DE60305835T2

DE60305835T2 - Verfahren zum Herstellen eines Blechartikels durch superplastische oder schnelle plastische Verformung

Info

Publication number: DE60305835T2
Application number: DE60305835T
Authority: DE
Inventors: Chongmin Davisburg Kim; Gary A. Troy Kruger; Mark G. Rochester Konopnicki; Richard Murray Clarkston Kleber; Michelle R. Grand Blanc Goff
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-11-04
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2023-10-16
Also published as: US6886383B2; DE60305835D1; EP1415735A1; EP1415735B1; US20040083784A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden bzw. Formen eines Blechartikels aus einem Blechrohling, der erwärmt worden ist, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Diese Erfindung betrifft insbesondere das Hochtemperaturformen von superplastisch formbaren oder schnell plastisch formbaren Blechlegierungsrohlingen zu Artikeln mit komplexer Krümmung wie Kraftfahrzeug-Karosserietafeln. Genauer betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Formen solcher Rohlinge zu Blechprodukten mit Bereichen hoher Dehnung ohne extremes ungleichmäßiges Verdünnen oder Reißen oder Knittern des Blechs.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Kraftfahrzeug-Karosserietafeln und andere Blechteile mit komplexer Gestalt können aus Aluminiumlegierungen mit einer superplastisch oder schnell plastisch formbaren Zusammensetzung und metallurgischen Mikrostruktur geformt werden. Die superplastische Verformung der Aluminiumlegierung AA5083 tritt z.B. allgemein zwischen 482,2°C und 510°C (900 F und 950 F) auf, und der Mechanismus ist eine Korngrenzenverschiebung von sehr feinen Körnern. Die schnelle plastische Verformung von geeigneten Aluminiumlegierungen ist in der US-Patentschrift 6,253,588 mit dem Titel „Quick Plastic Forming of Aluminum Alloy Sheet Metal", Rashid et al. beschrieben. Schnelles plastisches Formen wird bei niedrigeren Temperaturen (z.B. 440,5°C (825 F) bis 468,3°C (875 F)) und häufig bei höheren Spannungsraten als superplastisches Formen praktiziert. Beim schnellen plastischen Formen erfolgt die Verformung nicht ganz durch Korngrenzenverschiebung, sie tritt sowohl durch Korngren zenverschiebung als auch durch Dislokationsbewegung auf. Aus dem schnellen plastischen Formen entstehen komplexe Teile mit besserer Dimensionsqualität und Reproduzierbarkeit des gestalteten Metalls, als wenn die gleichen Teile durch superplastisches Formen hergestellt werden würden.
Automobildesigner und Fertigungsingenieure arbeiten zusammen, um die Gestalt von Aluminiumlegierungskarosserietafeln zu spezifizieren, die aus Blech in eine spezifizierte Gestalt geformt werden können. Ein Beispiel eine Kraftfahrzeug-Karosserietafel ist ein Kofferraumdeckel. Ein typischer Kofferraumdeckel hat eine allgemein horizontale Fläche zum Abdecken des Oberteils des Fahrzeugkofferraums und eine allgemein vertikale Fläche, die das Ende des Kofferraums definiert. Beide Flächen haben gewöhnlich eine gekrümmte Form, da sie den Fahrzeugkofferraumdeckel zwischen den gegenüberliegenden Kotflügeln überspannen. Darüber hin- aus kann der Kofferraumdeckel eine tiefe, taschenförmige Ausnehmung in der vertikalen Fläche für ein Kennzeichen und für Lampen haben, die das Kennzeichen beleuchten. Ebenso kann der Kofferraumdeckel eine Ausnehmung am Oberteil der vertikalen Fläche für eine zentral hoch angebrachte Bremsleuchte (CHMSL) haben. Wenn eine Karosserietafel solche strukturellen Merkmale in einem einzigen Blechteil hat, muss darauf geachtet werden, wie das Metall ohne Knittern und Reißen gestreckt und geformt wird.
Bei der Bewertung der komplexen Gestalt einer solchen Karosserietafel kann eine finite Elementanalyse über das Strecken des flachen Blechs zu dem Endprodukt durchgeführt werden. Angesichts der Dehnungseigenschaften des Blechs wird eine Abschätzung durchgeführt, ob das Teil ohne Reißen und Knittern des Metalls aus dem verfügbaren Metallmaterial hergestellt werden kann. Eine Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, ein deut lich verbessertes Verfahren zum Verwenden von superplastischem Formen oder schnellem plastischen Formen vorzusehen, wie es in dem 588er Patent offenbart ist, um erfolgreich ein Teil mit komplexer Gestalt mit einer Oberfläche von hoher Qualität zu bilden.
Die JP 2002 102949 A offenbart ein dreistufiges Verfahren zum Formen eines Rohlings, das umfasst, dass ein Rohling teilweise gegen eine Formfläche eines beweglichen Gesenks geformt wird. Ein Fluid wird in einen Raum zwischen einem festgelegten Gesenk und dem teilweise geformten Rohling eingebracht. Das sich bewegende Gesenk presst den teilweise geformten Rohling gegen eine Formfläche des festgelegten Gesenks, um den Rohling vollständig zu formen. Das endgültige Formen wird über den Fluiddruck und das Pressen des teilweise geformten Rohlings gegen das festgelegte Gesenk durchgeführt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden eines Blechartikels aus einem Blechrohling nach Anspruch 1. Dieses Verfahren verwendet komplementäre, intern oder extern erwärmte, doppeltwirkende Formwerkzeuge in einer einzigen Presse, um einen superplastisch oder schnell plastisch formbaren Blechrohling aus einer Metallegierung zu einem Blechprodukt mit komplexer Gestalt zu formen. Ein Werkzeug dient dazu, eine Vorformlinggestalt für das Teil zu definieren, und das andere Werkzeug definiert die Endgestalt des Teils. Die Werkzeuge sind komplementär, aber nicht zueinander passend. Die Werkzeuge werden in einer ersten Aktion dazu verwendet, dem Blechrohling mechanisch eine Vorformlinggestalt zu verleihen. Dieser Vorformschritt umfasst eine wesentliche Dehnung des Blechs. In einer zweiten Aktion wird Gasdruck mit dem Endgestaltwerkzeug verwendet, um den Vorformling zu dem Endprodukt zu formen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Metallegierung eine Magnesi um enthaltende Aluminiumlegierung mit einer feinkörnigen Mikrostruktur (Korngröße geeigneterweise weniger als zehn Mikrometer) zum superplastischen oder schnellen plastischen Formen. Typischerweise hat das Blech eine Dicke im Bereich von etwa 0,7 bis 3 mm.
Das Verfahren ist besonders auf das Formen des Blechs zu einem streckgeformten Produkt mit komplexen dreidimensionalen Krümmungen mit ausgesparten taschenartigen Bereichen hoher Dehnung anwendbar. Z.B. ist die Erfindung auf das Formen von Kraftfahrzeugkarosserietafeln anwendbar.
Erfindungsgemäß wird eine Analyse der Dehnungslinien durchgeführt, die zum Formen eines streckgeformten Endteils aus einem anfänglich flachen Blechrohling erforderlich sind. Der Blechrohling aus der Aluminiumlegierung wird durch eine Kombination aus Warmwalzen und Kaltwalzen auf eine gewünschte Blechdicke hergestellt worden sein. Das kaltbearbeitete Blech wird einer statischen thermischen Rekristallisationsoperation unterworfen, um eine geeignete feinkörnige Mikrostruktur zum superplastischen oder schnellen plastischen Formen des Blechs bei einer hohen Temperatur von z.B. 496°C (925 F) bzw. 454,4°C (850 F) herzustellen. Das Blech kann auch wenigstens eine Fläche mit einem Finish hoher Qualität haben, die als eine von außen sichtbare Oberfläche eines montierten Fahrzeugs akzeptabel ist. Natürlich muss die Qualität einer solchen Fläche eines Blechrohlings über die gesamten Tafelformoperationen erhalten werden. Wenn eine Formanalyse des Teils den Fertigungsingenieuren andeutet, dass das Teil nicht in einer Streckoperation geformt werden kann, ohne Oberflächendefekte oder Risse zu erzeugen, kann die Verwendung des vorliegenden Verfahrens unbedingt erforderlich sein.
In vielen Fällen können Tafeln mit komplexer Gestalt in einer einzigen Presse unter Verwendung von gewöhnlich selbst erwärmten, komplementären, aber nicht notwendigerweise zusammenpassenden Formwerkzeugen in einem zweistufigen Formverfahren geformt werden. Die Werkzeuge befinden sich in gegenüberliegender Beziehung und sind aus einer offenen Position zum Einlegen eines Blechrohlings beweglich. Der Rohling wird extern auf seine Formtemperatur vorgewärmt oder durch Strahlung und Leitung von den Werkzeugoberflächen erwärmt. Die Werkzeuge werden dann in eine Formposition der ersten Stufe bewegt, in welcher die Kanten des Rohlings von einem Verbinderringmechanismus ergriffen werden. Das Endgestaltwerkzeug ist von konvexer Gestalt und wird häufig Stempel genannt. Das Vorformwerkzeug ist allgemein konkav. Das Stempelwerkzeug wird derart bewegt, dass das Blech zu und in den Hohlraum des konkaven Werkzeugs gestreckt wird. Der Stempel presst also den Rohling gegen Abschnitte der Vorformwerkzeugfläche und formt den Rohling vor. Während die Werkzeuge nun nahe mit dem zwischen ihnen gestreckten Rohling beieinander sind, passen die Werkzeuge nicht über die gesamte Werkzeugfläche zusammen, und die Vorform nimmt nicht die genaue Gestalt des Vorformwerkzeugs an.
Das Endgestaltwerkzeug und das Vorformwerkzeug sind nun in einer Formposition der zweiten Stufe. Gasdruck wird auf die Vorformseite des Rohlings aufgebracht, um ihn gegen das Endgestaltwerkzeug zu zwingen und das Formen des Metallrohlings zu vervollständigen. Dann wird die Presse zur Entnahme des geformten Teils und zum Einführen eines neuen Rohlings geöffnet.
Das Vorformwerkzeug ist derart gestaltet, dass es den Hauptteil des Steckens und Dehnens des Blechs erreicht. Das Endwerkzeug vervollständigt Biegungen und ausgesparte Ecken und definiert die Endgestalt des bei dieser Pressoperation hergestellten Blechs. Aber bevorzugt wird nahezu das ganze Metall im Vorformschritt gestreckt. Im Vorformschritt drückt und streckt die Stempelvorderseite den Blechrohling gegen die Vorformwerkzeugfläche. Im Endformschritt wird der Druck eines geeigneten Arbeitsgases wie Luft oder Stickstoff auf die obere Fläche des Blechrohlings aufgebracht. Der Rohling wird wieder gedrückt und gestreckt, diesmal gegen das Endgestaltwerkzeug. So werden die notwendigen Dehnungslinien oder Streckrichtungen in dem Blech bestimmt, um das Teil zu formen. Ein wesentlicher Teil des Dehnens wird im Vorformschritt insbesondere in den Bereichen kritischer Verformung erreicht. Die Enddehnung wird erreicht, indem das vorgeformte Blech unter Verwendung von Gasdruck weg von dem Vorformwerkzeug gegen die Formflächen des Endgestaltwerkzeugs gezwungen wird.
Bevorzugt definiert das Vorformwerkzeug einen allgemein konkaven Hohlraum, und das Endgestaltformwerkzeug hat eine allgemein konvexe Stempelfläche. Der Rohling wird derart zwischen die Werkzeuge eingeführt, dass die Seite mit hoher Oberflächenqualität dem Hohlraumwerkzeug für den Vorformschritt zugewandt ist und die Endformung des Teils derart erreicht wird, dass die Rückseite, die nicht kritische Seite des Rohlings an der Stempelfläche angreift.
Durch diesen zweistufigen Formvorgang ist es möglich, dass Teile mit komplexen Krümmungen wie der oben beschriebene Kofferraumdeckel in einer einzigen Presse an einem doppeltwirkenden Werkzeug geformt werden. Die Praxis nutzt effizient den Pressentisch und reduziert die Zykluszeit von Teil zu Teil zum Herstellen von Teilen mit komplexen Formen mit Bereichen hoher Dehnung.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausfühhrungsform zu verstehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine isometrische Ansicht einer Vorformstruktur aus einem AA5083-Blechrohling eines Kraftfahrzeugkofferraumdeckels, der nach dieser Erfindung geformt ist. Im allgemeinen sind die Linien auf der Figur Silhouettenlinien von Biegungen oder anderen Dehnungen in dem Blech.
2 ist eine isometrische Ansicht ähnlich 1 der Endformung der äußeren Tafel des Blechkofferraumdeckels nach dieser Erfindung.
3A-3F sind eine Reihe von Querschnittsansichten des fortschreitenden Betriebs von Formwerkzeugen, die an einer Presse zur superplastischen oder schnellen plastischen Streckformung der Kofferraumdeckelvorform angebracht sind, und der Endgestalt nach einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Diese Erfindung ist ein Prozess zum Formen von superplastischen oder schnell plastischen Blechrohlingen aus einer Metallegierung zu Artikeln mit komplexer Krümmung und relativ hoher Dehnung. Bekanntlich können bestimmte Legierungen z.B. aus Aluminium, Magnesium, Titan und Stahl einer relativ hohen Dehnung unterworfen werden, bevor sie reißen oder springen. Typischerweise werden diese superplastischen Metallegierungen in Form von Blech mit einer Dicke von z.B. etwa 0,7 bis 5 mm verarbeitet. In dieser Blechform können sie auf geeignete hohe Temperaturen erwärmt werden, bei denen ihre hohen Dehnungsformeigenschaften ausgenutzt werden, und sie können über ein geeignetes Werkzeug oder zwischen Werkzeugen gestreckt und/oder gezogen werden, um Blechartikel mit komplexer Gestalt zu formen. Die Praxis dieser Erfindung wird untere Verwendung einer bekannten feinkörnigen Aluminiumlegierung mit hoher Dehnung, nämlich AA5083, veranschaulicht, die zur Herstellung von Kraftfahrzeugkarosserieteilen und ähnlichem verwendet worden ist. Das gleiche Blech kann durch superplastische Formung (SPF) oder schnelle plastische Formung (QPF) geformt werden. SPF wird gewöhnlich bei höheren Temperaturen und niedrigeren Spannungsraten durchgeführt. Fortschreitend zunehmende Gasformdrücke können bei QPF mit schnelleren Formraten verwendet werden.
AA5083 hat eine typische Gewichtszusammensetzung von etwa 4 Prozent bis 5 Prozent Magnesium, 0,3-1 Prozent Mangan, maximal 0,25 Prozent Chrom, etwa 0,1 Prozent Kupfer, bis zu etwa 0,3 Prozent Eisen, bis zu etwa 0,2 Prozent Silicium, und der Rest im wesentlichen ganz Aluminium. Eine solche Zusammensetzung wird gewöhnlich durch ein geeignetes Verfahren gegossen, und das Gussstück wird zunächst warmgewalzt und dann kaltgewalzt, um ein Blech mit einer Dicke von z.B. etwa 0,7 bis etwa 5 mm zu bilden. Nach einem solchen Kaltwalzen haben gewöhnlich eine oder beide der kaltgewalzten Flächen des Blechs ein sehr glattes Finish, das für die Außenfläche einer Kraftfahrzeugkarosserietafel geeignet ist.
Das kaltgewalzte Blech hat eine rauh bearbeitete, längliche Kornstruktur, die noch nicht für einen SPF- oder QPF-Betrieb geeignet ist. Das Blechmaterial wird bei einer geeigneten Temperatur und über einen Zeitraum geglüht, der ausreicht, um die kaltgewalzte Kornstruktur zu rekristallisieren. Zur superplastischen Formung ist die metallurgische Mikrostruktur des Blechmaterials nach dieser Erfindung eine stabile, gleichmäßig feine Kornstruktur, gewöhnlich im Bereich von etwa 5-10 Mikrometer oder so. Die Mikrostruktur ist durch eine Hauptphase einer festen Lösung aus Magnesium und Aluminium mit wohl verteilten, fein dispergierten Teil chen von intermetallischen Verbindungen gekennzeichnet, die Nebenlegierungsbestandteile wie Al₆Mn enthalten. Diese Aluminium-Magnesium-Legierungen können auf Temperaturen in der Größenordnung von 454,4°C (850 F) bis 482,2°C (900 F) erwärmt werden, zu einer feinkörnigen Mikrostruktur rekristallisiert werden lassen und dann zugartigen Spannungen mit einer Rate von 10^–4 bis 10^–3 Sekunden^–1 unterworfen werden, um eine Dehnung von bis zu 300 % oder mehr vor dem Reißen oder einem Defekt zu erfahren.
Es gibt eine Klasse von Kraftfahrzeugtafeln wie äußere Kofferraumdeckeltafeln, die wegen ihrer sichtbaren Oberflächenqualitätsanforderungen derart geformt sind, dass die Innenseite der Tafel in Kontakt mit der Formwerkzeugfläche, häufig Stempelfläche genannt, steht und die Außenfläche unberührt bleibt. Eine Schlüsselgestaltcharakteristik von solchen Tafeln ist die Anwesenheit von zwei großen konvexen Krümmungen, welche die Tafeln sowohl in der kreuzweisen Richtung des Wagens als auch in Längsrichtung schweifen. Wenn Versuche unternommen werden, solche Gestalten ausgehend von flachen Rohlingen zu formen, dann besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Knitter oder Metallfalten an Bereichen mit männlichen Ecken entstehen, d.h. Bereichen mit Eintrittsecken in zwei Richtungen in einem Winkel. Man hat herausgefunden, dass eine gute Art, dieses Problem zu überwinden, darin liegt, eine Vorformlinggestalt zu haben, die durch große Krümmungen dargestellt ist, aber dennoch eine ausreichende Linienlänge für die Endgestalt hat, und deren Oberfläche ausreichend nahe an potentiell problematischen Bereichen der Endgestalt liegt, so dass während des Endformens keine Knitter- und Metallfalttendenzen erwartet würden. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Formung einer äußeren Kofferraumdeckeltafel ohne Verwendung eines geeigneten Vorformlings Metallfalze erzeugt, welche die Verbinderfläche und den Scheitel des Kofferraumdeckels überbrücken.
Die zweistufige Formung kann auch die Gesamtformzeit deutlich reduzieren. Die Stempelvorformstufe wird rasch abgeschlossen und passiert dann, wenn ein großer Teil der Gesamtformung stattfindet. Da diese Tafel bereits eine ausreichend große Linienlänge hat, bewirkt die zweite und endgültige Formstufe haupsächlich eine biegeartige Verformung und kein Metallstrecken.
Ein struktureller Vorteil einer mit einem zweistufigen Formverfahren hergestellten Tafel liegt darin, dass, da die vorgeformte Tafel mit großen Krümmungen gleichmäßiger verteilte Formspannungen hat, das Endprodukt auch eine gleichmäßigere Dickenverteilung im Vergleich zu dem in einem einstufigen Werkzeug geformten Produkt hat.
Die Praxis der Erfindung an einem superplastischen AA5083-Aluminiumlegierungsblech mit z.B. einer Dicke von 1,2 mm wird in Verbindung mit der Formung einer äußeren Kraftfahrzeugkofferraumtafel beschrieben. Ein Vorformling des Kofferraumdeckels aus einem Rohling von AA5083-Blech ist in 1 veranschaulicht, und die endgültige Form der äußeren Kraftfahrzeugkofferraumblechtafel ist in 2 veranschaulicht.
Zunächst wird auf 2 Bezug genommen, um die allgemeine Gestalt und Charakteristika einer nicht abgegrateten äußeren Kraftfahrzeugkofferraumblechtafel zu beschreiben, wie sie geformt und aus der Werkzeugausstattung entnommen wird, die bei der Durchführung des Verfahrens verwendet wird. Der Kofferraumdeckel ist in 2 allgemein als 200 angegeben. Die Linien von 2 veranschaulichen die allgemeine Gestalt des Kofferraumdeckels, der in dem ursprünglichen Blechrohling geformt wird. Aber die Linien zeigen auch Dehnungslinien und Biegungen in dem Metall, wie es durch das Verfahren geformt wird, das im folgenden im einzelnen beschrieben wird.
Wie festgestellt, stellt 2 den geformten Blechrohling dar, der gestaltet worden ist, um eine äußere Kofferraumdeckeltafelgestalt 200 zu enthalten. Überschüssiges Metall an den Kanten des geformten Blechs ist noch nicht abgegratet worden. Allgemein weist die Kofferraumdeckelgestalt 200 eine horizontale Fläche 202 auf, die das Oberteil des Kofferraums des Fahrzeugs überdeckt. Die Kofferraumdeckeltafel 200 weist auch eine allgemein vertikale Fläche 204 auf, welche das Ende des Kofferraumbereichs des Fahrzeugs definiert. Die Kante 206 des geformten Blechs enthält Material, das als Flansch zum Befestigen einer inneren Tafel an dieser äußeren Kofferraumdeckeltafel 200 verwendet werden kann, und der Rest der Kante bei 206 kann bei der Endbearbeitung der äußeren Kofferraumdeckeltafel abgegratet werden. Die Seitenkanten 208 und 210 stellen ebenfalls Flanschmaterial zum Sichern einer inneren Kofferraumdeckeltafel und Abgratmaterial dar, das letztendlich von diesem geformten Blechteil abgeschnitten werden kann. Schließlich liefert die Kante 212 am Boden des vertikalen Abschnitts 204 des Kofferraumdeckels 200 ebenfalls Flansch- und Abgratmaterial.
Ein erstes wesentliches Merkmal, das kritisch für die erfolgreiche Formung der Kofferraumdeckeltafel 200 ist, ist eine integral geformte tiefe Tasche 216 für ein Kennzeichen. Die integral geformte Kennzeichentasche 216 umfasst einen allgemein flachen Boden 218 mit steil abfallenden Seiten 220 und 222 und 224. Die steil abfallenden Seiten erfordern signifikantes Strecken des Blechs. Die Seite 220 bildet einen Eckabschnitt 226 mit einem scharfen Radius zusammen mit der Bodenfläche 218. Die Seite 220 bildet auch einen Eckenabschnitt 228 mit der angrenzenden Seite 224. Ebenso bildet die Seite 222 einen Radius 230 mit dem Basisab schnitt 218 und einen Eckabschnitt 232 mit der Seite 224. Dies sind alles Merkmale, die in der Kennzeichentasche 216 geformt werden müssen, die mit dem Blech der restlichen Kofferraumdeckelstruktur 200 integral ist.
Ebenso ist in der Kofferraumdeckelstruktur integral eine lange, schmale Tasche 240 für eine Fahrzeugbremsleuchte geformt, die dritte Bremsleuchte (CHMSL) heißt. Diese lange, schmale und tiefe CHMSL-Tasche 240 hat Basisabschnitte und Seitenwände, die hier zur einfacheren Veranschaulichung nicht spezifisch benannt sind. Zwischen der Kennzeichentasche 216 und der CHMSL-Tasche 240 liegen Taschen für die Reservelampen des Fahrzeugs. Eine Fahrzeugreservelampentasche 242 ist in 2 zu sehen. Diese Taschen stellen jeweils kritische, schwer zu formende Strukturmerkmale in der Blechtafel 200 dar. Ferner teilt die Kennzeichenausnehmung 216 verbundene Flächen mit der CHMSL-Tasche 240, die zur einfacheren Veranschaulichung nicht spezifisch benannt sind. Dies sind Strukturmerkmale einer modernen Kraftfahrzeugkarosserietafel, welche die Formbarkeit des Blechmaterials testen, aus dem eine solche Karosserietafel geformt ist.
Wie in 2 zu sehen ist, gibt es eine zentrale Dehnungslinie 250, die sich von der Kante 206 über die obere Fläche 202 des Kofferraumdeckels 200 durch die CHMSL-Tasche 240 und die angrenzende Kennzeichentasche 216, über die vertikale Fläche 204 zu der unteren Kante 212 erstreckt. Der von der Dehnungslinie 250 verfolgte Pfad veranschaulicht einen Bereich signifikanter und relativ hoher Dehnung in dem Blech, aus dem die äußere Kofferraumdeckeltafel 200 geformt ist.
Die Dehnungslinie 250 kreuzt die Biegungslinie 252 in der horizontalen Fläche 202 des Kofferraumdeckels. Die Dehnungslinie erfährt dann einen tiefen „U"-förmigen Abschnitt 254, während sie dem Boden- und dem Sei tenabschnitt der CSHML-Tasche 240 folgt. Die Dehnungslinie 250 verläuft dann über den Boden 218 der Kennzeichenplatte 216 bei 256 und die Seitenwand 224 der Kennzeichentasche 216 nach oben. Die Dehnungslinie 250 mit ihren vielen scharf geformten Segmenten stellt Formmerkmale in der endgültigen Gestalt der Tafel 200 dar. Demnach stellt die Dehnungslinie 250 den Querschnitt der Blechtafel 200 dar, wie sie in den Pressenformoperationen zu sehen ist, die in 3A bis 3F veranschaulicht sind und im folgenden im einzelnen beschrieben werden.
1 veranschaulicht eine vorgeformte Konfiguration 100 der Kofferraumdeckelplatte. Die Vorformlinggestalt 100 ist die Formgestalt des anfänglich flachen AA5083-Blechbestandsmaterials in der ersten Stufe. Bei diesem Vorformling ist ein großer Teil des Metallstreckens und -dehnens zur Herstellung der endgültigen Kofferraumdeckelkonfiguration durchgeführt worden. Der ursprüngliche Blechrohling ist in dieser vorgeformten Stufe ausreichend verformt worden, so dass er als Vorläufer der in 2 veranschaulichten Kofferraumdeckelstruktur erkennbar ist. Die benannten Biegungslinien und geformten Flächen bei dieser Kofferraumdeckelvorformlingkonfiguration 100 verwenden Zahlen der Reihe „100", die ansonsten ähnlich benannten, weiter geformten Linien und Flächen in 2 entsprechen. Mit anderen Worten, die horizontale Kofferraumdeckel von 1 ist 102, und die vertikale Fläche der vorgeformten Kofferraumdeckelstruktur ist 104. Die Kanten 106, 108, 110, 112 sind Vorläufer- oder vorgeformte Strukturen, die den Tafelkanten 206 bzw. 208, 210, 212 in 2 entsprechen. Die Seiten 120, 122 sind vorgeformte Stufen der steil abfallenden Seien 220, 222. Ebenso ist die Kennzeichentasche 116 die vorgeformte Version der Kennzeichentasche 216 in der Kofferraumdeckelstruktur 200 von 2 der endgültigen Form, und die CHMSL-Tasche 140 ist die vorgeformte Version oder der Vorläufer der CHMSL-Tasche 240 in 2. Die Dehnungslinie 150 ist die vorgeformte Version der Dehnungslinie 250 in 2.
Wieder verfolgt die Dehnungslinie 150 einen Pfad über die Biegungslinie 152 in der horizontalen Fläche 102 der Vorformlingtafelkonfiguration 100. Die Dehnungslinie 150 hat einen abfallenden Abschnitt 154 in der CHMSL-Vorformlingtasche 140. Die Dehnungslinie 150 geht als 156 weiter über die Vorformlingkennzeichentasche 116 und erreicht schließlich die Vorformlingkante 112 der vorgeformten Tafelstruktur 100. Wieder wird die Vorformlingsdehnungslinie 150 als eine Schnittansicht der vorgeformten Struktur 100 bei der detaillierten Beschreibung der Formwerkzeuge und der Formoperation gesehen, die im folgenden in Verbindung mit 3A-3F beschrieben wird.
3A-3F sind eine Reihe von schematischen Veranschaulichungen im Querschnitt einer Aufrissansicht von Pressentischen und zwei komplementären, aber nicht zusammenpassenden Formwerkzeugen, die bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nützlich sind. Sie veranschaulichen die Formung der Kofferaumdeckeltafelvorformlingkonfiguration 100, wie sie in 1 veranschaulicht ist, und dann der endgültigen Kofferraumdeckelkonfiguration 200, wie sie in 2 zu sehen ist. Die jeweiligen Werkzeugkomponenten erhalten die gleichen Identifizierungsnummern, wenn sie in mehr als einer der 3A-3F gezeigt sind.
Unter Bezug auf 3A ist zunächst die Pressen- und Werkzeuganordnung allgemein und schematisch bei 300 angegeben und in einer geöffneten Position zum Einführen eines Blechrohlings 302 gezeigt. Der Rohling 302 ist im Querschnitt und hochkant gezeigt. Der Blechrohling 302 hat eine obere Fläche 304 und eine untere Fläche 306.
Die Pressen- und Werkzeugkombination 300 weist einen oberen Pressentisch 308 auf (die ganze Pressenstruktur und hydraulische Betätigungsmechanismen sind herkömmlich und nicht gezeigt, um die Veranschaulichung nicht zu komplizieren). An dem oberen Pressentisch 308 ist sicher ein hohlraumbildendes Werkzeug 310 angebracht, das mit der Hauptausnahme eines Abschnitts 317 zum Gestalten eines CHMSL-Taschenvorformlings allgemein konkav konfiguriert ist. Eine Isolierschicht 312 isoliert das Hohlraumwerkzeug 310 gegen den oberen Pressentisch 308. Ebenso sind die Seiten des Hohlraumwerkzeugs in Isolierschichten 314 gewickelt. Das Hohlraumwerkzeug 310 umfasst einen Hohlraumabschnitt 316 zur Verwendung beim Gestalten des Kofferraumdeckeltafelvorformlings 100. Das Hohlraumwerkzeug 310 weist auch mehrere Heizelemente 318 auf, um das Hohlraumwerkzeug auf einer Temperatur zu halten, die zur thermoplastischen Fformung des AA5083-Blechmaterials geeignet ist. Eine geeignete Werkzeugtemperatur zur schnellen plastischen Formung (QPF) ist beispielsweise 454,4°C (850 F). Das Hohlraumwerkzeug 310 umfasst auch eine Gasöffnung 320 zum Einlassen eines unter Druck stehenden Arbeitsgases für eine Operation zum Formen einer Tafel in Endgestalt, die im folgenden zu beschreiben ist. Luft oder Stickstoff wird typischerweise als Arbeitsgas verwendet. Das Arbeitsgas wird durch die Gasöffnung 320 entlüftet, wenn die Formoperation abgeschlossen ist.
Der untere Pressentisch 330 trägt einen Verbinderring 332 und ein Stempelwerkzeug 334. Das Stempelwerkzeug 334 ist allgemein konvex konfiguriert. Auf dem unteren Pressentisch 330 liegt eine Schicht 336 aus Isoliermaterial. Es gibt auch eine Schicht aus Isoliermaterial 343, die den Verbinderring 332 umschließt. Der Verbinderring 332 enthält Heizelemente 333. Der Stempel 334 enthält ebenfalls Heizelemente 337, um das stempelwerkzeug auf der spezifizierten Formtemperatur für den Blechrohling 302 zu halten. Wie in 3A zu sehen ist, wird der vorerwärmte Blechrohling 302 anfänglich auf eine Endgestaltfläche 322 an dem Stempel 334 abgelegt, wenn sich die Pressen-/Werkzeuganordnung 300 in ihrer geöffneten Position befindet. Das heiße Blech streckt sich über den Stempel 334 und die Verbinderringstruktur 332.
Ist der flache Blechrohling 302 in die Pressen-/Werkzeuganordnung 300 geladen, dann läuft der Formvorgang nun wie folgt ab.
Unter Bezug auf 3A und 3B wird nun die Anordnung aus oberem Pressentisch 308/Hohlraumwerkzeug 310 gegen die Kombination aus dem Stempel 334/Verbinderring 332 geschlossen. Wenn die relative Bewegung des oberen Pressentisches 308 und des unteren Pressentischs 330 beginnt, ruht die untere Fläche 306 des Rohlings 302 auf der Endgestaltfläche 322. Wird die Presse geschlossen, dann presst das Hohlraumwerkzeug 310 zuerst den Umfang des Blechrohlings 302 gegen den Verbinderring 332. Wie in 3A veranschaulicht, ist der Verbinderring 332 derart angeordnet, dass er den Rohling 302 gegen das Hohlraumwerkzeug 310 presst, ehe der Stempel 334 mit dem Strecken des Rohlings 302 beginnt. Diese Aktion sichert den Rohling 302 für die Streckvorformoperation.
Der Verbinderring 332 wird an Stützstangen 356 gehalten, die ihrerseits von dem Verbinderringtisch 354 gehalten werden. Der Verbinderring 332 kann also bezüglich des Stempels 334 und des Tisches 330 „schwimmen". D.h., der Verbinderring 332 kann für den Doppelwirkungseffekt der Pressen-/Werkzeuganordnung 300 unabhängig von dem Stempel 334 bewegt werden.
Die relative Bewegung des oberen Pressentisches 408 und des unteren Pressentisches 330 schließt die Pressen-/Werkzeuganordnung 300 in die Position von 3B. Die stetige Bewegung und Kraft des Stempels 334, die während des relativen Schließens der Pressentische 308, 330 und 354 erhalten wurden, formt den Rohling 302 in die relative Gestalt vor, die zwischen dem nicht zusammenpassendeen Hohlraumwerkzeug 310 und dem Stempel 334 geformt wird. Der Verbinderring 332 sichert während dieses Vorgangs dicht den Umfang des Blechrohlings 302. Wie in 3B zu sehen ist, ist der Verbindertisch 354 nun weiter von dem Stempeltisch 330 als in 3A beabstandet, weil sich der Stempel 334 beim Vorformen des Rohlings 302 relativ zu dem Verbinderring 332 bewegt hat.
Während die Tische in eine vorbestimmte Verschlussposition bewegt werden, wird der vorerwärmte Rohling 302 zwischen den Flächen 316, 317 des Hohlraumwerkzeugs 310 und der Endgestaltfläche 322 des Stempelwerkzeugs 334 vorgeformt. Obwohl sich die gegenüberliegenden Flächen allgemein aneinander anschmiegen, passen sie tatsächlich nicht zusammen oder berühren sich. Der Gestaltungsabschnitt 317 wirkt, um einen darunterliegenden Abschnitt des Blechrohlings 302 in einen CHMSL-Taschenhohlraumabschnitt 319 des Stempelwerkzeugs 334 zu strecken oder zu stopfen. Aber es besteht kein vollständiger Kontakt zwischen dem Blech 302 und den Gestaltungsflächen 316, 317 des Hohlraumwerkzeugs 310 und den Gestaltungsflächen 319, 322 des Stempelwerkzeugs 334. Der Gestaltungsabschnitt 317 passt nicht perfekt zu dem gegenüberliegenden Endgestaltflächenhohlraum 319, es ist also ein Raum zwischen der unteren Fläche 306 und dem Hohlraum 319 gebildet. Dieser Raum und andere lassen Platz für ein weiteres Biegen des Blechrohlings in dem endgültigen Formschritt. 3B und 3C präsentieren Querschnittsansichten des Vorformlings von 1 entlang der Dehnungslinie 150.
3C ist eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Bereichs von 3B. Wie in 3C zwingt das teilweise Schließen des Stempelwerkzeugs 334 und des Hohlraumwerkzeugs 310 den Rohling 302 in allgemeine Übereinstimmung mit den beiden gegenüberliegenden Flächen. Die gegenüberliegenden Flächen, insbesondere der Gestaltungsabschnitt 317, sind derart ausgelegt, dass Räume bleiben, wo der Rohling 302 nur eine der Flächen kontaktiert. Der Hohlraum 319 ist ein Bereich mit einem solchen Raum, wo das Endgestaltwerkzeug 334 und der Rohling 302 geschützt sind und beim Vorformschritt nicht beschädigt werden.
Der Stempelvorformschritt ist in einer einzigen Pressenschließbewegung komplett. Der erwärmte Rohling 302 hat die Kofferraumdeckeltafelvorformlinggestalt angenommen, die in 1 veranschaulicht ist. Der größte Teil des Metallstreckens, das zur Herstellung der endgültigen Kofferraumdeckelgestalt erforderlich ist, ist in den Vorformling 100 eingebracht. Endgültiges Biegen und Eckeneinzeilheiten und ähnliches werden im nächsten Formschritt erreicht.
Wie oben anfänglich beschrieben und nun in 3A, 3B, 3D und 3F weiter gezeigt, wird das Stempelwerkzeug 334 von dem unteren Pressentisch 330 getragen. Stangen 356, die sich durch den unteren Pressentisch 330 und die Isolierschicht 336 erstrecken, verbinden einen Stempeltisch 354 mit Verbinderringen 332. In 3A und 3B wird der Stempeltisch 354 von nicht gezeigten Mitteln betätigt, um den Verbinderring 332 unabhängig von dem unteren Pressentisch 330 zu bewegen, damit der Verbinderring 332 den Rohling 302 während beider Stufen des Formvorgangs richtig sichern kann.
Nachdem der Blechrohling 302 als Vorformlingtafel 100 gestaltet worden ist, wie dies in 3B und 3C veranschaulicht ist, sind das Stempelwerkzeug 334 und das Hohlraumwerkzeug 310 nun in Position für den Endblechformschritt. Gasdruck wird aus dem Hohlraumwerkzeug 310 durch das Gasrohr 320 zu der oberen Fläche 304 eingebracht. Das Blech 302 wird von dem Vorformwerkzeug in den Bereichen weg gezwungen, wo es in Kontakt mit den Hohlraumabschnitten 316, 317 steht. Die Rückfläche 306 wird in vollen Kontakt mit der Oberfläche des Stempelwerkzeugs 334 gebogen, wie dies in der vergrößerten Ansicht von 3E gezeigt ist. Der Luftdruck wird allmählich in Inkrementen erhöht, wie dies in der Patentschrift, 588 beschrieben ist, und innerhalb eines Zeitraums von einigen Minuten ist das Blech (gestaltet als Vorformling 100, 1) gegen die Fläche des Stempelwerkzeugs 334 gestreckt, so dass es die endgültige Kofferraumdeckeltafelgestalt 200, 2 annimmt, die in dieser Werkzeug-/Pressenanordnung 300 erhalten wird. Der Luftdruck wird dann durch das Gasrohr 320 abgelassen.
Wie in 3F veranschaulicht, sind 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 Gestalt des endgültig geformten Kofferraumdeckeltafelblechs 200 ist (2), ruht, wie zu sehen ist, auf dem Verbinderring 332 in der geöffneten Werkzeug-/Pressenanordnung 300. Aus einem Vergleich von 3D und 3F ist zu sehen, dass der Verbinderrring 332 bezüglich des Stempels 334 angehoben wurde, um das geformte Blech von dem Stempel 334 abzuheben.
Das Blech 302, nun des Kofferraumdeckeltafelblech 200, wird aus der Werkzeug-/Pressenanordnung 300 entnommen. Abgratoperationen und ähnliches werden durchgeführt, um die Herstellung der Kofferraumdeckelplatte fertigzustellen. Die Presse befindet sich nun in ihrer geöffneten Position, und die Werkzeugausstattung ist bereit für das Einfügen eines neuen Rohlings 302, so dass der Vorgang wieder beginnt, um die nächste Kofferraumdeckelplatte zu formen, die in 3A veranschaulicht ist.
Die vorliegende Erfindung sieht also eine Praxis zum zweistufigen Formen eines äußeren Kofferraumdeckeltafelblechs aus einem flachen Blechrohling in einer einzigen Presse vor. Ein Großteil der Dehnung, die in dem Blechrohling produziert werden soll, wird in einem Vorformschritt erreicht. Dieses Strecken und Recken des Rohlings in die vorgeformte Gestalt erlaubt die endgültige Detailformung der Kennzeichentasche und der CHMSL-Tasche, um die Formung dieser komplexen Tafelstruktur zu vervollständigen.
Die doppeltwirkende Presse, die bei dem zweistufigen Formverfahren dieser Erfindung verwendet wird, ermöglicht z.B. die Herstellung von Karosserietafeln mit einer weniger extremen Dickenverteilung als sie in einem einstufigen Verfahren geformt werden können. Diese Erfindung ermöglicht also die Formung komplexerer Tafelgestaltungen und/oder die Verwendung von preiswerteren, weniger formbaren Blechmaterialien. Z.B. kann das Ausgangsblech nicht eine so kleine Korngröße erfordern, wie sie bei der obigen veranschaulichenden Ausführungsform verwendet wurde. Die Blechrohling mit hoher Dehnung können eine adäquate Formbarkeit für das vorliegende zweistufige Formverfahren haben, trotz ihrer größerer Korngrößen, oder weil sie in der Lage sind, eine Korngrößenraffinierung unter Verformung bei hohen Formtemperaturen mitzumachen.
Die Relativbewegung zwischen dem Stempel und dem Verbinderring, die bei der Veranschaulichung der Formung des Kofferraumdeckels verwendet wurden, kann mit einem schwimmenden Verbinderringpressendesign oder einem schwimmenden Stempeldesign erhalten werden. Die obige Veranschaulichung verwendete den schwimmenden Verbinderring. Das schwimmende Stempeldesign unterscheidet sich nur dadurch, dass der Ring das stationäre Element und der Stempel das schwimmende oder sich bewegende Element ist.
Die Betätigung der Bewegung des sich bewegenden Elements des doppeltwirkenden Werkzeugs, ob Stempel oder Verbinderring, muss nicht aus der zweiten Aktion einer doppeltwirkenden Presse kommen. Das doppeltwirkende Formungskonzept kann sogar an einer einfachwirkenden Presse ausgeübt werden, indem das Formwerkzeug mit Selbspufferung ausgestattet wird. D.h., das sich bewegende Element eines doppeltwirkenden Formwerkzeugs zur Verwendung bei diesem Verfahren kann über Wellen, Hebel, gepaarte verjüngte Abschnitte betätigt oder durch externe, an der Presse angebrachte Quellen wie Hydraulikzylinder oder Motoren betätigt werden. In einem solchen Fall würde das Werkzeug als selbstgepuffert bezeichnet werden.
Die Praxis der Erfindung ist bei dem Beispiel der Formung eines Blechrohlings aus einer AA5083-Aluminiumlegierung zu einer äußeren Kraftfahrzeugkofferraumdeckelplatte beschrieben worden. Allerdings wird man verstehen, dass eine ähnliche Praxis auf andere superplastisch oder schnell plastisch formbare Blechlegierungen und auf die Formung von anderen Herstellungsprodukten angewendet werden kann.
Demnach soll der Umfang der Erfindung nicht als durch die Beschreibung der spezifischen Beispiele eingeschränkt gelten, sondern er umfasst alle Variationen, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Bilden eines Blechartikels aus einem Blechrohling, der zur Streckformung erwärmt worden ist, wobei das Verfahren unter Verwendung eines Satzes von gegenüberliegenden Werkzeugen durchgeführt wird, wobei die Werkzeuge einen Stempel (334) mit einer Stempelfläche (322), die eine vorbestimmte Endgestalt für den Artikel definiert, und ein Hohlraumwerkzeug (310) mit einer Hohlraumfläche (316) umfasst, die eine Vorformlinggestalt für den Artikel definiert, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Rohling (302) zwischen den gegenüberliegenden Werkzeugen (310, 334) angeordnet wird, wobei der Rohling eine Fläche auf einer ersten Seite (304), die dem Hohlraumwerkzeug (310) zugewandt ist, und eine Fläche auf einer zweiten Seite (306) aufweist, die dem Stempel (334) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren darüber hinaus umfasst, dass: der Stempel (334) gegen die Fläche auf der zweiten Seite (306) des Bleches (302) gepresst wird, um die Fläche auf der ersten Seite (304) des Bleches (302) gegen die Fläche des Hohlraumwerkzeugs (316) zu drücken und somit den Rohling (302) in eine Blechvorformlinggestalt (100) zu strecken und zu formen, die sich nicht vollständig an entweder die Hohlraumfläche (316) oder die Stempelfläche (322) anschmiegt; und Gasdruck auf die Fläche auf der ersten Seite (304) des Rohlings (302) aufgebracht wird, um die Fläche auf der zweiten Seite (306) gegen die Stempelfläche (322), aber nicht gegen die Hohlraumfläche (316) zu pressen, um den Rohling aus der Blechvorformlinggestalt (100) in die Endgestalt (200) zu formen.
Verfahren nach Anspruch 1, das umfasst, dass jedes der gegenüberliegenden Werkzeuge (310, 334) unabhängig auf eine Blechstreckformungstemperatur erwärmt wird, und das Blech (302) zwischen dem Stempel (334) und dem Hohlraumwerkzeug (310) gepresst wird, um den Rohling (302) in eine Blechvorformlinggestalt (100) zu strecken und zu formen, die sich nicht vollständig an entweder die Hohlraumfläche (316) oder die Stempelfläche (322) anschmiegt, wobei das Ausmaß der Streckung und Formung des Rohlings (302), um den Vorformling zu bilden, derart ist, dass das Formen des Vorformlings in die Endgestalt den Artikel (302) nicht reißt oder knittert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Rohling (302) eine Dicke im Bereich von 0,7 bis 5 Millimeter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Rohling (302) eine Dicke im Bereich von 0,7 bis 5 Millimeter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Rohling (302) eine Magnesium enthaltende Aluminiumlegierung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Rohling (302) eine Magnesium enthaltende Aluminiumlegierung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Blech eine Zusammensetzung und eine metallurgische Mikrostruktur für eine Streckformung mit hoher Dehnung umfasst, und wobei der Rohling auf eine Temperatur für die Streckformung erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Rohling (302) eine Magnesium enthaltende Legierung mit einer Korngröße von ungefähr zehn Mikrometern oder weniger ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Rohling (302) eine Magnesium enthaltende Legierung mit einer Korngröße von ungefähr zehn Mikrometern oder weniger ist.