DE60300768T2

DE60300768T2 - Verfahren zum Herstellen eines Blechartikels durch superplastische oder schnelle plastische Verformung

Info

Publication number: DE60300768T2
Application number: DE60300768T
Authority: DE
Inventors: Chongmin Davisburg Kim; Gary A. Troy Kruger; Mark G. Rochester Konopnicki; John Norman Allenton Johnson; James Gregory Troy Schroth; Michelle R. Grand Blanc Goff
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: US6880377B2; DE60300768D1; EP1410856A1; EP1410856B1; US20040074273A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum superplastischen oder schnellen plastischen Formen eines Metallgegenstandes aus einem Blechrohling, der zum Streckformen erwärmt worden ist, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 (siehe z. B. die US-A-6 253 588), um diesen z. B. in Gegenstände mit einer komplexen Krümmung wie z. B. Autokarosseriebleche zu formen. Im Speziellen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Formen solcher Rohlinge in Blechprodukte mit Bereichen hoher Dehnung, ohne dass an dem Blech eine extrem ungleichmäßige Ausdünnung oder Risse oder Falten gebildet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Autokarosseriebleche und andere Blechteile von komplexer Form können aus Aluminiumlegierungen mit einer superplastisch oder schnell plastisch formbaren Zusammensetzung und metallurgischer Mikrostruktur geformt werden. Ein superplastisches Verformen von z. B. einer Aluminiumlegierung 5083 erfolgt allgemein zwischen 900°F und 950°F und der Mechanismus besteht in einem Gleiten von Korngrenzen sehr feiner Körner. Ein schnelles plastisches Verformen von geeigneten Aluminiumlegierungen ist in dem oben zitierten US-Patent 6 253 588 mit dem Titel „Quick Plastic Forming of Aluminium Alloy Sheet Metal" an Rashid et al beschrieben. Schnelles plastisches Formen wird bei niedrigeren Temperaturen (z. B. 440,55°C (825°F) bis 468,33°C (875°F)) und oft bei höheren Umformgeschwindigkeiten als superplastisches Formen durchgeführt. Beim schnellen plastischen Formen erfolgt die Verformung nicht zur Gänze durch Gleiten von Korngrenzen, sondern geschieht sowohl durch Gleiten von Korngrenzen als auch einer Dislokationsbewegung. Schnelles plastisches Formen erzeugt komplexe Teile mit einer besseren Dimensionsqualität und Reproduzierbarkeit des geformten Metalls, als wenn die gleichen Teile durch superplastisches Formen gebildet werden.
Autokonstrukteure und Fertigungsingenieure kooperieren, um die Form von Aluminiumlegierungskarosserieblechen zu spezifizieren, die aus dem Blech erfolgreich geformt werden können. Ein Beispiel eines Autokarosserieblechteils ist ein Kofferraumdeckel. Ein typischer Kofferraumdeckel weist eine allgemein horizontale Fläche, die die Oberseite des Fahrzeugkofferraums bedeckt und eine allgemein vertikale Fläche, die das Ende des Kofferraums definiert, auf. Beide Flächen weisen üblicherweise eine gekrümmte Form auf, da sie den Fahrzeugkofferraum zwischen den gegenüberliegenden Fahrzeugkotflügeln überspannen. Des Weiteren kann der Kofferraumdeckel eine tiefe taschenförmige Vertiefung in der vertikalen Fläche für ein Nummernschild und für Lichter, die das Schild beleuchten, aufweisen. Auch kann der Kofferraumdeckel eine Vertiefung an der Oberseite der vertikalen Fläche für eine hochgesetzte Bremsleuchte (Center High Mounted Stop Lamp = CHMSL) aufweisen. Wenn ein Karosserieblech solche strukturellen Merkmale in einem einzigen Stück Blech enthält, ist zu überlegen, wie das Metall geformt wird, ohne dass sich daran Falten oder Risse bilden.
Bei der Beurteilung der komplexen Form solch eines Karosserieblechs kann eine Finite-Elemente-Berechnung der Streckung des flachen Blechs in das Endprodukt gemacht werden. Bei gegebenen Dehnungseigenschaften des Blechs erfolgt eine Bewertung, ob das Teil aus dem verfügbaren Metallvorrat ohne Riss- oder Faltenbildung des Metalls hergestellt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein deutlich verbessertes Verfahren zum Verwenden eines superplastischen oder schnellen plastischen Formens wie in dem '588-Patent offen gelegt bereitzustellen, um ein Blechteil von komplexer Form mit einer qualitativ hochwertigen Oberfläche erfolgreich zu formen. Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 7 erreicht.
Die Erfindung ist ein Verfahren zur Verwendung komplementärer, von innen oder von außen erwärmter Doppelwirkungs-Formwerkzeuge in einer Einzelpresse und des Drucks eines Arbeitsgases, um einen superplastisch oder schnell plastisch formbaren Metalllegierungsblechrohling in ein Blechprodukt von komplexer Form zu formen. Dem Blechrohling wird die Form eines Vorformlings verliehen, was eine wesentliche Dehnung des Blechs beinhaltet. In einem zweiten Arbeitsgang der Werkzeuge wird der Vorformling dann in das Endprodukt geformt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Metalllegierung eine Magnesium enthaltende Aluminiumlegierung mit einer feinkörnigen Mikrostruktur (die Korngröße ist geeigneterweise kleiner als 10 Mikrometer) für superplastisches oder schnelles plastisches Formen. Typischerweise weist das Blech eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,7 bis 3 mm auf.
Das Verfahren ist insbesondere anwendbar, um das Blech in ein streckgeformtes Produkt von komplexen dreidimensionalen Krümmungen mit vertieften taschenförmigen Bereichen hoher Dehnung zu formen. Die Erfindung ist z. B. auf das Formen von Autokarosserieblechen anwendbar.
Es wird eine Analyse der Linien der Dehnung vorgenommen, die erforderlich ist, um ein streckgeformtes Endteil aus einem ursprünglich flachen Metallrohling zu formen. Der Aluminiumlegierungsblechrohling wird durch eine Kombination aus Warmwalzen und Kaltwalzen zu einer gewünschten Blechdicke erzeugt worden sein. Das kalt bearbeitete Blech wird einem statischen Wärmeumkristallisierungsverfahren unterzogen, um eine geeignete feinkörnige Mikrostruktur für superplastisches oder schnelles plastisches Formen des Blechs bei einer erhöhten Temperatur von z. B. 925°F bzw. 850°F zu erzeugen. Das Blech kann auch zumindest eine Oberfläche aufweisen, die ein qualitativ hochwertiges Finish aufweist, das als eine von außen sichtbare Oberfläche eines zusammengebauten Fahrzeugs akzeptiert werden kann. Selbstverständlich muss die Qualität solch einer Blechrohlingsoberfläche während der gesamten Blechumformungen erhalten bleiben. Wenn eine Formanalyse des Teils den Fertigungsingenieuren anzeigt, dass das Teil nicht in einem Streckarbeitsgang geformt werden kann, ohne dass Oberflächenfehler oder -risse erzeugt werden, kann die Verwendung des gegenständlichen Verfahrens zwingend notwendig sein.
In vielen Fällen können Bleche von komplexer Form in einer Einzelpresse unter Verwendung von üblicherweise selbst erwärmten, komplementären aber nicht zusammenpassenden Formwerkzeugen in einem zweistufigen Formverfahren geformt werden. Die Werkzeuge stehen in gegenüberliegender Beziehung und sind aus einer offenen Position für ein Einsetzen eines Blechrohlings beweglich. Der Rohling wird von außen auf seine Formtemperatur vorgewärmt oder durch Strahlung und Leitung von den Werkzeugoberflächen erwärmt. Die Werkzeuge werden dann zu einer Formposition einer ersten Stufe bewegt, in der die Ränder des Rohlings durch einen Klemmringmechanismus gefasst werden und Gasdruck auf eine Seite des Blechs aufgebracht wird, um es gegen eine Oberfläche eines Werkzeugs für den Vorformling vorzuformen. Das gegenüberliegende Werkzeug für die endgültige Form wird dann in einer Formposition einer zweiten Stufe näher an das vorgeformte Blech bewegt und Gasdruck wird auf die entgegengesetzte Seite des Blechs aufgebracht, um es gegen das Werkzeug für die endgültige Form zu zwingen und das Formen des Blechteils zu vollenden. Dann wird die Presse zum Entfernen des geformten Teils und Einsetzen eines neuen Rohlings geöffnet.
Das Werkzeug für den Vorformling ist derart geformt, dass es einen Hauptteil der Streckung und Dehnung des Blechs bewerkstelligt. Das Werkzeug für die endgültige Form vollendet Biegungen und vertiefte Ecken und definiert die Endform des in diesem Pressarbeitsgang hergestellten Blechs. Vorzugsweise wird aber der Großteil der Metallstreckung in dem Vorformschritt bewerkstelligt. In jedem Fall wird der Druck eines geeigneten Arbeitsgases wie z. B. Luft oder Stickstoff verwendet, um das Blech gegen die jeweiligen Werkzeugoberflächen zu drücken und zu strecken, und der Druck wird in den aufeinander folgenden Vorform- und endgültigen Formschritten auf entgegengesetzte Seiten des Blechs aufgebracht. Somit sind die erforderlichen Dehnungslinien oder Streckrichtungen in dem Blech zum Formen des Teils vorbestimmt. Ein wesentlicher Teil der Dehnung wird in dem Vorformschritt, speziell in den Bereichen kritischer Verformung, bewerkstelligt. Die letzte Dehnung wird dadurch bewerkstelligt, dass das vorgeformte Blech weg von dem Werkzeug für den Vorformling gegen die Formoberflächen des Werkzeugs für die endgültige Form gezwungen wird.
Das Werkzeug für den Vorformling definiert vorzugsweise einen allgemein konkaven Hohlraum und das Werkzeug für die endgültige Form weist eine allgemein konvexe Stempeloberfläche auf. Der Rohling wird zwischen den Werkzeugen eingesetzt, wobei die Seite mit der qualitativ hochwertigen Oberfläche für den Vorformschritt dem Hohlraumwerkzeug zugewandt ist, so dass das Endformen des Teils derart bewerkstelligt wird, dass die Rückseite, die nicht kritische Seite, des Rohlings mit der Stempeloberfläche in Eingriff tritt.
Dieses zweistufige Formverfahren ermöglicht es, dass Teile mit komplexen Krümmungen, wie z. B. der oben beschriebene Kofferraumdeckel, in einer Einzelpresse an einem Doppelwirkungswerkzeug geformt werden. Die Anwendung macht wirkungsvoll Gebrauch von dem Pressentisch und reduziert die Zykluszeit von Teil zu Teil zum Herstellen von Teilen mit komplexen Formen, die Bereiche hoher Dehnung umfassen.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform verständlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine isometrische Darstellung der Struktur eines Vorformlings aus einem AA5083-Blechrohling eines Autokofferraumdeckels, der gemäß der Erfindung geformt wurde. Im Allgemeinen sind die Linien an der Fig. Umrisslinien von Biegungen oder anderen Dehnungen in dem Blech.
2 ist eine isometrische Darstellung ähnlich wie 1 einer Endausbildung des Kofferraumdeckels gemäß der Erfindung.
3A–3F sind eine Reihe von Querschnittsansichten des fortschreitenden Verfahrens von Formwerkzeugen, die an einer Presse zum superplastischen oder schnellen plastischen Streckformen des Vorformlings und der Endform des Kofferraumdeckels gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung montiert sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Erfindung ist ein Verfahren zum Formen von superplastischen oder schnell plastischen Metalllegierungsblechrohlingen in Gegenstände komplexer Krümmung und relativ hoher Dehnung. Es ist bekannt, dass bestimmte Legierungen aus Aluminium, Magnesium, Titan und Stahl z. B. eine relativ hohe Dehnung erfahren können, bevor sie reißen oder brechen. Typischerweise werden diese superplastischen Metalllegierungen in der Form von Blechen mit einer Dicke von ungefähr 0,7–3 mm verarbeitet. In dieser Blechform können sie auf eine geeignete erhöhte Temperatur erwärmt werden, an der ihre Formeigenschaften hoher Dehnung ausgeschöpft werden können und sie über ein geeignetes Werkzeug oder zwischen geeigneten Werkzeugen gestreckt und/oder gezogen werden können, um Blechgegenstände mit komplexer Form zu formen. Die Anwendung dieser Erfindung wird unter Verwendung einer bekannten feinkörnigen Aluminiumlegierung mit einer hohen Dehnung, AA5083, veranschaulicht, die für die Herstellung von Autokarosserieblechen und dergleichen verwendet wurde. Das gleiche Blech kann durch superplastisches Formen, SPF, oder schnelles plastisches Formen, QPF, geformt werden. SPF wird üblicherweise bei höheren Temperaturen und niedrigeren Umformgeschwindigkeiten durchgeführt. Ein Fortschreitendes Erhöhen von Gasformdrücken kann beim QPF bei schnelleren Formgeschwindigkeiten eingesetzt werden. Das '588-Patent ist hierin durch Bezugnahme für seine Offenlegung von QPF-Verfahren aufgenommen.
AA5083 besitzt eine typische Zusammensetzung bezogen auf das Gewicht von ungefähr 4 Prozent bis 5 Prozent Magnesium, 0,3–1 Prozent Mangan, maximal 0,25 Prozent Chrom, ungefähr 0,1 Prozent Kupfer, bis zu ungefähr 0,3 Prozent Eisen, bis zu ungefähr 0,2 Prozent Silizium und der Rest im Wesentlichen Aluminium. Solch eine Zusammensetzung wird übli cherweise durch ein geeignetes Verfahren gegossen und das Gussteil wird zuerst warm gewalzt und dann kalt gewalzt, um ein Blech mit einer Dicke von ungefähr 0,7 bis ungefähr 3 mm zu formen. Nach solch einem Kaltwalzen besitzt/besitzen eine oder beide der kalt gewalzten Oberflächen des Blechs üblicherweise ein sehr glattes Finish, das für die Außenfläche eines Autokarosserieblechs geeignet ist.
Das kalt gewalzte Blech besitzt eine rau gearbeitete längliche Kornmikrostruktur, die noch nicht für ein Formverfahren geeignet ist. Das Blechmaterial wird bei einer geeigneten Temperatur und für eine Zeit, die ausreicht, um die kalt gearbeitete Kornstruktur umzukristallisieren, getempert. Für SPF, QPF oder ein anderes Formen mit hoher Dehnung gemäß der Erfindung ist die metallurgische Mikrostruktur des Blechmaterials eine stabile gleichmäßig feine Kornstruktur im Bereich von ungefähr 5–10 Mikrometer. Die Mikrostruktur ist gekennzeichnet durch eine erste Phase einer festen Lösung aus Magnesium und Aluminium mit gut verteilten fein dispergierten Partikeln intermetallischer Verbindungen, die Legierungsnebenbestandteile wie z. B. Al₆Mn enthalten. Diese Aluminium-Magnesiumlegierungen können auf Temperaturen in der Größenordnung von 850°F bis 950°F erwärmt werden, können in eine feinkörnige Mikrostruktur umkristallisieren und werden dann Zugverformungen bei einer Geschwindigkeit von 10^–4 bis 10^–3 s^–1 unterzogen, so dass sie eine Dehnung von bis zu 300% oder mehr erfahren, bevor eine Rissbildung oder ein anderer Fehler auftritt.
Es gibt eine Klasse von Autoblechen wie z. B. Kofferraumdeckelaußenbleche, die wegen ihrer Qualitätsanforderungen auf Grund ihrer sichtbaren Oberfläche, auf solche Weise geformt werden, dass das Innere des Blechs in Kontakt mit der Formwerkzeugoberfläche, oft als die Stempeloberfläche bezeichnet, steht, und die äußere Oberfläche unberührt bleibt. Eine Schlüsselformeigenschaft solcher Bleche ist das Vorhandensein von zwei großen konvexen Krümmungen, die die Bleche sowohl in der Quer- als auch in der Längsrichtung des Autos durchlaufen. Wenn versucht wird, solche Formen ausgehend von flachen Rohlingen zu formen, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Falten oder Metallfalten an Bereichen mit vorspringenden Ecken, d. h. Bereichen mit Eintrittsecken in zwei Richtungen unter einem Winkel, auftreten. Es ist zu erkennen, dass eine gute Möglichkeit, dieses Problem zu überwinden, darin besteht, dass man eine Form eines Vorformlings hat, die durch große Krümmungen dargestellt ist, dennoch eine ausreichende Linienlänge für die Endform aufweist und deren Oberfläche ausreichend nahe an potentiell problematischen Bereichen der Endform liegt, so dass keine Faltenbildungs- und Metallfaltenbildungstendenzen während des Endformens zu erwarten sind. Die Erfahrung hat gezeigt, dass das Formen eines äußeren Blechs eines Kofferraumdeckels ohne Verwendung eines geeigneten Vorformlings Metallfalten erzeugt, die die Klemmfläche und die Wölbung des Kofferraumdeckels überbrücken.
Ein zweistufiges Formen kann auch die gesamte Formzeit deutlich reduzieren. Da die Vorformergebnisse in einem Zwischenblech mit großen Krümmungen und die Zeit für ein Gasdruckformen grob gesprochen verkehrt proportional zu der Blechendkrümmung sind, benötigt die Verformstufe nur eine kurze Zeit. Da dieses Blech bereits ausreichend große Linienlängen aufweist, bewirkt die zweite und Endformstufe größtenteils eine biegeähnliche Verformung anstelle einer zeitraubenden Metallstreckung.
Ein struktureller Vorteil eines mit einem zweistufigen Gasdruckformverfahren hergestellten Blechs besteht darin, dass, da das vorgeformte Blech mit großen Krümmungen gleichmäßiger verteilte Formdehnungen auf weist, das Endprodukt im Vergleich mit einem in einem einstufigen Werkzeug geformten auch eine gleichmäßigere Dickenverteilung aufweist.
Die Ausführung der Erfindung an einem superplastischen AA5083-Aluminiumlegierungsblech mit einer Dicke von z. B. 1,2 mm wird in Verbindung mit dem Formen eines Außenblechs eines Autokofferraumdeckels beschrieben. Ein Vorformling des Kofferraumdeckels aus einem Rohling aus AA5083-Blech ist in 1 veranschaulicht und die Endform des Kofferraumdeckelblechs ist in 2 veranschaulicht.
Auf 2 wird zuerst Bezug genommen, um die allgemeine/n Form und Eigenschaften eines rohen Kofferraumdeckelaußenblechs, wie es geformt und aus dem Werkzeug, das bei der Durchführung des Verfahrens verwendet wird, entfernt wird, zu beschreiben. Der Kofferraumdeckel ist allgemein bei 200 in 2 bezeichnet. Die Linien von 2 veranschaulichen die allgemeine Form des Kofferraumdeckels, die in dem ursprünglichen Blechrohling geformt wird. Die Linien zeigen aber auch Dehnungslinien und Biegungen in dem Metall, wie es durch das Verfahren, welches unten stehend im größeren Detail beschrieben wird, geformt wird.
Wie festgestellt, stellt 2 den geformten Blechrohling dar, der derart geformt wurde, dass er eine Kofferraumdeckelaußenblechgestalt 200 enthält. Überschüssiges Metall an den Ränder des geformten Blechs wurde nicht beschnitten. Im Allgemeinen umfasst die Kofferraumdeckelgestalt 200 eine horizontale Fläche 202, die die Oberseite des Kofferraums des Fahrzeugs bedeckt. Das Kofferraumdeckelblech 200 umfasst auch eine allgemein vertikale Fläche 204, die das Ende des Kofferraumbereichs des Fahrzeugs definiert. Ein Rand 206 des geformten Blechs enthält Material, das als Flansch verwendet werden kann, um ein Innenblech an diesem Kofferraumdeckelaußenblech 200 zu befestigen, und der Rest des Randes 206 kann beim Fertigstellen des Kofferraumdeckelaußenblechs beschnitten werden. In gleicher Weise stellen die Seitenränder 208 und 210 Flanschmaterial zum Befestigen eines Kofferraumdeckelinnenblechs und einen Beschneidungsbestand, der am Ende von diesem geformten Blechteil weggeschnitten werden kann, dar. Schließlich stellt der Rand 212 an der Unterseite des vertikalen Abschnitts 204 des Kofferraumdeckels 200 ebenfalls Flansch- und Beschneidungsmaterial dar.
Ein erstes signifikantes Merkmal, das kritisch für das erfolgreiche Formen des Kofferraumdeckelblechs 200 ist, ist eine einteilig geformte Aussparung 216 für ein Nummernschild. Die einteilig ausgebildete Nummernschildaussparung 216 umfasst einen allgemein flachen Boden 218 mit steil geneigten Seiten 220, 222 und 224. Die Seite 220 bildet einen Eckabschnitt 226 mit einem scharfen Radius mit dem Boden 218. Die Seite 220 bildet auch einen Eckabschnitt 228 mit der benachbarten Seite 224. In ähnlicher Weise bildet die Seite 222 eine Ecke 230 mit dem Bodenabschnitt 218 und einen Eckabschnitt 232 mit der Seite 224. Dies sind alles Merkmale, die in der Nummernschildaussparung 216, die einteilig mit dem Blech von dem Rest der Kofferraumdeckelstruktur 200 ist, geformt werden müssen.
Ebenfalls einteilig ausgebildet in der Kofferraumdeckelstruktur ist eine lange schmale Aussparung 240 für ein Fahrzeugbremslicht, das als hochgesetzte Bremsleuchte (CHMSL) bezeichnet wird. Diese lange schmale und tiefe CHMSL-Aussparung 240 weist Basisabschnitte und Seitenwände auf, die hier aus Gründen der Einfachheit der Veranschaulichung nicht speziell gekennzeichnet sind. Sie stellen jedoch kritische, schwierig zu formende strukturelle Merkmale in dem Blech 200 dar. Des Weiteren teilt sich die Nummernschildvertiefung 216 verbundene Flächen, die aus Gründen der Einfachheit der Veranschaulichung nicht speziell gekenn zeichnet sind, mit der CHMSL-Aussparung 240. Es gibt auch zwei kleinere Aussparungen für Rückfahrscheinwerfer, von denen eine in 2 bei 242 zu sehen ist. Die Rückfahrscheinwerferaussparung liegt zwischen der Nummernschildaussparung 216 und der CHMSL-Aussparung 240. Dies sind komplexe dreidimensionale strukturelle Merkmale eines modernen Autokarosserieblechs, die die Formbarkeit des Blechmaterials, aus dem solch ein Karosserieblech geformt wird, auf die Probe stellen.
Wie in 2 zu sehen, gibt es eine mittlere Dehnungslinie 250, die sich von dem Rand 206 über die Oberseite 202 des Kofferraumdeckels 200 durch die CHMSL-Aussparung 240 und die benachbarte Nummernschildaussparung 216 über die vertikale Fläche 204 zu dem unteren Rand 212 erstreckt. Der von der Dehnungslinie 250 durchschrittene Weg veranschaulicht einen Bereich signifikanter und relativ großer Dehnung in dem Blech, aus dem das Kofferraumdeckelaußenblech 200 geformt wird.
Die Dehnungslinie 250 kreuzt eine Biegungslinie 252 in der horizontalen Fläche 202 des Kofferraumdeckels. Die Dehnungslinie erfährt dann einen tiefen „U"-Abschnitt 254, während sie dem Boden und den Seitenabschnitten der CHMSL-Aussparung 240 folgt. Die Dehnungslinie 250 läuft dann bei 256 über den Boden 218 der Nummernschildaussparung 216 und die Seitenwand 224 der Nummernschildaussparung 216 hoch. Die Dehnungslinie 250 mit ihren vielen scharf geformten Segmenten stellt Formmerkmale in der Endform des Blechs 200 dar. Demgemäß wird die Dehnungslinie 250 den Abschnitt des Blechs 200 repräsentieren, wie er in den in den 3A bis 3F veranschaulichten Pressumformungen, die unten stehend im Detail beschrieben werden, gesehen wird.
1 veranschaulicht eine vorgeformte Gestalt 100 des Kofferraumdeckelblechs. Die Gestalt des Vorformlings 100 ist die Formgestalt der ersten Stufe des zu Beginn flachen AA5083-Blechbestandsmaterials. Ein Großteil der Metallstreckung und -dehnung zum Erzeugen der Endgestalt des Kofferraumdeckels wurde in diesem Vorformling erzeugt. Der ursprüngliche Blechrohling wurde an dieser vorgeformten Stufe ausreichend verformt, so dass er als Vorläufer der in 2 veranschaulichten Kofferraumdeckelstruktur erkennbar ist. Die markierten Biegelinien und geformten Oberflächen in dieser Gestalt 100 des Vorformlings des Kofferraumdeckelblechs verwenden „100er"-Nummern, die ansonsten gleich markierten weiter geformten Linien und Flächen in 2 entsprechen. Anders ausgedrückt ist die horizontale Kofferraumdeckelfläche von 1 102 und die vertikale Fläche der vorgeformten Kofferraumdeckelstruktur ist 104. Die Ränder 106, 108, 110, 112 sind Vorläufer oder vorgeformte Strukturen, die jeweils den Blechrändern 206, 208, 210, 212 in 2 entsprechen. In ähnlicher Weise ist die Nummernschildaussparung 116 die vorgeformte Version der Nummernschildaussparung 216 in der Endform der Kofferraumdeckelstruktur 200 von 2 und die CHMSL-Aussparung 140 ist die vorgeformte oder der Vorläufer der CHMSL-Aussparung 240 in 2. Die Dehnungslinie 150 ist die vorgeformte Version der Dehnungslinie 250 in 2.
Wiederum durchläuft die Dehnungslinie 150 einen Weg über die Biegungslinie 152 in der horizontalen Fläche 102 der Gestalt des Vorformlingblechs 100. Die Dehnungslinie 150 weist einen „U"-förmigen Abschnitt 154 in dem Vorformling der CHMSL-Aussparung 140 auf. Die Dehnungslinie 150 setzt sich als 156 über den Vorformling der Nummernschildaussparung 116 fort und erreicht schließlich den Rand 112 des Vorformlings der vorgeformten Blechstruktur 100. Wiederum wird die Dehnungslinie 150 des Vorformlings als eine Schnittsdarstellung der vorgeformten Struktur 100 in der detaillierten Beschreibung der Formwerkzeuge und der Um formungen, die unten stehend in Verbindung mit den 3A–3F beschrieben werden, gesehen.
Die 3A–3F sind eine Reihe schematischer Darstellungen im Querschnitt einer vergrößerten Darstellung von Pressentischen und zwei komplementären, aber nicht zusammenpassenden Formwerkzeugen, die in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von Nutzen sind. Sie illustrieren das Formen der Gestalt 100 des Vorformlings des Kofferraumdeckelblechs wie in 1 veranschaulicht und dann die Endgestalt des Kofferraumdeckelblechs 200 wie in 2 zu sehen. Die entsprechenden Werkzeugkomponenten sind mit den selben Bezugsziffern versehen, wenn sie in mehr als einer von den 3A–3F gezeigt sind.
Unter Bezugnahme zuerst auf 3A ist die Press- und Werkzeuganordnung allgemein und schematisch bei 300 angezeigt und in einer offenen Position zum Einsetzen eines Blechrohlings 302 dargestellt. Der Rohling 302 ist im Querschnitt und hochkant dargestellt. Der Blechrohling 302 weist eine Oberseite 304 und eine Unterseite 306 auf.
Die Pressen- und Werkzeugkombination 300 umfasst einen oberen Pressentisch 308 (der vollständige Pressenaufbau und die hydraulischen Betätigungsmechanismen sind herkömmlich und nicht gezeigt, um die Komplexität der Veranschaulichung zu verringern). An dem oberen Pressentisch 308 sicher befestigt ist ein einen Hohlraum definierendes Werkzeug 310, das allgemein von konkaver Gestalt ist, mit der grundsätzlichen Ausnahme eines Formabschnitts 317 für den Vorformling der CHMSL-Aussparung. Eine Isolierschicht 312 wärmeisoliert ein Hohlraumwerkzeug 310 von dem oberen Tisch 308. In ähnlicher Weise sind die Seiten des Hohlraumwerkzeugs 310 in Isolierschichten 314 gewunden. Das Hohlraumwerkzeug 310 umfasst einen Hohlraumabschnitt 316 zur Verwen dung beim Formen des Vorformlings 100 des Kofferraumdeckelblechs. Das Hohlraumwerkzeug 310 umfasst auch eine Vielzahl von Heizelementen 318, um das Hohlraumwerkzeug bei einer Temperatur zu halten, die zum thermoplastischen Formen des AA5083-Blechmaterials geeignet ist. Eine illustrative Temperatur zum QPF beträgt z. B. 850°F. Das Hohlraumwerkzeug 310 umfasst auch einen Gaskanal 320 zum Einlassen eines Arbeitsgases unter Druck für eine unten stehend beschriebene Umformung. Typischerweise wird Luft oder Stickstoff als Arbeitsgas verwendet. Wenn die Umformung beendet ist, wird das Arbeitsgas durch den Gaskanal 320 entlüftet.
Der untere Pressentisch 330 trägt einen Klemmring 332 und ein Stempelwerkzeug 334. Auf dem unteren Pressentisch 330 liegt eine Schicht von Isoliermaterial 336. Die Isolierschicht 336 trägt eine wassergekühlte tragende Struktur 338 für den Klemmring 332. Die Wasserdurchgänge sind bei 339 angezeigt. Die tragende Struktur 338 trägt zylindrische Säulen 340, die den Klemmring 332 tragen. Ein Isolierring 342 schließt den Klemmring 332 ein. Der Klemmring 332 enthält Heizelemente 333. In gleicher Weise enthält der Stempel 334 Heizelemente 336, um das Stempelwerkzeug bei der angegebenen Formtemperatur des Blechrohlings 302 zu halten. Wie in 3A zu sehen, wird der vorgewärmte Blechrohling 302 zu Beginn auf dem konvexen Stempel 334 abgesetzt, wenn die Pressen-/Werkzeuganordnung 300 sich in ihrer offenen Position befindet. Das heiße dehnbare Blech streckt sich selbst über den Stempel 334 und die Klemmringstruktur 332.
Der Gaskanal 344 durch die Isolierung 342 und den Klemmring 332 erlaubt das Einleiten von Arbeitsgas gegen die Rückseite 306 des Blechrohlings 302 während des Vorformschrittes, wie unten stehend beschrieben wird. Ein Dichtungsring 341 zwischen dem Klemmring 332 und dem Trä gerelement 338 hilft, das Arbeitsgas während des Vorformschrittes innerhalb der Pressen-/Werkzeuganordnung abzudichten (wie besser in 3B zu sehen).
Mit dem in die offene Pressen-/Werkzeuganordnung 300 eingelegten flachen Blechrohling schreitet das Formverfahren nun wie folgt fort.
Bezug nehmend auf 3B wird die obere Pressentisch 308-/Hohlraumwerkzeug 310-Anordnung nun gegen die Stempel 334-/Klemmring 332-Kombination geschlossen. Die relative Bewegung des oberen Tisches 308 und des unteren Tisches 330 schließt die Pressen-/Werkzeuganordnung 300 zu der Position von 3B. Das Hohlraumwerkzeug 310 ist nun nahe an dem Stempelwerkzeug 334 positioniert. In dieser geschlossenen Position der Pressen-/Werkzeuganordnung 300 sichern das Hohlraumwerkzeug 310 und der Klemmring 332 fest den Umfang des Blechrohlings 302. Der gesicherte Rohling 302 schließt somit den Pressraum um den Stempel 334, so dass ein Arbeitsgasdruck gegen die Unterseite 306 des Rohlings 302 aufrechterhalten werden kann. Es gibt ein zusätzliches Abdichtungsmerkmal in der Pressen-/Werkzeuganordnung 300, das unten stehend beschrieben ist.
Luft unter geeignetem Druck wird durch einen Kanal 344 eingeleitet, so dass Luftdruck auf die Unterseite 306 des Rohlings 302 aufgebracht wird. Dieser Druck zwingt den vorgewärmten Rohling 302 gegen die den Abschnitt 317 für den Vorformling der CHMSL-Aussparung umfassende Hohlraumoberfläche 316 des Hohlraumwerkzeugs 310 und in vollständige Übereinstimmung mit der Oberfläche des Hohlraumwerkzeugs, die den Vorformling formt. Die Darstellung in den 3B und 3C ist eine Schnittdarstellung des Vorformlings 100 von 1 entlang der Dehnungslinie 150.
3C ist eine vergrößerte Darstellung des eingekreisten Bereiches von 3B. Wie in 3C zu sehen, zwingt der durch die Richtungspfeile angezeigte Luftdruck die Oberseite 304 des Rohlings 302 in eine Formübereinstimmung mit dem die CHMSL-Aussparung formenden Abschnitt 317 der den Vorformling formenden Oberfläche des Hohlraumwerkzeugs 310 und dem Rest der Formoberfläche 316 des Hohlwerkzeugs 310.
Der Luftdruck wird in geeigneter Weise in entsprechenden ansteigenden Inkrementen aufgebracht, wie in dem '588-Patent von Rashid et al beschrieben. Innerhalb einer Zeitspanne von wenigen Minuten hat der erwärmte Rohling 302 die Form des Vorformlings 100 des Kofferraumdeckelblechs 100, wie in 1 veranschaulicht, angenommen. Wenn die Streckung des Vorformlings 100 beendet ist, wird das Arbeitsgas durch den Gaskanal 344 freigesetzt. Der Großteil der für die Herstellung der Endform des Kofferraumdeckels erforderlichen Metallstreckung wird in den Vorformling 100 eingebracht. Das Endbiegen und Eckendetails und dergleichen werden in der nächsten Formstufe bewerkstelligt.
Wie in den 3A, 3B und 3F gezeigt, ist das Stempelwerkzeug 334 durch den unteren Pressentisch 330 an einem Tragring 338 getragen, kann aber getrennt von dem Tisch 330 bewegt werden. Das Stempelwerkzeug 332 ist auf zylindrischen Trägerelementen 350, die auf einer Platte 352 getragen sind, getragen. In den 3A, 3B und 3F ruht die Platte 352 auf dem Tragring 338. Ein in einer Nut in dem wassergekühlten Tragring 338 montierter O-Ring 353 sorgt für eine Gasdichtung für das oben beschriebene Vorformverfahren, wenn die Platte 352 auf ihm ruht.
Die Platte 352 ist durch Stangen 356, die sich durch die Isolierplatte 336 und den Pressentisch 330 erstrecken, mit einem Stempeltisch 354 verbunden. Die Stangen 356 ruhen auf dem Tisch 354. Der Stempeltisch 354 wird durch ein nicht gezeigtes Mittel betätigt, um den Stempel 334 unabhängig von der Bewegung des unteren Pressentisches 330 zu bewegen. Diese unabhängige Bewegung des Stempels 334 stellt die „zweite Verfahrensstufe" der/des gegenständlichen Werkzeugbestückung und Formverfahrens bereit.
Nachdem der Blechrohling 302 als Vorformlingsblech 100 wie in 3B und 3C gezeigt, geformt wurde, wird das Stempelwerkzeug 334 für den letzten Blechformschritt angehoben. In 3D ist zu sehen, dass der Stempeltisch 354 angehoben wurde und die Oberfläche des Stempels 334 nun in engerer Nähe mit dem Hohlraumwerkzeug 310 ist. Luft wird aus dem Bereich zwischen der Oberfläche des Stempels 334 und dem Blech 302 (nun in der Form des Vorformlings 100) durch den Kanal 340 in den Klemmring 332 entlüftet. Nun wird Luftdruck durch das Hohlraumwerkzeug 310 durch den Gaskanal 320 eingeleitet. Das Blech 302 wird von der Oberfläche des Hohlraumwerkzeugs 310 weg gezwungen und wird in Kontakt mit der Oberfläche des Stempelwerkzeugs 334 gestreckt, wie in der vergrößerten Darstellung von 3E gezeigt. Die Hinterseite 306 des Blechs 302 steht in vollem Kontakt mit der Oberfläche des Stempels 334. Wiederum wird der Luftdruck schrittweise erhöht wie in dem Patent von Rashid et al. beschrieben und innerhalb einer Zeitspanne von wenigen Minuten wurde das Blech (geformt als Vorformling 100, 1) gegen die Oberfläche des Stempelwerkzeugs 334 gestreckt, so dass es die Endgestalt des Kofferraumdeckelblechs 200, 2, annimmt, die in dieser Werkzeug-/Pressenanordnung 300 erhalten wird. Der Luftdruck wird dann durch den Gaskanal 320 freigesetzt.
Wie in 3F veranschaulicht, werden das Hohlraumwerkzeug 310 und das Stempelwerkzeug 334 nun durch Aktivierung ihrer jeweiligen Tische 308, 330 und 354 getrennt. Das geformte Blech 302, das nun in der Ges talt des endgeformten Kofferraumdeckelblechs 200 (2) vorliegt, ist auf dem Klemmring 332 in der offenen Werkzeugbestückungs-/Pressenanordnung 300 ruhend zu sehen.
Das Blech 302, nunmehr das Kofferraumdeckelblech 200, wird aus der Werkzeug-/Pressenanordnung 300 entfernt. Jeder Beschneidungsarbeitsgang und dergleichen wird bewerkstelligt, um die Herstellung des Kofferraumdeckelaußenblechs zu beenden. Die Presse befindet sich nun in ihrer offenen Position und die Werkzeugbestückung ist bereit zum Einsetzen eines neuen Rohlings 302, so dass das Verfahren von Neuem beginnt, um das nächste Kofferraumdeckelblech zu formen, wie in 3A veranschaulicht.
Somit stellt die gegenständliche Erfindung eine Ausführung für ein zweistufiges Formen eines Kofferraumdeckelaußenblechs aus einem flachen Blechrohling in einer Einzelpresse bereit. Ein Großteil der Dehnung, die in dem Blechrohling erzeugt werden soll, wird in einem Vorformschritt bewerkstelligt. Dieses Strecken und Ausdehnen des Rohlings in die vorgeformte Form lässt das Detailendformen der Nummernschildaussparung und der CHMSL-Aussparung zu, um die Bildung dieser komplexen Blechstruktur zu vollenden.
Die Ausführung der Erfindung wurde an dem Beispiel des Formens eines Blechrohlings aus AA5083-Aluminiumlegierung in ein Autokofferraumdeckelaußenblech beschrieben. Es wird jedoch einzusehen sein, dass eine ähnliche Ausführung auf andere Blechlegierungen, die durch anderes SPF, QPF oder eine andere starke Dehnung formbar sind, und auf das Formen von anderen Herstellungsgegenständen angewendet werden kann.

Claims

Verfahren zum superplastischen oder schnellen plastischen Formen eines Blechgegenstandes aus einem Blechrohling (302), der zum Streckformen erwärmt worden ist, wobei das Verfahren unter Verwendung eines Satzes gegenüberliegender Werkzeuge durchgeführt wird, wobei die Werkzeuge einen Stempel (334) mit einer Oberfläche, die eine vorbestimmte endgültige Gestalt für den Gegenstand definiert, und ein Hohlraumwerkzeug (310) mit einer Hohlraumoberfläche (316) umfasst, die eine Gestalt des Vorformlings für den Gegenstand definiert, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Rohling (302) zwischen den gegenüberliegenden Werkzeugen (310, 334) angeordnet wird, wobei der Rohling (302) eine Oberfläche einer ersten Seite (304), die dem Hohlraumwerkzeug (310) zugewandt ist, und eine Oberfläche einer zweiten Seite (306), die dem Stempel (334) zugewandt ist, aufweist; Gasdruck auf die Oberfläche der zweiten Seite (306) des Rohlings (302) aufgebracht wird, um die Oberfläche der ersten Seite (304) des Rohlings (302) gegen die Hohlraumoberfläche (316) aber nicht gegen die Stempeloberfläche zu pressen und somit den Rohling (302) in die Gestalt des Vorformlings zu strecken und zu formen; dadurch gekennzeichnet, dass: Gasdruck auf die Oberfläche der ersten Seite (304) des Rohlings (302) aufgebracht wird, um die Oberfläche der zweiten Seite (306) gegen die Stempeloberfläche aber nicht gegen die Hohlraumoberfläche (316) zu pressen und somit den Rohling (302) aus der Gestalt des Vorformlings in die endgültige Gestalt zu strecken und zu formen.
Verfahren nach Anspruch 1, das umfasst, dass Gasdruck auf die Oberfläche der zweiten Seite des Rohlings aufgebracht wird, um die Oberfläche der ersten Seite des Rohlings gegen die Hohlraumoberfläche aber nicht gegen die Stempeloberfläche zu pressen und somit den Rohling in die Gestalt des Vorformlings zu strecken und zu formen, wobei das Ausmaß an Strecken und Formen des Rohlings, um den Vorformling zu bilden, derart ist, dass ein weiteres Strecken und Formen des Vorformlings in die endgültige Gestalt an dem Gegenstand keine Risse oder Falten bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Rohling eine Dicke im Bereich von 0,7 bis 3 Millimetern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Rohling eine Dicke im Bereich von 0,7 bis 3 Millimetern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Rohling eine Magnesium enthaltende Aluminiumlegierung mit einer Korngröße von ungefähr zehn Mikrometern oder weniger ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Rohling eine Magnesium enthaltende Aluminiumlegierung mit einer Korngröße von ungefähr zehn Mikrometern oder weniger ist.
Verfahren zum superplastischen oder schnellen plastischen Formen eines Blechgegenstandes aus einem Blechrohling (302), der zum Streckformen erwärmt worden ist, wobei das Verfahren unter Ver wendung gegenüberliegender Werkzeuge, die in eine Presse eingebaut sind, durchgeführt wird, wobei die Werkzeuge einen Stempel (334) mit einer Oberfläche, die eine vorbestimmte endgültige Gestalt für den Gegenstand definiert, und ein Hohlraumwerkzeug (310) mit einer Hohlraumoberfläche (316) umfasst, die eine Gestalt des Vorformlings für den Gegenstand definiert, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Rohling (302) zwschen den gegenüberliegenden Werkzeugen (310, 334) angeordnet wird, wobei die Werkzeuge (310, 334) sich dann in einer offenen Position befinden, wobei der Rohling (302) eine Oberfläche einer ersten Seite (304), die dem Hohlraumwerkzeug (310) zugewandt ist, und eine Oberfläche einer zweiten Seite (306), die dem Stempel (334) zugewandt ist, aufweist; die Werkzeuge (310, 334) in eine geschlossene Position einer ersten Stufe bewegt werden; Gasdruck auf die Oberfläche der zweiten Seite (306) des Rohlings (302) aufgebracht und die Oberfläche der ersten Seite (304) des Rohlings (302) gegen die Hohlraumoberfläche (316) aber nicht gegen die Stempeloberfläche gepresst wird, um den Rohling (302) in die Gestalt des Vorformlings zu formen; dadurch gekennzeichnet, dass: die Werkzeuge (310, 334) in eine geschlossene Position einer zweiten Stufe bewegt werden; und Gasdruck auf die Oberfläche der ersten Seite (304) des Rohlings (302) aufgebracht wird und die Oberfläche der zweiten Seite (306) gegen die Stempeloberfläche aber nicht gegen die Hohlraumoberfläche (316) gepresst wird, um den Rohling (302) aus der Gestalt des Vorformlings in die endgültige Gastalt zu formen.
Verfahren nach Anspruch 7, das umfasst, dass Gasdruck auf die Oberfläche der zweiten Seite des Rohlings aufgebracht wird, um die Oberfläche der ersten Seite des Rohlings gegen die Hohlraumoberfläche aber nicht gegen die Stempeloberfläche zu pressen und somit den Rohling in die Gestalt des Vorformlings zu strecken und zu formen, wobei das Ausmaß an Strecken und Formen des Rohlings, um den Vorformling zu bilden, derart ist, dass das weitere Strecken und Formendes Vorformlings in die endgültige Gestalt an dem Gegenstand keine Risse oder Falten bildet.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Rohling eine Dicke im Bereich von 0,7 bis 3 Millimetern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Rohling eine Dicke im Bereich von 0,7 bis 3 Millimetern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Rohling eine Magnesium enthaltende Aluminiumlegierung mit einer Korngröße von ungefähr zehn Mikrometern oder weniger ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Rohling eine Magnesium enthaltende Aluminiumlegierung mit einer Korngröße von ungefähr zehn Mikrometern oder weniger ist.