DE68903647T2

DE68903647T2 - Vorrichtung und verfahren zum herstellen von gegenstaenden durch superplastische formgebung.

Info

Publication number: DE68903647T2
Application number: DE8989301128T
Authority: DE
Inventors: Duncan Ralph Finch; Brian Ginty; Stephen Harold Johnston
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1988-02-06
Filing date: 1989-02-06
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2009-02-07
Also published as: EP0328328A2; EP0328328A3; DE68903647D1; GB8802738D0; US4901552A; EP0328328B1; ES2036026T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zur Formgebung von Gebilden aus Materialien, die vorwiegend superplastisch sind, d. h. aus Materialien, die superplastische Eigenschaften haben, und Materialien, die, obgleich sie gemäß verschiedenen Definitionen dieses Ausdrucks nicht eigentlich superplastisch sind, dennoch einer beträchtlichen Streckung unterworfen werden können, ohne aufzubrechen, z. B. Verbundmetalle wie beispielsweise Titan oder Aluminium, die Siliziumkarbidpartikel, Fasern oder Metalldrähte enthalten.

Hintergrund der Erfindung

Eine superplastische Formgebung (SPF) ist ein Herstellungsverfahren, welches aus den Charakteristiken gewisser Metalle Nutzen zieht, die, wenn sie erhitzt und gestreckt werden, einer Verlängerung von mehreren Hundert Prozent unterworfen werden können, ohne infolge örtlicher Einschnürung zu reißen.
Das SPF-Verfahren wird in einem Temperaturbereich durchgeführt, bei dem die Temperatur die Hälfte des Schmelzpunktes des Metalls beträgt. Es ist ein relativ langsamer Prozeß, mit typischen Streckraten von 100 % pro Stunde. Titanlegierungen, Nickellegierungen und Aluminiumlegierungen sowie gewisse rostfreie Stähle besitzen die notwendigen Charakteristiken für eine superplastische Formgebung.
Bei dem üblichen SPF-Verfahren wird ein Blech aus superplastischem Material in eine Matrizenform eingelegt, und das Material wird auf eine Temperatur erhöht, bei der das Material superplastische Eigenschaften zeigt, und dann wird ein Gas benutzt, um einen Druck auf eine Seite des Bleches auszuüben. Es wird ein genügend hoher Druck angewandt, um das Material mit einer Deformationsrate zu deformieren, die innerhalb des superplastischen Bereichs des bei der gewählten Temperatur zu verformenden Materials liegt. Dieser Gasdruck erzeugt eine Zugspannung in der Ebene des Bleches, die das Blech streckt und es veranlaßt, sich in den Matrizenformhohlraum zu deformieren.
Ein Nachteil der superplastischen Verformung besteht in den hohen Kosten der Herstellungsmatrizen, die gewöhnlich aus Stahl bestehen, da sie sehr genau geformte Abdeckteile und Matrizenteile haben müssen, um eine zuverlässige Abdichtung gegenüber dem Rohling zu gewährleisten, wobei optimal angeordnete Gaseinlaß- und -auslaßbohrungen mit den notwendigen Anschlüssen zur Verbindung an äußere Gaszuführungs- und Gasabführungsleitungen vorgesehen werden müssen. Außerdem sind zur Erzeugung eines jeden Werkstückes eigene Matrizen erforderlich, und die Arbeit, die Verbindungen einer Matrize zu lösen und eine andere Matrize in einem Apparat zur superplastischen Verformung anzubringen, ist sehr zeitaufwendig. Es ist aus der GB-A-1495655 und der US-A-4584860 bekannt, die Herstellungskosten der Matrizen dadurch zu reduzieren, daß sie aus Keramikmaterial hergestellt werden, aber selbst dann sind die Produktionskosten noch sehr hoch, weil Heizelemente und Gaszuführungsleitungen in die Matrize eingebaut werden müssen. Auch kann das Keramikmaterial im allgemeinen nicht den hohen Drücken widerstehen, die beim superplastischen Verformungsverfahren ausgeübt werden.
Es ist bekannt, das SPF-Verfahren in einem speziellen Aufnahmebehälter durchzuführen, der auswechselbare Matrizenformen enthält, und hierdurch werden die Kosten der Herstellung der Matrizenformen weitgehend gesenkt, da es nicht notwendig ist, Gasverbindungsleitungen in der Matrizenform selbst anzubringen, da diese Kanäle im Aufnahmebehälter angeordnet sind, und dies macht die Herstellung der Matrizenformen beträchtlich billiger. Die Benutzung einer auswechselbaren Matrizenform ist jedoch nicht bekannt in der Technik des "Rückdruckverformens", das unten beschrieben wird, und die Benutzung derartiger Matrizenformen bei der Rückdruckformgebung ergibt Vorteile, die sich aus der Benutzung bei einer normalen superplastischen Verformung nicht in naheliegender Weise ergeben.
Es ist ebenso bekannt, gleichzeitig eine superplastische Formgebung und eine Diffusionsbindung (SPF/DB) dadurch zu bewirken, daß eine Form in einer heißen Plattenpresse komprimiert wird, d. h. in einer Presse, die heizbare Druckplatten enthält. Die Hitze dieser Druckplatten erhitzt die SPF/DB-Form auf die erforderliche Temperatur, um das SPF/DB-Verfahren durchführen zu können; die Presse hält auch die Formteile zusammen, damit diese dem Druck innerhalb der Form widerstehen können.
Eine unerwünschte Charakteristik superplastischer Materialien besteht in ihrer Neigung zur Blasenbildung, d. h. zur Bildung kleiner innerer Hohlräume während der Streckdeformation, die während des Formvorganges aufgeprägt wird. Ein bekanntes Verfahren (das als "Rückdruckformgebung" bekannt ist) zur Überwindung dieses Problems besteht darin, einen Druck auf beiden Seiten des superplastischen Materials oder des Rohlings während der Verformung auszuüben. Hierdurch wird die Höhe der Zugspannungen vermindert, die auf die Stellen der Kernbildung für die Hohlräume wirken, und so die Erzeugung von Hohlräumen verhindert oder ihre Größe und Zahl vermindert. Eine bekannte SPF-Vorrichtung ist z. B. aus der US-A-4516419 bekannt, die den am nächsten komnmenden Stand der Technik repräsentiert. Diese bekannte Vorrichtung weist zwei Hälften auf, zwischen denen ein Rohling des zu formenden Materials dichtend eingelegt wird. Jede Hälfte der Form besitzt Einlaß/Auslaßöffnungen, durch die ein inertes Gas, beispielsweise Argon, unter Druck eingeführt wird. Der Materialrohling wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der er superplastische Eigenschaften annimmt, und der Gasdruck wird gleichzeitig auf beide Hälften der Form aufgebracht. Nach einer geeigneten Zeitdauer wird der Druck in der unteren Hälfte der Form gemäß einem vorbestimmten Druck/Zeit- Veränderungsprogramm vermindert, und der höhere Druck in der oberen Hälfte der Form deformiert den Metallrohling zu der Gestalt der unteren Hälfte der Form. Statt dessen kann der Druck in der oberen Hälfte der Form gemäß einem vorbestimmten Druck/Zeit-Veränderungsprogramm erhöht werden, während der Druck in der unteren Hälfte der Form konstant gehalten wird. Dies ergibt den gleichen Effekt. Ein Beispiel dieses abgewandelten Verfahrens ist in der GB-A-2100645 beschrieben.
Gemäß diesen beiden Patenten werden die Drücke auf den jeweiligen Seiten des superplastischen Bleches so gesteuert, daß eine Beanspruchung erzielt wird, die das Blech superplastisch verformt, während eine Bildung und ein Wachstum von Hohlräumen oder Blasen in dem Aufbau des Rohlings bei seiner Formgebung vermieden wird. Die von entgegengesetzten Seiten wirkenden Kräfte bewirken eine relativ gleichförmige Verdünnung des Rohlings und eine Verminderung der Blasenbildung. Der differentiale Druck bzw. der Formdruck erfordert eine kontinuierliche Überwachung und Einstellung während des Formgebungszyklus, und es müssen die physikalischen Charakteristiken des Materials des Rohlings sowie die Gestalt und die Formgebungstemperatur berücksichtigt werden. Um diesen Druck-Zeit-Profilen genau folgen zu können, müssen die Ventile, die den Eintritt oder Austritt von Gasen nach beiden Seiten des metallischen Rohlings steuern, entweder manuell durch eine erfahrene Bedienungsperson gesteuert werden, oder sie müssen durch einen Computer oder einen Mikroprozessor eingestellt werden.
Ein weiteres Problem in Verbindung mit der Technik des Rückdruckformens besteht darin, daß in der Endphase des Formgebungsprozesses Druckfluktuationen in der Form auftreten können, die das resultierende geformte Erzeugnis ruinieren, indem es zur Faltenbildung oder Buckelbildung veranlaßt wird, während der Rohling noch in einem weichen superplastischen Zustand befindlich ist. Wenn sich der metallische Rohling verformt, kommt er dichter mit den Wänden der Form in Berührung und kann die Einlaß/Auslaßöffnungen der Matrizenform verstopfen, je nachdem, wo diese angeordnet sind. Wenn die Matrizenform eine einfache Becherform aufweist, ist es zweckmäßig, die Öffnungen in die Seitenwand der Matrizenform des Rohlings in der Nähe des Bodens der Form anzubringen. Wenn eine Blockierung erfolgt, verursacht diese eine Fluktuation hinsichtlich des Druckes innerhalb der Matrizenform, wodurch der geformte Gegenstand bei seiner Formgebung beschädigt werden kann. Eine Beschädigung kann auch während der Vollendung einer Formgebung auftreten infolge des Gasvolumens, welches in den Einlaß/Auslaßrohren verbleibt, die zurückblasen können, wenn sie von der Gaszufuhr getrennt werden, so daß sich lokalisierte Verzerrungen in dem noch weichen Bauteil ergeben.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Rückdruckformgebung bewirkt und Mittel aufweist, um eine Verbindung mit einer Gaszuführungs- und Gasabführungsvorrichtung derart herzustellen, daß eine genaue Steuerung des Differentialdruck/Zeit-Profils leicht erhalten werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur superplastischen Formgebung zu schaffen, wodurch wirksam mögliche Beschädigungen der superplastisch verformten Artikel in einem Rückdruckformgebungsapparat vermieden werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Werkzeugkosten für die Matrizenform zu vermindern.

Wesen der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
Die Form, die als Patrizenform oder als Matrizenform ausgebildet sein kann, besteht vorzugsweise aus einem Material, das im Inneren leicht geformt werden kann und das fest genug ist, um den differentiellen Drücken widerstehen zu können, die auf das superplastische Material während des Formgebungsprozesses ausgeübt werden. Ein bevorzugtes Material für die Form ist Keramikmaterial, welches in einer hölzernen Form oder einer Plastikform gegossen werden kann und eine Gestalt hat, die dem zu formenden Gegenstand entspricht. Weil die Form gänzlich von dem Druck umschlossen ist, der im Behälterteil des Hohlraumes herrscht, ist die einzige Kraft, die auf die Form während der superplastischen Formgebung ausgeübt wird, jene Kraft, die daher rührt, daß der Rohling dagegengedrückt wird, d. h. er wird beträchtlich verminderten Drücken im Vergleich mit bekannten superplastischen Formgebungstechniken unterworfen, und dies ermöglicht die Benutzung derartiger Keramikmaterialien in kommerziellem Maßstab.
Außerdem weist die Vorrichtung Abstützmittel auf, um einen Zwischenraum zwischen einer unteren Oberfläche der Form und dem Behälterteil des Aufnahmebehälters zu schaffen. Es ist nicht notwendig und es kann sogar unerwünscht sein, daß die Bohrungen der Form auf die Kanäle des Aufnahmegefäßes ausgerichtet sind, wenn die Vorrichtung benutzt wird. Insbesondere wenn die Form aus Keramikmaterial oder anderem spröden Material besteht, werden die Stützmittel zur Aufrechterhaltung eines Zwischenraumes zwischen der Form und dem Behälterteil vorzugsweise aus einem porösen Material hergestellt, in das die Form eingebettet wird, so daß alle Ungleichförmigkeiten zwischen Form und Boden des Aufnahmebehälters durch das Bettungsmaterial aufgenommen werden können, ohne daß eine Rissebildung der Form aufgrund der Kräfte eintritt, die auf die Form während der superplastischen Verformung ausgeübt werden. Das bevorzugte Bettungsmaterial ist ein Keramikfaserkörper, jedoch kann irgendein kompaktes Material benutzt werden, durch das das Gas diffundieren kann.
Es ist klar, daß eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung leicht so angepaßt werden kann, daß Gegenstände unterschiedlicher und komplexer Gestalt geformt werden können. Dies kann durch Konstruktion einer entsprechenden Zahl von Formen erreicht werden, die je eine einer Vielzahl bestimmter Formgestaltungen aufweisen. Auf diese Weise können unterschiedliche Gegenstände aufeinanderfolgend unter Verwendung des Aufnahmebehälters geformt werden, ohne daß es notwendig wäre, die Gaszuführungs- und Gasabführungsrohre nach dem Matrizenformen nach jedem Formvorgang anzuschließen oder zu unterbrechen. Außerdem sind die Formmatrizen bzw. -patrizen billig und relativ einfach herzustellen.
Statt dessen können mehrere Gegenstände verschiedener Formgebung gleichzeitig in dem gleichen Aufnahmebehälter geformt werden, indem mehr als eine Form von Anfang an eingelegt werden. Nach dem Formvorgang können die Gegenstände durch eine einfache spanabhebende Bearbeitung getrennnt werden.
Es ist zweckmäßig, daß der Aufnahmebehälter getrennte Gaseinlaß- und -auslaßöffnungen sowohl im Deckelteil als auch im Behälterteil aufweist, um Gas von beiden Seiten des zu formenden Rohlings einzuführen und abzuführen, so daß der Druck auf jeder Seite des Rohlings genau eingestellt werden kann, um einem gewünschten Druckdifferential-Zeit-Profil zu folgen. Dies kann manuell über Ventile geschehen, die im Betrieb in der Gaszuführungs- bzw- Gasabführungsleitung des Aufnahmebehälters angeschlossen sind, aber vorzugsweise erfolgt eine Steuerung durch einen Computer, der jene Ventile gemäß einem vorbestimmten Druckdifferential-Zeit- Profil steuert, und die Drücke werden durch Sensoren überwacht, die innerhalb der Gasleitungen des Aufnahmebehälters angeordnet sind.
Die Anordnung von Bohrungen, die eine Verbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Form herstellen, bewirken, daß der Druck in der Form immer gleich jenem Druck in dem Behälterteil des Aufnahmebehälters ist, und demgemäß besteht keine Gefahr, daß dann, wenn das der Formgebung unterworfene superplastische Material eine Bohrung in der Form abdeckt, eine falsche Ablesung dem Computer übermittelt wird, der den Differenzdruck steuert, der über dem Material steht, selbst während der Endstufen der Formgebung. Wenn der Druck aus dem Aufnahmebehälter abgelassen wird, dann wird der Gasdruck auf beiden Seiten des geformten Materials plötzlich auf atmosphärischen Druck vermindert, aber das Gasvolumen in einem Raum, der die Form umgibt, wirkt als Puffer und gewährleistet eine totale Evakuierung des Formhohlraumes und verhindert demgemäß eine Deformation des fertig erzeugten Gegenstandes.
Die Bohrungen in der Form können einen kleinen Durchmesser aufweisen, damit die Deformation des geformten Gegenstandes durch die Bohrung so klein als möglich gehalten wird, aber die Gaszuführungs- und -abführungsleitungen im Behälterteil des Hohlraumes des Aufnahmebehälters sind vorzugsweise relativ groß in ihrem Durchmesser, da der Konstrukteur der Möglichkeit keine Beachtung zu schenken braucht, daß sich der Rohling darinnen verformt und die endgültige Gestalt des Werkstücks deformiert wird. Kanäle mit großem Durchmesser (a) ermöglichen eine schnellere Gaszuführung und Gasentnahme nach bzw. von dem Aufnahmebehälter, (b) die Verstopfungsgefahr ist kleiner und (c) sie können leicht an das zugeordnete Gasmanagementsystem angeschlossen werden.
Indem der Behälterteil und der Abdeckteil des Behälters zwischen den Platten einer Heißplattenpresse eingeklemmt werden, kann der Behälter sehr viel billiger hergestellt werden, (a) weil keine Notwendigkeit besteht, Heizelemente innerhalb des Aufnahmebehälters vorzusehen, da der Behälter in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Heißplattenpresse erwärmt wird, und (b) weil der Deckel und der Boden des Aufnahmebehälters nicht so dick ausgebildet werden müssen, wie dies bei bekannten Aufnahmebehältern der Fall ist, da diese Teile nicht den hohen Drücken innerhalb des Hohlraums während des SPF-Verfahrens widerstehen müssen; denn der Druck ist auf die Presse selbst beschränkt. Außerdem ist eine Heißplattenpresse ein Ausrüstungsstück, welches sich häufig in Fabriken findet, die das SPF- Verfahren durchführen, da es bei dem SPF/DB-Verfahren Anwendung findet, und demgemäß ergibt sich eine Kosteneinsparung bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, wie dies in den beiliegenden Ansprüchen beansprucht ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung können benutzt werden, um Werkstücke aus superplastisch verformbaren Materialien herzustellen, auch solche, die aus anderem Material als Titan bestehen, beispielsweise gewissen Aluminiumlegierungen und gewissen Stahllegierungen, und die Erfindung kann auch benutzt werden, um Materialien, beispielsweise Metallmatrix- Verbundkörper, zu verformen, die, obgleich sie keine superplastischen Materialien im eigentlichen Sinne des Wortes sind, dennoch vorherrschend superplastische Eigenschaften aufweisen. Solche vorherrschend superplastische Materialien können unter Benutzung der oben beschriebenen Rückdrucktechnik verformt werden, wo die Rückdrücke eine gesteuerte Streckung ermöglichen, ohne daß eine Einschnürung oder ein Bruch eintritt. Außerdem kann eine Membran aus wirklichem superplastischem Material in der Nähe des Rohlings des Metallmatrix-Verbundkörpers angeordnet werden, um die Streckung des Rohlings zu steuern.
Ein Vorteil der Benutzung getrennter Einlaß- und Auslaßrohre zur Aufrechterhaltung des Gasdruckes in der beschriebenen Weise besteht darin, daß die Hysterese des Drucksteuersystems vermindert wird und die Empfindlichkeit gegenüber Druckänderungen im Vergleich mit einem Fall vergrößert wird, wo Druckänderungen durch Regelung der Gasströmung durch das gleiche Rohr erlangt werden, weil im letzteren Fall Zeitverzögerungen in das Drucksteuersystem immer dann eingeführt werden, wenn Druckänderungen innerhalb des Aufnahmegefäßes gefordert werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Nachstehend werden spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Apparates zur superplastischen Verformung unter Verwendung von einem Rückdruck einschließlich einer Form,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Einzelteils der Vorrichtung gemäß Fig. 1, jedoch mit einer anderen Form,
Fig. 3 eine Grundrißansicht des in Fig. 2 dargestellten Teils.

Einzelbeschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Im folgenden wird auf die Fig. 1 bis 3 Bezug genommen. Hier ist eine Vorrichtung zur superplastischen Formgebung mit Rückdruck dargestellt, und diese besteht aus einem Aufnahmebehälter 1, der einen oberen Abdeckteil 2 und einen unteren Behälterteil 3 aufweist, die zwischen sich einen inneren Hohlraum 30 definieren. Ein aus superplastischem Metall bestehendes Blech 4 oder ein Rohling ist zwischen die beiden Teile gefügt und teilweise in die Gestalt verformt, die durch eine keramische Matrizenform 20 definiert ist, die im unteren Behälterteil 3 angeordnet ist. Um die Matrizenform 20 herum befindet sich innerhalb des Hohlraumes 30 ein Raum 22. Die Matrizenform 20 besitzt eine oder mehrere Bohrungen 21, durch die das Gas hindurchtreten kann; in Fig. 1 ist eine einzige Bohrung im Basisteil dargestellt, während in Fig. 2 zwei Bohrungen in den Seiten der Matrizenform angeordnet sind. Die Keramikform ruht auf einer weichen porösen Packung 32, beispielsweise aus einem Keramikfaserkörper, der irgendwelche Ungleichförmigkeiten zwischen der Keramikform und der Basis des Aufnahmebehälters ausgleicht und eine Rissebildung der Keramikform unter Druckanwendung verhindert.
Um zu verhindern, daß Material in dem Raum 22 zwischen der Form 20 und der Wand des Aufnahmebehälters eintritt, ist eine Abdeckplatte 23 vorgesehen, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der ähnlich ist dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aufnahmebehälters 3.
Der Rohling braucht nicht aus superplastischem Material zu bestehen, und er könnte beispielsweise aus nicht superplastischem formbarem Material oder einer Metallmatrix bestehen, unter der Voraussetzung, daß dieses Material noch vorherrschend superplastisch ist.
Sowohl der untere Teil 2 als auch der obere Teil 3 des Aufnahmedruckbehälters 1 besitzt ein Gaseinlaßrohr 5 und ein Gasauslaßrohr 6. Die Einlaßrohre sind mit einer Druckgasquelle (nicht dargestellt) über Gasdruckregler 7 und 8 verbunden und weisen Druckmesser 9 und 10 sowie Ventile 11 und 12 auf, die mit ihnen verbunden sind. Die Auslaßrohre 6 besitzen Druckmesser 13 und 14 sowie damit verbundene Ventile 15 und 16. Ein weiteres Druckmeßgerät 17 ist zwischen die beiden Auslaßrohre 6 gefügt. Eines der Auslaßrohre 6 besitzt ein Ventil 18, um den Gesamtrückdruck innerhalb des Aufnahmebehälters zu regulieren. Ein getrenntes Nebenschlußventil 19 befindet sich zwischen den beiden Einlaßleitungen 5.
Der Aufnahmebehälter wird in eine Heißplattenpresse eingeführt, die erhitzbare Platten 24 aufweist, die aus einer Stahlplatte 25 und einer Keramikbasis 26 bestehen; die Keramikbasis trägt die Heizelemente 27, die durch das Keramikmaterial hindurch verlaufen. Die Presse preßt dann den Aufnahmebehälter so zusammen, daß der Hohlraum 30 abgedichtet und die Platten erhitzt werden. Dadurch wird der Aufnahmebehälter so weit erhitzt, daß der Rohling 4 eine superplastische Formgebungstemperatur annimmt.
Das dargestellte System wird im wesentlichen manuell betätigt, jedoch können die Druckmesser 9, 10, 13, 14 und 17 durch Drucksensoren ersetzt werden, die an einen Computer angeschlossen sind, der so programmiert ist, daß die Ventile und Regler 7, 8, 11, 12, 15, 16, 18 und 19 so gesteuert werden, daß ein vorbestimmtes Differenzdruck/Zeit-Profil über dem Rohling 4 erzeugt wird.
Anfänglich wird der gleiche Gasdruck beiden Teilen des Aufnahmebehälters zugeführt, um den weichen Metallrohling gleichförmig über seine Oberfläche zusammenzudrücken und um in bekannter Weise eine Blasenbildung oder Hohlraumbildung zu vermeiden. Der gleiche Druck wird durch Einstellung der Gasströmung in die Gasregler 7 und 8 und aus diesen heraus aufrechterhalten, und zwar entweder manuell oder sonst automatisch über einen Computer. Das Druckgas wird auch dem Keramikeinsatz 20 über die Bohrung oder die Bohrungen 21 zugeführt. Der Gasdruck in beiden Teilen des Aufnahmebehälters wird beispielsweise mit Druckmeßgeräten oder Wandlern überwacht und unter Benutzung von Eingangs- und Ausgangsventilen 11, 12 bzw. 15, 16 reguliert. Wenn beispielsweise der Druck in dem unteren Behälterteil des Aufnahmebehälters 3 zu niedrig ist, dann wird Druckgas in den Aufnahmebehälter durch den Einlaß 5 eingelassen. Wenn umgekehrt der Druck in dem unteren Behälterteil des Aufnahmebehälters 3 zu hoch ist, dann wird Gas über den Auslaß 6 abgezapft. Die Druckdifferenz über dem Rohling 4 wird gemäß einem vorbestimmten Druck/Zeit-Profil geändert, wodurch das Material mit einer bekannten Beanspruchungsrate deformiert wird. Es besteht ständig ein positiver hydrostatischer Druck auf beiden Seiten, um eine Hohlraumbildung zu vermeiden. Der Metallrohling wird in die Keramikmatrizenform 20 hinein verformt, während der in seinem weichen superplastischen Zustand befindlich ist, und zwar durch den höheren Druck im oberen Teil 2 des Aufnahmebehälters. Der Formdruck über dem metallischen Rohling wird von dem Druckmesser 17 angezeigt.
In dem dargestellten System verhindert das Vorhandensein der Formmatrize 20, daß der Rohling die Einlaßöffnung 5 oder die Auslaßöffnung 6 während der Endstufen des Formgebungsverfahrens verstopft. Wenn die Matrizenform 20 nicht vorhanden wäre, d. h. wenn die Basis des Hohlraumes 30 die Formmatrize bildet, wie dies bisher üblich war, könnte die Einlaßöffnung 5 oder die Auslaßöffnung 6 im Behälterteil 3 durch den Rohling 4 bei der Formgebung geschlossen werden, wodurch sich fehlerhafte Druckablesungen bei den Meßgeräten oder Wandlern 13 oder 14 ergeben, und das manuell oder durch Computer gesteuerte System würde eine ungenaue Druckeinstellung bewirken, was zu einer Beschädigung des fertigen Gegenstandes führen und Rippen oder Buckel verursachen könnte.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht in der Anordnung des Raumes 22 zwischen der Keramikformmatrize 20 und dem unteren Teil 3 des Aufnahmebehälters 1, weil dieser Raum ein Gasreservoir schafft und das Gasvolumen innerhalb des Keramikeinsatzes wirksam puffert und dadurch den Metallrohling gegenüber Druckschwankungen schützt. Wenn der Metallrohling sich dem Ende des Verformungsverfahrens nähert und schon vollständig die Keramikmatrizenform 20 ausfüllt, kann er die Bohrungen 21 verstopfen. Wenn dies geschieht, wird die Druckdifferenz zwischen den Räumen über und unter dem Metallrohling aufrechterhalten. Dies geschieht, weil der Raum 22, der auf dem gleichen Druck wie das Gas innerhalb der Bohrungen 21 steht, eine wirksame Pufferung bewirkt und plötzliche Druckänderungen infolge der Verstopfung verhindert. Das geformte Werkstück wird in diesen abschließenden Verformungsstufen nicht beschädigt. Vorausgesetzt, daß eine genügende Zahl von Bohrungen 21 in der Keramikmatrizenform vorhanden sind, hat eine vorübergehende Verstopfung einer oder mehrerer der Bohrungen keinen Einfluß auf die Drücke, die durch die Druckmesser bzw. Wandler überwacht werden, und das gewünschte Differenzdruck/Zeit-Profil wird genau aufrechterhalten. Bei Raumtemperatur könnte die Matrizenform 20 dicht in den Hohlraum 30 einpassen, so daß es scheint, daß dort kein Raum 22 vorhanden ist, jedoch besteht der Behälterteil 3 allgemein aus Metall, und die Matrizenform besteht aus Keramikmaterial, so daß bei Erhitzen des Hohlraumes auf SPF-Temperatur die differentielle thermische Expansion wiederum einen Raum 22 öffnen würde.
Wenn der Rohling zu der Gestalt der Matrizenform deformiert ist, dann wird der Druck in beiden Teilen des Aufnahmebehälters vermindert, und die Plattenpresse wird freigegeben, so daß der Aufnahmebehälter geöffnet und der geformte Gegenstand entfernt werden kann.
Es sind auch andere Ausführungsbeispiele denkbar. Beispielsweise braucht die entnehmbare Formmatrize nicht unbedingt aus Keramikmaterial zu bestehen, sondern sie könnte auch aus anderen geeigneten Materialien geformt sein. Keramikmaterial hat sich jedoch als ein sehr gutes Material erwiesen, weil es billig ist und leicht in die Form irgendeines gewünschten Werkstücks gebracht werden kann und weil das Keramikmaterial außerdem gute Freigabeeigenschaften besitzt, die die Möglichkeit schaffen, den verformten Gegenstand leicht aus der Matrizenform zu entnehmen.
Vorzugsweise sind die Bohrungen 21 paarweise angeordnet, und es sollte wenigstens eine Bohrung in jedem Teil der Form vorhanden sein, die Anlaß ist für eine Vertiefung oder einen Vorsprung in dem fertigen Gegenstand, und zwar isoliert gegenüber anderen Eindrücken oder Vorsprüngen durch Materialstege, die mehr oder weniger stark ausgeprägt sind.
Die Benutzung der auswechselbaren Matrizenformen im SPF-Verfahren und insbesondere bei dem Verfahren, welches den Rückdruck benutzt, hat den Vorteil, daß nur ein Aufnahmebehälter benötigt wird, um zahlreiche Gegenstände unterschiedlicher Gestalt nacheinander herzustellen, wozu eine Gruppe geeignet gestalteter Matrizenformen benutzt wird. Es wird auch möglich, zwei oder mehrere unterschiedliche oder gleiche Werkstücke in dem Aufnahmebehälter anzuordnen, indem eine entsprechende Zahl von Keramikmatrizenformen eingesetzt wird. Nach jedem Formvorgang können die Leitungsverbindungen nach dem Aufnahmebehälter mit den Gas leitungen 5 und 6 verbunden bleiben, so daß die Zeitdauer zwischen der Erzeugung verschiedener Gegenstände oder Gruppen von Gegenständen vermindert wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Formgebung von Gegenständen aus vornehmlich superplastischen Materialien mit den folgenden Merkmalen:

(1) ein Aufnahmebehälter (1) mit einem Behälterteil (3) und einem Abdeckteil (2) bilden zusammen zwischen sich einen abgeschlossenen Hohlraum (30), wobei der Behälterteil und der Abdeckteil lösbar miteinander verbunden sind, um den Hohlraum öffnen zu können;

(2) Mittel zum Einklemmen eines Bleches oder eines Rohlings (4) aus vornehmlich superplastischem Material über dem Hohlraum (30) zwischen dem Behälterteil und dem Abdeckteil;

(3) eine Matrizenform (20), die entnehmbar im Hohlraum (30) des Behälterteils (3) untergebracht ist und eine Innenseite und eine Außenseite sowie eine zwischen der Innen- und der Außenseite verlaufende Bohrung (21) aufweist;

(4) ein Raum (22) zwischen der Außenseite der Matrizenform und der Wand des Hohlraums geht über die Bohrung (21) in Strömungsverbindung mit dem Inneren der Matrizenform;

(5) Leitungen (5, 6) zum Zuführen von Gas in den Hohlraum auf die beiden Seiten des Rohlings und zum Ablassen von Gas aus dem Hohlraum von den jeweiligen Seiten des Rohlings, um ein Druckdifferential über dem Rohling (4) zwischen einer ersten Seite des Rohlings, benachbart zum Behälterteil, und einer zweiten Seite, benachbart zum Abdeckteil, aufrechtzuerhalten, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß der Druck auf beiden Seiten des Rohlings während der Formgebung größer ist als der atmosphärische Druck, wobei jedoch der Druck auf der zweiten Seite größer ist als der Druck auf der ersten Seite;

(6) Mittel (27) zur Erhitzung des Rohlings auf eine Temperatur, bei der eine superplastische Verformung stattfinden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche Mittel (9, 10, 13, 14) aufweist, um den Druck in dem Hohlraum (30) und/oder in den Gasleitungen (5, 6) benachbart hierzu auf den jeweiligen Seiten des Rohlings (4) abzufühlen, und welche vorzugsweise ein Steuersystem aufweist, das Signale von den Drucksensoren empfängt, die den Druck im Hohlraum auf den jeweiligen Seiten des Rohlings anzeigen, und um den Druck im Hohlraum auf beiden Seiten des Rohlings gemäß einem vorbestimmten Druckprofil zu steuern.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher zwei oder mehr Matrizenformen (20) im Hohlraum (30) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Matrizenform (20) von einem Träger (32) abgestützt ist, um einen Zwischenraum zwischen der unteren Oberfläche der Matrizenform und einer Bodenfläche des Hohlraumes (30) zu schaffen, wobei dieser Träger vorzugsweise aus einem Bett aus porösem Material besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die Formmatrize (20) aus Keramikmaterial besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche Einlaßleitungen (5) aufweist, um Gas in den Hohlraum (30) auf die jeweiligen Seiten des Rohlings (4) einzuleiten, wobei getrennte Auslaßleitungen (6) vorgesehen sind, um das Gas aus dem Hohlraum von den jeweiligen Seiten des Rohlings abzuführen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche eine Heißplattenpresse aufweist, die beheizbare Platten (24) besitzt, um den Behälterteil (3) und den Abdeckteil (2) zusammenzupressen und den Hohlraum (30) während der Formgebung abzudichten, und wobei die Heizeinrichtung durch die Platten der Presse gebildet wird.

8. Verfahren zur Formgebung eines Gegenstandes aus vornehmlich superplastischen Materialien, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(a) es wird ein Aufnahmebehälter (1) geöffnet, der einen Behälterteil (3) und einen Abdeckteil (2) aufweist, die zwischen sich einen umschlossenen Hohlraum (30) bilden;

(b) es wird in den Behälterteil (3) eine Matrizenform (20) eingelegt, die vorzugsweise aus Keramikmaterial besteht (oder es werden wahlweise zwei oder mehr solche Matrizenformen eingelegt), die eine Innenseite, eine Außenseite und eine zwischen der Innenseite und der Außenseite verlaufende Bohrung (21) aufweist, wobei die Matrizenform so dimensioniert ist, daß ein Raum (22) zwischen der Außenseite der Form und der Wand des Hohlraums vorhanden ist, wobei dieser Raum über die Bohrung mit dem Inneren der Matrizenform in Verbindung steht;

(c) es wird ein Rohling (4) aus vornehmlich superplastischem Material in dem Hohlraum (30) zwischen dem Behälterteil (3) und dem Abdeckteil (2) eingeklemmt;

(d) es wird der Rohling (4) auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Material des Rohlings superplastische Eigenschaften annimmt, und es wird ein Druckdifferential über dem Rohling zwischen einer ersten Seite des Rohlings, benachbart zum Behälterteil, und einer zweiten Seite des Rohlings, benachbart zum Abdeckteil, derart angelegt, daß ein positiver Druck auf beiden Seiten des Rohlings lastet, um eine Hohlraumbildung in dem Material zu vermeiden, wobei jedoch der Druck auf der zweiten Seite größer ist als auf der ersten Seite, wodurch das Material des Rohlings in die Matrizenform (20) eingepreßt wird;

(e) es wird der Druck innerhalb des Behälters (1) auf atmosphärischen Druck zurückgeführt; und

(f) es wird der Aufnahmebehälter (1) geöffnet, und der geformte Gegenstand wird aus der Matrizenform (20) entnommen, und dann wird der Gegenstand aus dem Aufnahmebehälter entfernt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Matrizenform (20) auf einem Träger (32) abgestützt wird, um einen Zwischenraum zwischen einer unteren Oberfläche der Matrizenform (20) und dem Behälterteil des Hohlraumes (30) zu schaffen, wobei dieser Träger vorzugsweise aus einem porösen verdichtbaren Material besteht.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, bei welchem der Aufnahmebehälter (1) zwischen die Platten (24) einer Heißplattenpresse eingefügt wird und bei welchem der Aufnahmebehälter zwischen den Platten derart eingeklemmt wird, daß der Hohlraum (30) abgedichtet wird, worauf der Aufnahmebehälter durch Erhitzung der Platten der Presse aufgeheizt wird.