DE69704541T2

DE69704541T2 - Verbesserte Formtechnik für superplastische Formung

Info

Publication number: DE69704541T2
Application number: DE69704541T
Authority: DE
Inventors: Joseph D. Beal; Chris J. Takayama
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1996-12-21
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 2001-08-09
Anticipated expiration: 2017-11-15
Also published as: DE69704541D1; EP0849013A1; CA2221076A1; EP0849013B1

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Techniken für das superplastische Formen von Teilen, und mehr im besonderen für die Steuerung.

2. Hintergrund der Erfindung

Superplastisches Formen, nachstehend (SPF), ist ein Metallformungsverfahren, das überall in der Luft- und Raumfahrtindustrie zum Herstellen von detaillierten Teilen und zusammengesetzten Strukturen verwendet wird. Die Gestaltungsflexibilität, die durch SPF geboten wird, hat zu wesentlichen Kosteneinsparungen in der Herstellung von Einzelteilen und Aufbauten geführt. Weitere Einsparungen sind bei der Verminderung des Gewichts beim Flugzeug offenbar geworden. Das SPF- Verfahren zum Herstellen von Teilen nach dem Stand der Technik besteht aus mehreren Schritten. Diese Schritte sind in den Fig. 1A bis 1D veranschaulicht und können wie folgt zusammengefaßt werden: Erhitzen einer Form auf eine für eine spezielle Metallegierung angemessene Temperatur; Plazieren eines Metallblechs, das auch als ein Rohteil bezeichnet wird, in der Form; Schließen eines Deckels an der Form; Anwenden von Festhaltekräften zum Zusammenhalten der Form und des Deckels; Anwenden eines Formungsgasdrucks auf das Rohteil, um das Rohteil in den Hohlraum zu drücken; Vervollständigen der Zeit, die für den Formungszyklus erforderlich ist; und Entfernen des fertiggestellten Teils aus der Form.
Fig. 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf die Form bei zu Veranschaulichungszwecken entferntem Deckel. Das Roht-il oder die Platte 10 wird in den Bereichen 12, welche den abgedichteten Bereich 14 umgeben, durch die untere Form 16 gehalten, die in Fig. 1A gezeigt ist. Die Doppellinien 18 geben den Umriß des Dichtungsbereichs wieder, innerhalb dessen ein Teil geformt wird. Der Grund dafür, daß das Material sich nicht gleichförmig ausdünnt, besteht darin, daß, wenn der Deckel einmal auf der SPF-Form geschlossen ist, der Umfang des Materials derart festgehalten wird, daß es dem Material nicht ermöglicht wird, das Material außerhalb des Abdichtungsbereichs "hereinzuziehen".
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines durch SPF geformten Teils. Die gestrichelten Linien zeigen, wo das Teil zugeschnitten oder beschnitten wird. Der Auslauf ist in dem Formbereich außerhalb des Nutzteilbereichs. Eine korrekt ausgebildete Form optimiert die Auslaufkonfiguration so, daß das Ausdünnen in dem Teilbereich minimiert und in dem Auslaufmaterial maximiert wird.
Die Fig. 4 ist ein Seitenaufrißquerschnitt, welcher das Ausdünnproblem veranschaulicht. Zum Beispiel sind die Teildicker bei 20 und 22 sehr dünn und könnten potentiell unterhalb der durch die technische Zeichnung spezifizierten Dicken sein.
US-A-4 984 348, Cadwell, welche den im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Stand der Technik offenbart, bezieht sich auf die Streckformungstechniken von SPF. Jedoch wird das diesen zugeordnete Rohteil einer unerwünschten Deformation während des superplastischen Formens unterworfen.

Abriß der Erfindung

Die Erfindung wird durch die kombinierten Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorstehenden Aspekte und viele der begleitenden Vorteile dieser Erfindung werden leichter erkennbar unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird, worin:
Fig. 1A bis 1D sind eine Seitenaufrißquerschnittszeichnung eines SPF nach dem Stand der Technik in vier aufeinanderfolgenden Betriebsmodi.
Fig. 2 ist eine Aufsicht auf eine Form, wobei der Deckel entfernt ist.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Teils, das durch SPF geformt ist.
Fig. 4 ist eine schematische Seitenaufrißquerschnittsansicht einer Form und eines durch SPF hergestellten Teils.
Fig. 5 A bis 5F zeigen einen Querschnitt einer Form und eines Teils in sechs aufeinanderfolgenden Stadien des SPF- Verfahrens dieser Erfindung.
Fig. 6A und 6B zeigen, wie sekundäre Platte das Rohteil nach dem Formen einschließen kann.
Fig. 7 ist ein Schema, das die axialen und biaxialen Beanspruchungen um den Ausschnitt herum zeigt.
Fig. 8 vergleicht die Dickendaten an verschiedenen Orten in SPF-Teilen, die unter Verwendung von Techniken des Standes der Technik und unter Verwendung der Techniken dieser Erfindung hergestellt sind.
Fig. 9 A zeigt eine orthogonale Projektion einer Hälfte eines SPF-Teils.
Fig. 9B zeigt ein Verfahren zum Manipulieren von Formoberflächen, um zu der Größe eines Ausschnitts dieser Erfindung zu gelangen.
Fig. 9C veranschaulicht eine Aufsicht auf das Rohteil nach dem Manipulieren und Projektieren bzw. Vorspringenlassen der Formoberflächen der Fig. 9B.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Eines der größten Probleme, das mit dem superplastischen Formen verbunden ist, ist das Vorhersagen der Materialausdünnung und dann das. Erreichen jener Ausdünnung während der Teilherstellung. Das Materialausdünnungsproblem ist dem SPF- Verfahren inhärent und stammt vom Variieren der Materialdicke quer über dem Teilbereich nach dem SPF. Technische Zeichnungen verlangen typischerweise ausdrücklich nach einer minimalen zulässigen Materialdicke quer über den gesamten Teil oder in speziellen Bereichen des Teils.
Der Grund dafür, daß sich das Material nicht gleichförmig ausdünnt, besteht einmal darin, daß, wenn der Deckel einmal auf der SPF-Form geschlossen ist, der Umfang des Materials derart festgehalten wird, daß es dem Material nicht ermöglicht wird, von den Rändern her "hereinzuziehen". Infolgedessen muß das Material, welches der Teilbereich wird, aus dem Material innerhalb des Abdichtungsbereichs gestreckt werden.
Während des Formens schreitet das Strecken des Materials innerhalb des Abdichtungsbereichs fort, bis das Material schließlich die Formoberfläche kontaktiert. Beim Kontakt haftet das Material an der Formoberfläche an. Das übrige Material. das die Form noch nicht kontaktiert hat, fährt fort, sich zu strecken, bis es auch die Oberfläche kontaktiert und anhaftet. Wenn das Material einmal vollständig geformt ist, sind die dünnsten Bereiche generell jene, die sich am letzten formen. Diese Bereiche entsprechen den tiefsten Bereichen der Form und der Radien, insbesondere sphärischen Radien (Ecken).
Da die Materialausdünnung von der Geometrie abhängt, ist die Gestaltung für das Erreichen der angemessenen Materialausdünnung kritisch. Von spezieller Wichtigkeit ist der Form-"Auslauf", welches der Bereich außerhalb des Nutzteilbereichs ist. Eine korrekt gestaltete Form optimiert die "Auslauf"- Konfiguration so, daß das Ausdünnen in dem Teilbereich minimiert und in dem "Auslauf"-Material maximiert ist.
Wenn der Teilbereich und der "Auslauf" der Form einmal bearbeitet worden sind und das erste SPF-Teil geformt ist, gibt es nur wenige Optionen für einen Rückgriff, wenn das Teil gemäß den Erfordernissen der technischen Zeichnung zu dünn ist. Die beiden üblichsten Optionen sind: (1) Anfangen mit einem Rohteilmaterial dickerer Stärke, (2) Vorformen des Rohteils vor dem Formen desselben zur endgültigen Teilkonfiguration.
Die erstere Option ist die leichter auszuführende der beiden Optionen und liefert relativ schnelle Ergebnisse für die Dickenanalyse. Jedoch ist sie keine Garantie für das Erreichen der korrekten Minimaldicke, da das Hinzufügen von Dicke zu dem Anfangsrohteil nicht einer genügenden Dickenzunahme in dem dünnsten Bereich des Teils entspricht. Weiterhin beeinflußt eine Erhöhung in der Stärke des Anfangsmaterials das Teilgewicht nachteilig.
Die letztere Option, das Ausbilden eines Vorformlings für das Rohteil, beinhaltet ein ziemliches Ausmaß an Risiko. Die Ausbildung einer erfolgreichen Vorformlingsgeometrie erfordert potentiell mehrere Iterationen, was ein teures und zeitaufwendiges Verfahren ist. Wie bei Erhöhung der Materialstärke garantiert das Vorformen kein gelungenes Teil.
Mit dieser Erfindung wird eine dritte Option für das selektive Erhöhen der Materialdicke in speziellen Bereichen des Teils verfügbar. Auch diese Option garantiert nicht, daß die minimale Materialausdünnung erreicht wird. Jedoch werden durch eine Kombination der Erhöhung der Anfangsstärke und der Benutzung dieser dritten Option die Aussichten des Erreichens eines gelungenes Teils signifikant erhöht.
In Abhängigkeit von der Teilkonfiguration ist es möglich, die Materialausdünnung dadurch zu minimieren, daß man einen strategisch lokalisierten Ausschnitt (Ausschnitte) in dem Anfangsrohteil plaziert. Die typische anwendbare Teilkonfiguration ist eine solche, die einen Bereich der Nutzbeschneidung hat, der bezüglich des Teils selbst intern ist (d. h. eine Tasche oder "Schale"). Ein vereinfachtes Beispiel wäre ein muldenförmiges Teil, bei dem der Boden der Mulde weggeschnitten ist, woraus ein ringförmiges Teil resultiert.
Das Ausschneiden eines Lochs (von Löchern) in dem Material ermöglicht es, daß sich das Loch (die Löcher) vergrößert (vergrößern), wenn das Material auf die Werkzeugoberfläche gestreckt wird. Diese Vergrößerung nimmt die Stelle des Streckens und Verdünnens des Materials, wenn die Löcher nicht vorhanden wären, ein. Das Grundkonzept besteht darin, daß das Loch mehr Axialstreckung des Materials ermöglicht und die biaxiale Streckung minimiert (siehe Fig. 5). Das Endergebnis ist eine minimierte Materialausdünnung in dem axial gestreckten Material. Die Ausdünnung in Bereichen des Lochs, die biaxial gestreckt werden, ist auch minimiert (relativ zur Nichtverwendung des Ausschnitts (der Ausschnitte)), aber in einem geringeren Ausmaß als bei den axial gestreckten Bereichen (siehe Fig. 6 und die Datentabelle 1).
Da das SPF-Verfahren Gasdruck zum Formen des Materials verwendet, ist es zwingend, daß die Platte, die geformt wird, nicht irgendwelche Löcher durch dieselbe hat. Dieses Erfordernis steht in direktem Gegensatz zu dem Verfahren dieser Erfindung. Infolgedessen ist eine zweite Materialplatte, die keinerlei Ausschnittorte enthält, zum Ausbilden des Rohteils (Material mit dem Ausschnitt (den Ausschnitten)) erforderlich. Diese zweite Platte wird zwischen dem Rohteil und dem Formdeckel plaziert und wird die Membrane, welche unter Druck gesetzt und auf die Werkzeuggeometrie geformt werden kann. Während des Formens formt diese sekundäre Platte auch das Rohteil mit dem Ausschnitt (den Ausschnitten). Wenn das Rohteil einmal vollständig geformt worden ist (die Formoberfläche ist in innigem Kontakt mit dem gesamten Rohteil), werden das Rohteil und die sekundäre Platte getrennt, und die sekundäre Platte wird ausgeschieden.
Es gibt drei kritische Faktoren, mit denen man fertigwerden muß, um das offenbarte Verfahren erfolgreich zu benutzen. Jene Faktoren sind: (1) Ort des Ausschnitts (der Ausschnitte) in dem Rohteil, (2) Form und Größe des Ausschnitts (der Ausschnitte) in dem Rohteil, und (3) Indizierung bzw. Einstellung des Rohteils an dem Werkzeug.
Ausschnittort: Der Ort des Ausschnitts (der Ausschnitte) ist optimiert, wenn sich der Umfang des Ausschnitts (der Ausschnitte) so nahe wie möglich an der Nutzbeschneidung des Teils nach dem Formen befindet. Eine Lokalisierung des Ausschnitts (der Ausschnitte) als solche(r) maximiert die Materialdicke an der Beschneidungslinie.
Form und Größe des Ausschnitts (der Ausschnitte): Die Form und Größe des Ausschnitts (der Ausschnitte) sind insofern kritisch, als ein unterbemessener Ausschnitt zu einem unnötigen Ausdünnen führt. Umgekehrt führt ein überbemessener Ausschnitt zu einem Hinterschneiden der Beschneidelinie des Teils. Während sowohl des Bemessens als auch des Lokalislerens des Ausschnitts (der Ausschnitte) muß Vorsicht dahingehend walten gelassen werden, daß das geformte Rohteil während der Trennung der beiden Platten nicht durch die sekundäre Platte eingeschlossen ist (siehe Fig. 6B).
Es gibt mehrere Verfahren zum Bestimmen des angemessenen Orts und der angemessenen Größe des Ausschnitts (der Ausschnitte) in den Rohteilen. Neben Versuch und Fehler kann eine hochgenaue "Bestabschätzung" dadurch ausgeführt werden, daß man ein Modell der Formoberfläche benutzt. Unter den am leichtesten zu manipulierenden Modi befindet sich ein rechnerunterstütztes Zeichen (CAD)-Modell. Wenn sie einmal erzeugt worden sind, können die Werkzeugoberflächen auf eine Ebene projiziert oder gedreht werden, so daß die Beschneidungslinie des Teils auf jener Ebene zu sehen ist - das Äquivalent eines Formungsrohteils (siehe Fig. 9). Diese planare Beschneidungslinie definiert einen vorläufigen Ort, eine vorläufige Größe und eine vorläufige Form des Ausschnitts (der Ausschnitte). Die endgültige Größe und Form des Ausschnitts kann durch Anwenden eines Reduzierfaktors auf die vorläufige Größe und Form erhalten werden.
Indexierung bzw. Einstellung des Rohteils an dem Werkzeug: Wenn einmal die Größe, die Form und der Ort des Ausschnitts (der Ausschnitte) bestimmt worden sind, ist es ausschlaggebend, daß das Rohteil genau an der Form lokalisiert wird. Ohne genaue, wiederholbare Ausrichtung ist es nicht möglich, ein folgerichtiges Teil herzustellen. Ein Verfahren des Lokalisierens des Rohteils bezüglich der Form ist dasjenige, bei dem "Stifte" oder "Stäbe" verwendet werden, die sich von der Formabdichtungsoberfläche aus erstrecken. Es können dann Löcher in das Rohteil und die sekundäre Platte geschnitten werden, die den Stiften in der Form entsprechen.

Beschreibung der Figuren:

Fig. 5: Veranschaulicht die Verfahrensschritte für die offenbarte Erfindung
Vor der Fig. 5 A muß der Bereich (müssen die Bereiche) des Rohteils, der (die) ausgeschnitten werden soll(en), entfernt werden. Der Ort, die Größe und die Geometrie des Ausschnitts (der Ausschnitte) ist Von kritischer Wichtigkeit für das erfolgreiche Formen des Teils. Außerdem ist es auch kritisch, daß das Rohteil so bezüglich der Oberfläche indexiert bzw. eingestellt wird, daß sich der Ausschnittbereich (die Ausschnittbereiche) zu den gewünschten Bereichen der Form bildet (bilden).
Fig. 5A: Diese Figur veranschaulicht die Form, den Deckel, das Materialrohteil und die sekundäre Platte. Wenn die Form einmal auf die Formungstemperatur für die spezielle Materiallegierung erhitzt worden ist, werden das Rohteil und die sekundäre Platte auf der Oberfläche der Form plaziert. Der Ort der sekundären Platte ist zwischen dem Formdeckel und dem Rohteil.
Fig. 5B: Das Rohteil und die sekundäre Platte werden zwischen der Form und dem Deckel mittels einer auf den Deckel angewandten Kraft "schichtartig angeordnet".
Fig. 5C: Ein Gasdruck wird zu der Oberseite der sekundären Platte eingeleitet, wobei die sekundäre Platte und das Rohteil in den Formhohlraum hinein geformt werden.
Fig. 5D: Das Formen geht weiter, wenn der Gasdruck erhöht wird.
Fig. 5E: Bei Vollendung des Formungszyklus ist das Rohteil in vollem Kontakt mit den Formoberflächen.
Fig. 5F: Der Gasdruck wird abgelassen, und der Deckel wird entfernt. Das Rohteil und die sekundäre Platte werden getrennt und aus der Form entfernt.
Fig. 6A: Diese Figur veranschaulicht das Ergebnis einer korrekten Berechnung und Lokalisierung des Ausschnitts (der Ausschnitte) in dem Rohteil. In diesem Fall schließt die sekundäre Platte nicht das Rohteil ein, wenn die beiden getrennt werden.
Fig. 6B: Diese Figur veranschaulicht das potentielle Problem der Materialeinschließung, die durch unkorrekte Berechnung der Größe und des Orts des Ausschnitts (der Ausschnitte) in dem Rohteil verursacht wird. In diesem Fall wurde nach dem Formen der Rand des Ausschnitts (der Ausschnitte) auf einer nahezu vertikalen Oberflächen lokalisiert, wodurch ein Einschließen des Rohteils durch die sekundäre Platte erzeugt wurde. Dieses Einschließen ermöglicht keine Trennung des Rohteils und der sekundären Platte, ohne die beiden auseinanderzuschneiden.
Fig. 7: Diese Figur veranschaulicht die Arten des Streckens des Ausschnittumfangs, die während des Formens des Rohteils stattfinden. Irgendwelche geradlinigen Bereiche des Ausschnittumfangs erfahren ein Strecken in einer einzigen Richtung (axial). Gekrümmte Abschnitte des Ausschnitts strecken sich in zwei Richtungen (biaxial). Im allgemeinen führt das axiale Strecken, das stattfindet, zu einem geringeren Ausdünnen als in den Bereichen, die biaxial gestreckt werden.
Fig. 8: Diese Figur veranschaulicht Daten, die von hergestellten Testteilen erhalten wurden. Alle Teile begannen mit der gleichen Materialdicke und wurden an den gleichen Orten gemessen. Aus den Daten ist es möglich, zu sehen, daß es durch das Schneiden eines Lochs (von Löchern) in dem Rohteil möglich ist, im Vergleich mit Teilen, die ohne das erfindungsgemäße Verfahren geformt worden sind, eine Erhöhung von 69% in der ebenso geformten Materialdicke zu erreichen.
Fig. 9: Diese Figur veranschaulicht, wie die grundsätzliche Geometrie und der grundsätzliche Ort des Ausschnitts (der Ausschnitte) erhalten werden kann. Diese Schlüsselinformation ist durch mehrere Verfahren zu erhalten. Jedoch geschieht das leichteste Verfahren durch die Manipulation von rechnerunterstützten Zeichnungsdaten (CAD-Daten) der Formgeometrie. Die Verwendung derartiger Daten ist in dieser Figur veranschaulicht.
Fig. 9A: Diese Figur veranschaulicht die Hälfte eines symmetrischen Teils. Die gestrichelten Linien geben Oberflächen der Form an.
Fig. 9B: Diese Figur zeigt die Achse, um welche die Oberflächen gedreht werden. Wenn die Oberflächen einmal zu der Ausgangsebene gedreht worden sind, kann ein vorläufiger Umriß des Ausschnitts bestimmt werden. Der Rand der gedrehten Oberfläche wird durch die Nutzbeschneidung des Teils bestimmt.

Claims

1. Verfahren zum Formen eines Metallteils mittels superplastischem Formen unter Verwendung von Druckgas, umfassend die folgenden Schritte:

- Vorsehen eines Rohmetallblechs bzw. einer Rohmetallplatte, das bzw. die superplastisch zu dem gewünschten Metallteil geformt werden soll;

- Ausschneiden bzw. Heraustrennen und Entfernen von Teilen des Materials des Rohmetallblechs bzw. der Rohmetallplatte;

- Lokalisieren eines sekundären Blechs bzw. einer sekundären Platte, das bzw. die keinerlei Ausschnittsorte enthält, in Kontakt mit dem genannten Rohteil;

- Lokalisieren des Rohteils an bzw. in einer Form;

- Einführen von Druckgas in die Form, um das Rohteil durch Kontaktieren des sekundären Blechs bzw. der sekundären Platte dagegenzuforcieren bzw. zu drücken,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Umfang des Rohteils gegen ein Hineinziehen festgehalten bzw. arretiert wird;

- wobei die Ausschnitte die Form von einem oder mehreren Löchern annehmen, welche Löcher derart in dem Rohmetallblech bzw. der Rohmetallplatte bemessen, geformt und lokalisiert sind, daß das Verdünnen des Rohteils während des superplastischen Formens vermindert wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das sekundäre Blech bzw. die sekundäre Platte keinerlei Ausschnitte in der Form von Löchern enthält.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, worin das Druckgas so in die Form eingeführt wird, daß das sekundäre Blech bzw. die sekundäre Platte zu demselben hin freiliegt bzw. nach demselben exponiert ist.

4. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Ausschnittlöcher bzw. das Ausschnittloch in dem Rohteil so bemessen und lokalisiert ist, daß es in der Größe während eines angemessenen Zyklus des superplastischen Formens zunimmt.

5. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Rohteil so zu der Form abgefluchtet ist, daß ein Umfang von dem einen oder mehreren Ausschnittlöchern in eine vorbestimmte Werkzeugoberfläche der Form fällt.