DE602005003794T2

DE602005003794T2 - Hybridpresse zum formen von grossen werkstücken

Info

Publication number: DE602005003794T2
Application number: DE602005003794T
Authority: DE
Inventors: Philippe Aubert; Didier Sabourin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2004-02-11
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: FR2865949A1; DE602005003794D1; EP1718425A1; EP1718425B1; FR2865949B1; WO2005077567A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Formen oder Warmmassivumformen von großen Werkstücken, insbesondere Werkstücken von großer Dicke. Noch genauer betrifft sie eine Presse zum Formen von dicken Werkstücken, die ein Gestell, das zwei Matrizen trägt, und Betätigungseinrichtungen umfasst, um das zu formende Werkstück zwischen diesen beiden Matrizen so einzuspannen, dass es deren Form annimmt. Sie betrifft auch ein Verfahren zur Formung eines Werkstücks mit großen Dimensionen, insbesondere einer großen Dicke, mit einer solchen Presse.
Eine bekannte Technik zur Formung eines Werkstücks besteht darin, es zwischen zwei Matrizen einzuspannen und zu verformen, so dass es die Form dieser Matrizen, also eine gewünschte Geometrie, annimmt. Diese erprobte Technik hat die Wirkung, in dem Teil Spannungen, ja sogar Mikrorisse zu erzeugen, was zu einer beschleunigten Alterung führen kann. Zudem sind die Verformungsmöglichkeiten begrenzt durch die Eigenschaften des Materials, da man in dessen plastischem Bereich arbeiten muss, um keinen Bruch zu riskieren. Die erhaltene Geometrie ist schwierig zu beherrschen und erfordert viel Erfahrung.
Ein andere bekannte Technik besteht darin, Laserstöße auf die Oberfläche des Werkstücks zu senden. Die sehr kurzen und hochenergetischen Impulse prallen auf die Oberfläche des Werkstücks. Die Energie des Lasers wird von dem Material in einer sehr geringen Dicke bzw. dünnen Oberflächenschicht absorbiert. Die betroffene Zone wird dann in ein Plasma umgewandelt, dessen Entspannung in dem Material eine Schockwelle erzeugt. Diese Welle kann benutzt werden, um die Oberfläche des Materials zu härten oder sie zu verformen, wenn die Energie ausreicht. Die Kürze des Impulses bewirkt, dass es zu keinem Wärmetransfer kommt. Dieses Verfahren ist insofern flexibler als das vorhergehende, da es nicht notwendig ist, für jedes zu formende Werkstück eine Schablone herzustellen, und es ist genauer, da jeder Impuls nur eine minimale Verformung erzeugt. Jedoch ist es weniger schnell.
Man kennt ( WO 99/01239 , Präambel des Anspruchs 1) eine Vorrichtung, die eine klassische Presse (Matrize und Stempel) mit einem Heizlaser verbindet. Das Werkstück wird mittels eines Prismas, Linsen und einem Satz Spiegel erhitzt, um auf der Oberfläche des Werkstücks einen Laserstrich zu bilden.
Die Energie des Lasers wird auf diese Weise verteilt und ist punktuell weniger groß als bei einem auf einen Punkt fokussierten Laser. Nicht sie allein formt das Werkstück.
Selbstverständlich kann ein Heizlaser in dem Maße ein Werkstück verformen, wie eine Wärmezufuhr, egal welchen Ursprungs, ein Werkstück verformen kann. Jedoch sind die Verformungen wenig vorhersehbar, außer sie werden zwischen Schablonen realisiert. Im äußersten Fall kann eine solche Methode dazu führen, das Material zu schmelzen, das dann in einem Formwerkzeug geformt werden kann.
Außerdem kennt man ( WO 03/053607 ) ein Hydroformverfahren, bei dem bestimmte Zonen des Werkstücks, zum Beispiel Zonen, die stark verformt werden, lokal mit einem Laserstrahl erhitzt werden.
Man kennt auch ( US 6,515,253 ) ein Verfahren, bei dem ein Blechstreifen kontinuierlich bearbeitet wird und dabei ein Laserstrahl dazu benutzt wird, die mechanischen Eigenschaften des Metalls partiell zu restaurieren oder bestimmte Operationen durchzuführen, wie etwa das Schneiden von Löchern.
Das erste Verfahren ermöglicht, die Verformungsmöglichkeiten des Werkstücks zu vermehren, ist aber nicht angepasst an die Verformung von sehr dicken Werkstücken. Das Hydroformen wird nämlich nur bei Hohlkörpern (Rohren) oder Platten angewendet, deren Dicke (bzw. Wanddicke) 3 mm nicht überschreitet. Das zweite Verfahren ist auch nicht geeignet, um dicke Werkstücke zu formen.
Die Erfindung hat eine Presse und ein Verfahren zum Gegenstand, welche die Nachteile des Stands der Technik beheben.
Dieses Resultat wird durch die Tatsache erreicht, dass die Presse wenigstens einen Impulslaser umfasst, fähig auf der Oberfläche des Werkstücks lokalisierte hochenergetische Laserstöße zu erzeugen.
Das Formungsverfahren ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

– man ordnet das zu formende Werkstücks zwischen die beiden Matrizen der Presse an;
– man nähert die beiden Matrizen einander, so dass sich das Werkstück an die Formen der Matrizen anpasst;
– man formt die Oberfläche des Werkstücks durch lokalisierte und hochenergetische Laserstöße.

Das Formen mittels Presse ermöglicht also, sich sehr schnell der gewünschten Form anzunähern, während der Laser eine sehr genaue Endbearbeitung des Werkstücks gewährleistet. Der Laser arbeitet im Impulsstoßbetrieb ohne Wärmetransfer, verursacht also keine Restspannungen. Allein die Impulsstöße ermöglichen, die Form des Werkstücks gemäß einer festgelegten und repetierbaren Geometrie zu modifizieren.
Die Presse und der Laser können nacheinander oder vorzugsweise gleichzeitig benutzt werden. In diesem Fall muss die Presse wenigstens einen in einer der Matrizen ausgebildeten Durchgang aufweisen, um den Durchgang der hochenergetischen Impulse des Lasers durch die Matrize hindurch zu ermöglichen.
Das simultane Arbeiten von Laser und Presse ermöglicht, eine kleinere Presse zu verwenden, mit gleicher Kapazität oder auch mit gleicher Dimension, erhöht die Kapazitäten der Presse, ohne dass man das Werkstück verschieben muss.
Außerdem kann die verwendete Gerätschaft vereinfacht werden. Die Matrizen können durch einfache Formungswerkzeuge ersetzt werden, angeordnet am Ende von Zylindern, mit denen auf das zu formende Werkstück Druck ausgeübt wird.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines nur der Veranschaulichung dienenden Realisierungsbeispiels hervor, das sich auf die beigefügten Figuren bezieht:
die 1 veranschaulicht ein klassisches Formungsverfahren mittels Presse;
die 2 veranschaulicht ein Laserformverfahren nach dem Stand der Technik;
die 3 veranschaulicht eine Hybridpresse nach der Erfindung.
In der 1 ist ein zu formendes Werkstück 2 von großer Dicke zwischen einer unteren Matrize 4 und einer oberen Matrize 6 angeordnet. Die Matrizen 4 und 6 werden aufeinander zubewegt durch Betätigungseinrichtungen wie Hydraulikzylinder, schematisiert durch Pfeile 8. Das Teil 2 verformt sich so, dass es sich an die Form der Matrizen 4 und 6 anschmiegt. Jedoch, wie oben erläutert, hat diese Technik den Effekt, in dem Werkstück Spannungen zu erzeugen, die zu Mikrorissen führen können. Zudem sind die Verformungsmöglichkeiten begrenzt und die erhaltene Geometrie ist schwer beherrschbar.
In der 2 umfasst ein zu formendes Teil 2a eine Oberseite 10 und eine Unterseite 12 (nach der 2), von denen die Oberseite 10 Stöße erhält, schematisiert durch die Pfeile 14, abgestrahlt durch einen Laser 16. Diese Impulse sind lokalisiert, sehr kurz und hochenergetisch. Typischerweise dauern sie einige zehn Nanosekunden und ihre Energie beträgt einige GW/cm².
Die Energie des Lasers 16 wird durch das Material über eine sehr geringe Dicke absorbiert. Die implizierte Zone wird in ein Plasma verwandelt, dessen Entspannung in dem Material eine Schockwelle erzeugt. Diese Welle kann benutzt werden, um die Oberfläche des Materials zu härten oder zu verformen, wenn sie ausreichend groß ist. Durch die Kürze des Impulses findet kein Wärmetransfer statt.
Das Bezugszeichen 2a bezeichnet das Werkstück in seinem Endzustand. Die Oberseite 10, dem Laser zugewandt, hat eine konkave Form, während die zum Laser entgegengesetzte Seite 12 eine konvexe Form aufweist. Natürlich kann man auch komplexe Formen realisieren. Dieses Laserformverfahren ist insbesondere beschrieben in den Artikeln "Convex laser forming with high certainty" (Wenchuan I and Y. Lawrence Yao, Department of Mechanical Engineering, Columbia University, New-York, NY 10 027) und "Optimal and robust design of laser forming process" (Chao Liu and Y. Lawrence Yao, Department of Mechanical Engineering Columbia University New-York, NY 10 027).
Diese Technik ist flexibler als das mechanische Verformungsverfahren, beschrieben mit Bezug auf die 1, da es nicht mehr nötig ist, für jedes Werkstück oder jeden Werkstücktyp eine Matrize herzustellen. Es ist auch in dem Maße genauer, wie jeder Impuls nur eine geringe Verformung erzeugt. Hingegen ist es weniger schnell und folglich nicht für eine Serienfertigung von Werkstücken geeignet.
Die in der 3 dargestellte erfindungsgemäße Technik arbeitet simultan mit dem in Verbindung mit der 1 beschriebenen klassischen Pressverfahren und dem in Verbindung mit der 2 beschriebenen Laserformverfahren.
Zu diesem Zweck umfasst die Presse ein Gestell 3, eine untere Matrize 4, eine obere Matrize 6 und einen auf das Gestell 3 montierten Laser 16, der einen Laserstrahl 14 emittiert. Der Laser 16 kann ein Festkörperlaser (auf der Basis von Neodym, Yttrium, Itherbium, usw.) oder ein Farbstofflaser mit einer Frequenz von ungefähr 1 kHz sein. Die beiden Techniken können nacheinander angewendet werden. In diesem Fall wird das Formungsverfahren durch mechanische Verformung zuerst angewendet, um schnell einen Rohling des Werkstücks zu erhalten. Die Endbearbeitung, die dann ermöglicht, genaue Dimensionen herzustellen, erfolgt dann durch das Laserformverfahren. Dieses zweite Mittel wird benutzt, um eine extrem genaue Form herzustellen. Es verursacht keinen Wärmetransfer in dem Werkstück.
Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens werden beide Techniken simultan angewendet. In diesem Fall umfasst wenigstens eine der Matrizen 4 und 6 eine Durchgangsloch 18 für den Laserstrahl 14. Dieser Durchgang befindet sich in der 3 in der oberen Matrize 4 in Form eines Lochs 18. Der Durchgang (bzw. Weg) des Strahls kann jedoch zum Beispiel auch mittels optischer Fasern oder Spiegeln realisiert werden, die ermöglichen, die Impulse zu genau ausgewählten Zonen des Werkstücks 2 zu leiten.
Zusätzlich zu der Laserformung kann das Werkstück 2 erhitzt werden, so dass die durch die Formung induzierten Spannungen reduziert werden. Das so geformte Werkstück kann dann an Lebensdauer gewinnen. Diese Erhitzung kann durch ein klassisches Mittel oder durch Laser realisiert werden, wenn man eine sehr lokalisierte Erhitzung wünscht. Der der Erhitzung dienende Laser 20 unterscheidet sich von dem die Stöße erzeugenden Laser 18. Die Charakteristika dieser beiden Laser sind verschieden.
Die Verbindung der beiden Techniken ermöglicht dank des Lasers 16, die Kapazität der verwendeten Presse zu reduzieren. Ebenso kann die verwendete Gerätschaft vereinfacht werden. Die Matrizen 4 und 6 können durch einfache Formwerkzeuge ersetzt werden, befestigt am Ende von Zylindern, mit denen auf das zu formende Werkstück 2 Druck ausgeübt wird.
IN DER BESCHREIBUNG GENANNTE REFERENZEN
Diese Liste von durch den Anmelder genannten Referenzen dient nur dazu, dem Leser zu helfen und ist nicht Teil der europäischen Patentschrift. Obwohl sie mit einem Höchstmaß an Sorgfalt erstellt worden ist, können Fehler oder Weglassungen nicht ausgeschlossen werden und das EPA lehnt in dieser Hinsicht jede Verantwortung ab.
In der Beschreibung genannte Patentschriften

• WO 9901239 A	• US 6515253 B
• WO 03053607 A

Claims

Presse zum Formen großer Werkstücke, zwei Matrizen (4, 6) umfassend sowie Antriebseinrichtungen (8), um das zu formende Werkstück (2) zwischen diesen beiden Matrizen einzuspannen, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Formungsimpulslaser (16) umfasst, um lokalisierte und hochenergetische Laserstöße (14) auf der Oberfläche (10) des Werkstücks (2) zu erzeugen.
Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Durchgang (18) umfasst, um lokalisierte und hochenergetische Laserstöße (14) durch die Matrize hindurch zu lassen.
Presse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser so eingestellt ist, dass er Impulse emittiert, deren Dauer zwischen 10 und 100 Nanosekunden enthalten ist und deren Energie zwischen 1 und 10 GW/cm² enthalten ist.
Verfahren zur Formung eines Werkstücks von großer Dicke mittels einer Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – man ordnet das zu formende Werkstücks (2) zwischen die beiden Matrizen (4, 6) der Presse an; – man nähert die beiden Matrizen (4, 6) einander, so dass sich das Werkstück an die Formen der Matrizen anpasst; – man formt die Oberfläche (10) des Werkstücks (2) durch lokalisierte und hochenergetische Impulslaserstöße.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die beiden Matrizen einander nähert und gleichzeitig die Oberfläche (10) des Werkstücks (2) lokalisierten und hochenergetischen Laserstößen aussetzt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man zuerst die beiden Matrizen (4, 6) einander nähert, um einen Rohling des zu formenden Werkstücks (2) zu bilden, und dann die Oberfläche (10) dieses Rohlings lokalisierten und hochenergetischen Laserstößen (14) aussetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man das zu formende Werkstück während des Formungsschritts beheizt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man das zu formende Werkstück (2) mittels eines Heizlasers (20) beheizt.
Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulslaser (14) vom Typ Festkörper- oder Farbstofflaser mit einer Frequenz von ungefähr 1 kHz ist.