gesteuerte Kombination aus Strahlungsheizung und Konvektionsheizung
verwendet, um ein kaltverarbeitetes Blech einer geeigneten Metalllegierung
rasch in eine hochverformbare Mikrostruktur umzuwandeln (zu rekristallisieren)
und es auf eine geeignete Formungstemperatur zu erwärmen, um
die neu gewonnene Formbarkeit nutzbar zu machen. Im Fall eines kaltverarbeiteten AA5083-Blechs
beträgt
die Erwärmungszeit
weniger als 150 Sekunden und liegt oft bei 60 bis 90 Sekunden. Die
Formbarkeit des AA5083-Blechs übersteigt in
einem Standard-Zugversuch
gemessen typischerweise eine Dehnung von 300+%.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wurde hier zwar hinsichtlich seiner Anwendung auf gewisse Aluminiumlegierungen
veranschaulicht, es ist jedoch anerkannt, dass es auch auf andere
Aluminiumlegierungen und andere kaltverarbeitete Blechlegierungen,
insbesondere auf solche, die sich in einen Zustand für superplastisches
Formen rekristallisieren lassen, anwendbar ist.