DE69731956T2 - Superplastisches formen eines bauelementes - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Hohlkonstruktionen und damit verbundene Verfahren zum Formen solcher Konstruktionen und spezieller ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formen einer Hohlkonstruktion, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 25 definiert sind.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es war lange der Wunsch, verschiedene Flugwerkkomponenten, wie Canards, Winglets oder Tragflügel als Hohlkörper zu fertigen. Der Nutzen der Verwendung der Hohlkörper für diese Flugwerkkomponenten beinhaltet eine wesentliche Verringerung des Gewichts, die zu einer verbesserten Treibstoff-Effektivität und erhöhtem Leistungsverhalten führt.
  • In einer Reihe von Anwendungen soll eine Flugwerkkomponente, wie die vordere Kante oder die Flügelspitze eines Flugzeug-Tragflügels eine Form haben, die, würden sie mit herkömmlichen Fertigungsverfahren hergestellt, mehrere Teilfertigungen und Montageverfahren erfordern würde. Zum Beispiel ist eine solche Tragflächenkonstruktion, die typischerweise als eine Komponente bei der Herstellung von Flugzeug-Tragflügeln verwendet wird, eine hohle Tragflächenschale mit einer komplizierten; gekrümmten, vorderen Kante und einem offenen hinteren Abschnitt. Diese Tragflächenkonstruktion wird gewöhnlich aus verschiedenen Teilen gefertigt, die montiert werden, mit einem Flügelspitzen-Abschnitt und einem hinteren Kanten-Abschnitt zusammengefügt werden und dann teilweise in den Flugzeugrumpf eingeführt und daran befestigt werden, um einen Flugzeug-Tragflügel zu bilden.
  • Gewöhnlich wurden diese hohlen Tragflächenkonstruktionen durch einen systematischen Aufbau von mehreren Unterkomponenten-Baugruppen gestattet. Die einzel nen Plattenbaugruppen umfassten ein Gemisch von Produktformen. Diese Formen schlossen zum Beispiel stranggepresste, geschmiedete, gegossene oder geformte Platten ein, die dann mechanisch befestigt und mit den anderen Unterkomponenten-Baugruppen verbunden wurden, um die Tragflächenkonstruktion zu fertigen. An dem Teilpegel wurden einzelne Teile, die ein Verarbeiten durch die Fertigungsstufe erforderten, dann während der Montagestufe des Herstellungsvorgangs mit übereinstimmenden Konstruktionen befestigt.
  • Mit der Einführung neuer Materialsysteme im Flugzeugdesign wurden wirksame Verfahren zum Fertigen und Integrieren von Unterbaugruppen, die aus unterschiedlichen Materalien, wie metallischen, nichtmetallischen und Matrizen-Elementen hergestellt sind, zunehmend wichtig, um zum Beispiel das Gewicht, die Kosten und die Lebenserwartung der sich daraus ergebenden Flugzeugkonstruktion zu verbessern. Es ist für den Fachmann ein anhaltender Wunsch, Konstruktionen und Verfahren zum Formen solcher Konstruktionen zu entwickeln, um die Gesamtzahl von für die Endmontage erforderlichen Konstruktionen und Schritten erheblich zu reduzieren.
  • Viele der Verfahren, die entwickelt wurden, um hohle Tragflächen-Konstruktionen herzustellen, nutzen superplastische Formungsverfahren (superplastic forming – SPF), die sich auf die Fähigkeit bestimmter Materialien, wie Titanlegierungen stützen, um eine ungewöhnlich hohe Zugdehnung bei einer minimalen Neigung zur Querschnittsverminderung zu entwickeln, wenn sie den koordinierten Bedingungen einer Zeit-Temperatur-Dehnung in einem begrenzten Bereich unterliegen. Diese Eigenschaft ist in der Technik bekannt und wurde beim Erzeugen einer breiten Vielfalt von stabilen, leichten Metallkonstruktionen verwendet.
  • Ein Verfahren nach dem Stand der Technik umfasst das Formen einer geschlossenen Zellkonstruktion aus zwei oder mehr getrennten Schichten eines Plattenmaterials. Die zwei oder mehr Schichten werden entlang der jeweiligen Kantenteile zusammengefügt (z. B. durch Schweißen oder Diffusionsverbinden), um eine aufblähbare Hüllenbaugruppe zu bilden. Diese aufblähbare Baugruppe wird dann superplastisch geformt, um ein einstückiges Konstruktionselement mit einer vorgegebenen Form zu erzeugen.
  • Es ist bekannt, ein oder mehr Einlass-Rohre zwischen den Platten einzuführen, die eine Hüllen-Baugruppe umfasst, um Gas unter Druck in das Innere der Hüllen-Baugruppe einzuspeisen, so dass die Baugruppe mittels des superplastischen Formens in die gewünschte Form geformt wird. Zuerst wird das Gas-Einspeisungsrohr positioniert und dann die Hüllen-Baugruppe um ihren Umfang abgedichtet, um eine gasdichte Konstruktion zu bilden. Dieses Abdichten erfordert typischerweise arbeitsintensive und kostspielige Verfahren, wie Nahtschweißen, teilweises Einbrandschweißen oder Diffusionsverbinden mittels Wärme und Druck.
  • Es ist auch bekannt, eine Tragfläche mittels einer einzelnen Platte zu formen. Die einzelne Platte wird in eine übereinander gefaltete Schichtkonstruktion geformt und entlang ihres Umfangs durch ein durchgehendes Schweißen abgedichtet, um eine dehnbare Hülle zu bilden. Die Hüllen-Konstruktion wird in einer begrenzenden Konstruktion, wie einer Einschluss-Hohlform angeordnet, wobei ein Gas in den inneren Teil der Hüllen-Konstruktion unter superplastischen Bedingungen eingeführt wird, um die einzelne Platte zu formen oder auszudehnen. Solche Ausdehnung kann in zwei entgegengesetzten Richtungen auftreten. Damit kann durch Ausüben von entsprechendem Innendruck und Temperatur auf die Hüllen-Konstruktion die Hülle in die Umgebung der Hohlform-Struktur ausgedehnt werden, wodurch das gewünschte Konstruktionselement erzeugt wird.
  • Diese Verfahren nach dem Stand der Technik leiden an erheblichen Nachteilen, zusätzlich zu den zuvor erwähnten. Sie erfordern zum Beispiel das Schweißen oder Diffusionsverbinden des Umfangs der Platten-Baugruppe vor dem superplastischen Formen und dann das Abschneiden der geschweißten Bereiche des Umfangs der ausgedehnten Baugruppe, um die Schalenkonstruktion zu bilden. Solches Entfernen ist arbeitsintensiv und ineffizient. Die Schweißnaht muss entfernt werden, so dass ein oder mehr interne Teile (z. B. innere Verstärkungsteile) leicht in Position gebracht werden können. Wenn zum Beispiel die Schweißnaht nicht von z. B. der hinteren Kante entfernt wird, wird es unmöglich sein, die zwei Hauptflächen der ausgedehnten Baugruppe genügend auseinanderzuspreizen, um das innere Teil positionieren zu können.
  • Zusätzlich gibt es bei den Verfahren nach dem Stand der Technik ein Risiko, dass ein oder mehr Einlassrohre, die angeordnet sind, um das Gas in das Innere der dehnbaren Hüllen- oder Platten-Baugruppe einzuspeisen, fest zusammengedrückt und funktionsunfähig gemacht werden, während die Schicht-Baugruppe geschweißt wird. Die Einlassrohre werden nach dem Gebrauch typischerweise weggeworfen, wodurch die Kosten erhöht werden.
  • Dementsprechend gibt es einen anhaltenden Bedarf an einem Verfahren, das verwendet werden kann, um große Konstruktionselemente mit verringerten Herstellungs- und Montagekosten, einer verringerten Teileanzahl (d. h. weniger Teile) und weniger Befestigungselementen zu erzeugen, wobei das Verfahren zu einem Konstruktionselement mit einem weniger komplizierten Gesamtaufbau führt. So ein Verfahren könnte wünschenswerterweise eine einzelne Platte verwenden, die in zwei entgegengesetzten Richtungen superplastisch geformt wird, ohne die Notwendigkeit, die Kanten durch Schweißen oder Diffusionsverbinden zusammenzufügen. Wünschenswerterweise würde ein solches Verfahren beim Herstellen einer Tragflächenkonstruktion die Notwendigkeit beseitigen, die vorderen und/oder hinteren Kantenkonstruktionen oder an den aerodynamischen Mittellinien zu schweißen, was damit zu einer Tragflächenkonstruktion mit einer durchgehenden vorderen Kante führt. Die Beseitigung des Schweißens oder Diffusionsverbindens würde es dem Verfahren außerdem ermöglichen, mit einer breiteren Vielfalt von Materialien, wie Aluminium, zu arbeiten. Es wäre außerdem wünschenswert, Konstruktionen aus einer Platte ohne die spezielle Vorbereitung der Platte formen zu können, die jetzt benötigt wird, um zu ermöglichen, dass die Platte die Gas-Einlassrohre aufnehmen und halten kann.
  • Das Dokument US 5 384 959 , das die Aufgaben des Oberbegriffs von Anspruch 1 und Anspruch 25 offenbart, offenbart ein Ventilatorblatt mit einem Hohlkern für einen Gas-Turbinenmotor mit einer durchgehenden vorderen Kante, das durch ein superplastisches Vierblatt-Formungs-/Diffusionsverbindungsverfahren gefertigt wurde, welches zu einer kosteneffizienten und leichten, aber stabilen Konstruktion führt. Mit den entgegengesetzten Seiten der Flächenplatte sind erste und zweite Kernplatten verbunden, zwischen denen sich der hohle Kern befindet. Um das Blatt zu fertigen, wird eine Kernblatt-Baugruppe in die vorbereitete Flächenplatte eingeführt, wodurch eine Ti-Paket- (Titan-Paket) Baugruppe mit einer Vielzahl von druckfesten Zellen gebildet wird. Das Ti-Paket wird in den Hohlraum innerhalb einer Hohlform eingeführt, wonach das Rotorblatt mit den vorgegebenen Entwurfseigenschaften durch Erwärmen der Hohlform und selektives Unterdrucksetzen der Vielzahl von Zellen superplastisch geformt wird.
  • Das Dokument US 5 448 829 offenbart ein Titan-Gas-Einführungsrohr, das in einer Senkbohrung in den Flügelhälften angeordnet ist, die verbunden und geformt werden sollen. In der Senkbohrung innerhalb des Titanrohrs wird eine Hülse aus rostfreiem Stahl angeordnet, um den Verbindungskräften standzuhalten. Um das Rohr herum ist eine externe Hülse aus rostfreiem Stahl angeordnet, um den Gasdruck-Kräften standzuhalten.
  • Das Dokument US 5 457 884 offenbart eine Vielzahl von Werkstücken, die in einem Stapel zusammengefasst sind. Zwei der Werkstücke werden an einer Oberfläche an vorgegebenen Positionen von den Kanten der Werkstücke aus bearbeitet. Die Werkstücke sind so aufeinander gelegt, dass die bearbeiteten Oberflächen der Werkstücke voneinander weggerichtet sind. Zwei Werkstücke sind auf einer ihrer Oberflächen mit einem Abdeckmaterial versehen, um ein Diffusionsverbinden an vorgegebenen Positionen zu verhindern. Die Kanten der Werkstücke werden zusammengeschweißt, wobei ein Rohr an den Stapel geschweißt wird, um eine Zwischenverbindung mit dem Abdeckmaterial zu bilden, so dass eine abgedichtete Baugruppe geformt wird. Die Werkstücke werden durch Diffusionsverbinden mit einander verbunden. Die einstückige Konstruktion wird erwärmt, wobei die gegenüberliegenden Enden der einstückigen Konstruktion in eine vorgegebene Form geformt werden. Die einstückige Konstruktion wird erwärmt, wobei die bearbeiteten Teile der Werkstücke gleichwarm geschmiedet werden und die gedrehte einstückige Konstruktion dann intern unter Druck gesetzt wird, um ein Werkstück superplastisch zu formen, so dass ein Artikel, z. B. ein Ventilatorblatt erzeugt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Formen einer Hohlkonstruktion mit einer durchgehenden ersten Kante und einer vorgegebenen Form von einer Rohlings-Anordnung mit einer durchgehenden ersten Kante, einer oberen Fläche und einer unteren Fläche bereit, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, wobei die obere Fläche und die untere Fläche jeweils ein offenes Kantenteil haben, wobei die Rohlings-Anordnung aus einem Material besteht, das unter superplastischen Formungsbedingungen in die vorgegebene Form geformt werden kann, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
    • (a) Anordnen der Rohlings-Anordnung in einer Einschluss-Hohlform mit einem ersten Teilstück und einem zweiten Teilstück, die gemeinsam einen Hohlraum mit im Wesentlichen der vorgegebenen Form definieren;
    • (b) Ausüben einer Schließkraft auf die zwei Teilstücke der Einschluss-Hohlform, um die zwei Hohlform-Teilstücke zusammenzuzwängen, um die Kantenteile der Rohlings-Anordnung dazwischen einzuschließen und die Kantenteile fest gegeneinander zu halten, um diese Kantenteile zeitweise gemeinsam abzudichten, um die Rohlings-Anordnung im Wesentlichen gasdicht zu machen, wobei die im Wesentlichen gasdichte Rohlings-Anordnung eine Paket-Baugruppe mit einer Innenseite und einer Außenseite bildet; und
    • (c) Erhöhen des Drucks innerhalb der Paket Baugruppe in Bezug auf den Druck außerhalb der Paket-Baugruppe unter superplastischen Formungsbedingungen, so dass sich wenigstens ein Teil der Paket-Baugruppe superplastisch ausdehnt, um dem Hohlraum der Einschluss-Hohlform zu entsprechen, und dadurch eine Hohlkonstruktion mit der vorgegebenen Form bildet; wobei
    • – das Verfahren ferner das Positionieren eines Fluid-Einlassrohrs zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche der Rohlings-Anordnung umfasst, so dass es vor Schritt (c) einen Fluid-Einlassanschluss in Fluid-Verbindung mit dem Inneren der Paket-Baugruppe gibt, gekennzeichnet dadurch, dass
    • – wenigstens ein Teilstück der Einschluss-Hohlform ferner eine Aussparung umfasst, um das Fluid-Einlassrohr aufzunehmen und festzuhalten.
  • Die Bildung einer gasdichten Paketanordnung auf diese Weise beseitigt die Notwendigkeit des gesonderten Schritts nach dem Stand der Technik, die Kanten des Pakets zusammenzuschweißen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren bereit, ein formendes Gasmedium in die Paket-Anordnung einzuführen, um die Rohlings-Anordnung superplastisch zu formen, ohne die Kanten der Rohlings-Anordnung zusammenzuschweißen. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel enthält dieses Verfahren den Schritt des Anordnens eines wieder verwendbaren Einlassrohrs zwischen der oberen und unteren Fläche der Rohlings-Anordnung, um einen Gas-Eintrittsanschluss in der Paket-Anordnung in Fluid-Verbindung mit deren inneren Teil zu definieren. Es werden übliche Temperatur- und Dehnungsraten zum superplastischen Formen angewendet, während die Paket-Anordnung erwärmt und das Paket durch Einpressen des Fluids in das Paket unter Druck gesetzt wird, um das Paket superplastisch auszudehnen, so dass die Hohlform gefüllt und das Paket in die vorgegebene Form geformt wird.
  • Die in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendete Einschluss-Hohlform enthält wünschenswerterweise Merkmale, um ihr Leistungsverhalten und ihre Zweckmäßigkeit zu verbessern. Zum Beispiel kann die Einschluss-Hohlform eine Sperr- und Dichtungsnut haben, um einen gleich bleibenden Verschluss der Hohlform aufrechtzuerhalten und eine gasdichte Abdichtung zu bilden. Die Kanten der oberen Fläche und der unteren Fläche können durch das Schließen der Hohlform in die Nut gezwängt werden, um zu helfen, die zwei Flächen in einer gewünschten, festen Beziehung zu halten, so dass eine gasdichte Paket-Anordnung gebildet wird. Die Aussparung in wenigstens einem Teilstück der Einschluss-Hohlform nimmt das wieder verwendbare Gas-Einlassrohr auf und hält es in der richtigen Position.
  • Die vorliegende Erfindung kann ein wieder verwendbares Gas-Einlassrohr verwenden, das dazu bestimmt ist, eine Einrichtung bereitzustellen, die das formende Gas in das Innere der Rohlings-Anordnung befördert, um zu ermöglichen, dass die Roh lings-Anordnung superplastisch geformt wird. Das wieder verwendbare Gas-Einlassrohr enthält einen Festhalte- oder Rückhaltering, der ausgelegt ist, mit der einen oder den mehreren Aussparungen der Einschluss-Hohlform zusammenzuwirken, um das Gas-Einlassrohr während des superplastischen Formungsschritts festzuhalten. Das wieder verwendbare Gas-Einlassrohr hat wünschenswerterweise Dichtungsstege, die ausgelegt sind, die Rohlings-Anordnung beim Schließen der Einschluss-Hohlform zu verformen, um eine gasdichte Abdichtung zwischen der Einschluss-Hohlform, der Rohlings-Anordnung und dem Gas-Einlassrohr zu gewährleisten.
  • In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, ein hohles Konstruktionselement zu formen, das eine Außenhaut und einen inneren Kern umfasst, der mit dem Inneren der Außenhaut verbunden ist. Sowohl die Außenhaut als auch der innere Kern können aus einer einzigen Platte geformt sein. Die Außenhaut und der innere Kern können gleichzeitig in einer einzigen Einschluss-Hohlform mit getrennten Hohlräumen für die Haut und den Kern geformt werden.
  • Dieses Verfahren umfasst das Formen von zwei anfänglichen Rohlings-Anordnungen, wobei jede eine obere und eine untere Fläche hat, und das Anordnen von beiden Anordnungen in einer Einschluss-Hohlform. Die Einschluss-Hohlform hat zwei Hohlräume, die das gleichzeitige Formen der Haut-Baugruppe und der Kern-Baugruppe ermöglichen. Zwischen die obere Fläche und die untere Fläche von jeder Rohlings-Anordnung wird ein wieder verwendbares Einlassrohr mit einem Festhaltering und Dichtungsstegen eingeführt, um einen Anschluss in Fluid-Verbindung mit dem Inneren von jeder Anordnung zu bilden. Auf die Einschluss-Hohlform wird eine Kraft ausgeübt, um jedes wieder verwendbare Einlassrohr zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche von jeder Rohlings-Baugruppe einzuklemmen und eine Paket-Baugruppe der Außenhaut und eine Paket-Baugruppe des inneren Kerns zu formen. Auf die Paket-Baugruppen wird durch die wieder verwendbaren Einlassrohre zusammen mit dem Erwärmen ein innerer Fluiddruck ausgeübt, so dass die Haut-Paket-Baugruppe und die Kern-Paket-Baugruppe durch Ausdehnen superplastisch in eine Haut-Baugruppe bzw. eine Kern-Baugruppe verformt werden, um ihre jeweiligen Hohlräume der Hohlformen auszufüllen. Nach der Endbearbeitung der Baugruppen wird die Tragflächenkonstruktion durch Einführen der Kern-Baugruppe in die Haut- Baugruppe und dem gemeinsamen Befestigen der Baugruppen gebildet. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet die Fähigkeit, eine komplette Tragflächenkonstruktion einschließlich einer Haut- und einer verstärkten, inneren Kernkonstruktion aus zwei Platten eines Anfangsmaterials unter Anwendung von nur einem Formungsschritt in der Hohlform zu bilden.
  • Eine noch weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Formen einer Hohlkonstruktion mit einer durchgehenden ersten Kante und einer vorgegebenen Form von einer Rohlings-Anordnung mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche bereit, wie sie im Anspruch 25 definiert ist, wobei die obere Fläche und die untere Fläche jeweils ein offenes Kantenteil haben, wobei die Rohlings-Anordnung aus einem Material besteht, das unter superplastischen Formungsbedingungen in die vorgegebene Form geformt werden kann, wobei die Vorrichtung umfasst:
    • (a) ein Fluid-Einlassrohr, das angepasst ist, um zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche der Rohlings-Anordnung angeordnet zu werden; und
    • (b) eine Einschluss-Hohlform mit:
    • (1) einem ersten Teilstück und einem zweiten Teilstück, die gemeinsam einen ersten Hohlraum mit im Wesentlichen der vorgegebenen Form definieren, wobei das erste Teilstück und das zweite Teilstück angepasst sind, unter Druck zusammengezwängt zu werden, um die Kantenteile der Rohlings-Anordnung dazwischen einzuschließen und die Kantenteile fest gegeneinander zu halten, um diese Kantenteile zeitweise gemeinsam abzudichten, um die Rohlings-Anordnung im Wesentlichen gasdicht zu machen; gekennzeichnet dadurch, dass die Einschluss-Hohlform ferner umfasst:
    • (2) eine Aussparung, die in wenigstens einem Teilstück der Einschluss-Hohlform angeordnet ist, um das Fluid-Einlassrohr aufzunehmen und festzuhalten; und
    • (3) eine Dichtungseinrichtung, um zu helfen, eine gasdichte Abdichtung in der Rohlings-Anordnung aufrechtzuerhalten.
  • Damit kann eine Tragflächenkonstruktion gebildet werden, ohne den Umfang der Konstruktion vor oder während des Formens gesondert zu schweißen.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist das Fluid-Einlassrohr wieder verwendbar, wobei die Einschluss-Hohlform einen Sperr-Wulst und eine Dichtungsnut hat, um eine gasdichte Abdichtung aufrechtzuerhalten. Das wieder verwendbare Gas-Einlassrohr wird in die Aussparung der Einschluss-Hohlform eingeführt und kann das Innere der Paket-Baugruppe in Fluid-Verbindung mit einer Quelle von unter Druck stehendem Fluid halten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Um die weitere Erörterung der Erfindung zu erleichtern, werden die folgenden Zeichnungen bereitgestellt, in denen zeigen:
  • 1 eine Draufsicht einer einzelnen Platte, die in eine anfängliche Rohlings-Anordnung geformt wurde;
  • 2 eine Querschnittsansicht der Rohlings-Anordnung von 1, entlang der Linie 2-2 von 1;
  • 3 das wieder verwendbare Gas-Einlassrohr, das in die Rohlings-Anordnung eingeführt wurde;
  • 4 eine Querschnittsansicht, die die in einer Einschluss-Hohlform vor dem vollständigen Verschließen der Hohlform angeordnete Rohlings-Anordnung zeigt;
  • 5 eine perspektivische Teilansicht eines Teilstücks der Einschluss-Hohlform, die die Aussparung für das Fluid-Einlassrohr darin zeigt;
  • 6 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des wieder verwendbaren Gas-Einlassrohrs;
  • 7 eine Flächenansicht, die die Rohlings-Anordnung (mit dem angebrachten Gas-Einlassrohr) auf dem unteren Teilstück der Einschluss-Hohlform liegend zeigt, bevor die Hohlform geschlossen ist;
  • 8 eine Querschnittsansicht, die die in der Einschluss-Hohlform nach dem superplastischen Formungsverfahren angeordnete, aufgeblähte Paket-Baugruppe zeigt;
  • 9 eine Querschnittsansicht einer geformten, hohlen Tragflächenkonstruktion, nachdem sie von der Hohlform entfernt wurde;
  • 10 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, die sowohl die Haut-Rohlings-Anordnung als auch die Kern-Rohlings-Anordnung veranschaulicht, die in unterschiedlichen Hohlräumen der gleichen Einschluss-Hohlform vor dem superplastischen Formen angeordnet sind;
  • 11 eine Querschnittsansicht, die die aufgeblähte Haut-Paket-Baugruppe und die aufgeblähte Kern-Paket-Baugruppe zeigt, die in der Einschluss-Hohlform nach dem superplastischen Formen angeordnet sind; und
  • 12 eine Querschnittsansicht, die die in die Hautkonstruktion von 11 eingeführte Kernkonstruktion von 11 zeigt, nachdem beide von der Einschluss-Hohlform entfernt wurden.
  • Diese Zeichnungen sind nur für veranschaulichende Zwecke vorgesehen und sollten nicht verwendet werden, um den Umfang der Ansprüche übermäßig einzuschränken.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 und 2 zeigen eine einzelne Platte, die über sich selbst gefaltet wurde und im Verfahren dieser Erfindung verwendet werden soll, um eine hohle Tragflächenkonstruktion zu erzeugen. Die einzelne Platte hat superplastische Eigenschaften, das heißt, das Plattenmaterial weist die Eigenschaft einer ungewöhnlich hohen Zugdehnung bei einer minimalen Neigung zur Querschnittsverminderung auf, wenn es in einem begrenzten Temperaturbereich und Dehngeschwindigkeitsbereich verformt wird. Wie dem Fachmann bekannt ist, weisen eine Reihe von Materialien, wie Titan, Titanlegierungen, Aluminium, rostfreier Stahl, thermoplastische Kunststoffe und Metall-Matrix-Verbunde superplastische Eigenschaften auf. Diese Erfindung ist mit allen superplastischen Materialien nutzbar, allein oder in Verbindung miteinander (z. B. mit übereinander gelegten Platten aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien). Der superplastische Temperaturbereich ändert sich abhängig von dem verwendeten, spezifischen Material. Zum Beispiel weisen Titanlegierungen im Allgemeinen superplastische Eigenschaften bei Temperaturen zwischen etwa 1500°F (815°C) und etwa 1800°F (982°C) auf. Aluminium weist im Allgemeinen superplastische Eigenschaften bei Temperaturen zwischen etwa 800°F (427°C) und 1000°F (538°C) auf. Die bevorzugte Ausdehnungsgeschwindigkeit ändert sich ebenfalls abhängig von dem verwendeten, spezifischen Material.
  • Die einzelne Platte wird in eine anfängliche Rohlings-Anordnung 10 geformt, die gestaltet ist, um zu gewährleisten, dass die endgültige hohle Tragflächenkonstruktion nach dem superplastischen Formungsschritt die gewünschte Form und Dicke hat. Die einzelne Platte wird aus einer ebenen Anordnung in eine anfängliche Rohlings-Anordnung mittels herkömmlicher Verfahren wie Rollformen oder Bremsformen gebildet. Die Platte wird vor dem Formen typischerweise von 0,020 Zoll (0,05 cm) bis 0,200 Zoll (0,5 cm) dick und von 6 Zoll (15,24 cm) × 12 Zoll (30,48 cm) bis 48 Zoll (121,92 cm) × 96 Zoll (243,84 cm) groß sein.
  • Die Rohlings-Anordnung wird in der Regel die Form einer Schale mit einer glatten, durchgehenden vorderen Kante und einem offenen, nicht befestigten, hinteren Abschnitt haben. Die Rohlings-Anordnung 10 hat eine obere Fläche 12 und eine untere Fläche 14, wobei jede Kantenteile 16 hat. Bezugsziffer 18 kennzeichnet die vordere, umgebogene Kante, an der die obere Fläche 12 und die untere Fläche 14 verbunden sind. Der Kantenteil einer Fläche besteht aus allen Umfangskanten der Fläche, außer der umgebogenen Kante (z. B. außer der umgebogenen Kante 18). Damit würde für eine rechteckige Platte, die zur Hälfte in Längsrichtung umgebogen ist, der Kantenteil aus den drei Kanten bestehen, die nicht die umgebogenen Kanten sind.
  • Mit Bezug auf 3 ist eine Einrichtung vorgesehen, die Formungsgase in das Innere der Rohlings-Anordnung 10 richtet. Die Einrichtung beinhaltet ein Gas-Einlassrohr 50, von dem ein Teil zwischen der oberen Fläche 12 und der unteren Fläche 14 der Rohlings-Anordnung 10 angeordnet ist, um eine Fluid-Verbindung zwischen der Quelle des unter Druck stehenden Gases (nicht dargestellt) und dem Inneren der Rohlings-Anordnung 10 bereitzustellen. Während des superplastischen Formungsschritts wird an das Innere der Rohlings-Anordnung 10 Gasdruck angelegt.
  • Mit Bezug jetzt auf 4 und 5 wird die Rohlings-Anordnung 10 mit dem angebrachten Gas-Einlassrohr in einer Einschluss-Hohlform 20, wie einem Formungswerkzeug oder einer anderen einschränkenden Konstruktion angeordnet. Die Einschluss-Hohlform 20 definiert einen Hohlraum 22, der so gestaltet ist, dass er mit der gewünschten, endgültigen Entwurfsform der hohlen Tragflächenkonstruktion übereinstimmt. Zum Beispiel kann die vorgegebene Form eine Verbundkrümmung haben und kann zum Beispiel die vorgegebene Form einer vorderen Kante eines Flugzeug-Tragflügels definieren. Die Größe und die Form des sich daraus ergebenden Konstruktionselements sind durch die Abmessungen der Einschluss-Hohlform 20 und dem verwendeten Platten-Rohmaterial beschränkt.
  • Die Einschluss-Hohlform 20 hat vorzugsweise ein oberes Teilstück 24 und ein unteres Teilstück 26, die unter einer Kraft, wie zum Beispiel einer Hydraulikpresse zusammengebracht werden können. Die Innenflächen des oberen Teilstücks 24 und des unteren Teilstücks 26 der Einschluss-Hohlform 20 können einfach oder kompliziert und können gleich oder unterschiedlich sein. Die sich ergebende Konstruktionskomponente kann eine beliebige, einfache oder komplizierte Gestaltung haben, die durch superplastisches Formen in zwei entgegengesetzte Richtungen mittels einer einzelnen Einschluss-Hohlform geformt werden können.
  • Die Einschluss-Hohlform 20 enthält eine Sperr-Wulst- und Dichtungsnut-Konstruktion, die fast den gesamten Umfang der Einschluss-Hohlform durchzieht, wie unten erörtert wird. Diese Konstruktion unterstützt das Aufrechterhalten einer gasdichten Abdichtung, wenn die Einschluss-Hohlform 20 geschlossen ist. Die Sperr- und Dichtungsnut-Konstruktion umfasst einen Sperr-Wulst 28 in einem Teilstück 24 der Einschluss-Hohlform 20 und eine ausgerichtete, dazu passende Dichtungsnut 30 im anderen Teilstück 26. Jedes Teilstück der Hohlform kann den Wulst oder die Nut haben. Wenn die Einschluss-Hohlform 20 mit der Rohlings-Anordnung 10 am Platz geschlossen ist, erstreckt sich der Sperr-Wulst 28 in die Dichtungsnut 30 und stimmt mit ihr überein, wodurch die obere Fläche 12 und die untere Fläche 14 der Rohlings-Anordnung 10 gemeinsam abgedichtet werden, ohne die Notwendigkeit des Schweißens, des Diffusionsverbindens oder anderer Verbindungsverfahren. Der Sperr-Wulst 28 und die Dichtungsnut 30 können eine beliebige Größe und Form haben, solange eine gasdichte Abdichtung gebildet wird, wenn die obere und untere Hohlform geschlossen sind. Typischerweise wird der Wulst 28 einen rechteckigen Querschnitt von annähernd 0,004 Zoll (0,01 cm) in der Höhe und 0,30 Zoll (0,76 cm) in der Breite haben. Der Wulst kann außerdem zwei parallele Wulste umfassen oder U- oder W-förmig sein.
  • Die Einschluss-Hohlform 20 kann außerdem Einrichtstifte 23 und entsprechende, damit übereinstimmende Schlitze 25 enthalten, um das Ausrichten des oberen Teilstücks 24 und des unteren Teilstücks 26 der Einschluss-Hohlform 20 während des Schließens zu unterstützen. Die Einrichtstifte 23 sind vorzugsweise annähernd ¼ Zoll (0,63 cm) hoch und befinden sich entweder im oberen Teilstück 24 oder im unteren Teilstück 26 der Einschluss-Hohlform 20. Die passenden Schlitze 25 sind in dem entsprechenden Hohlform-Teilstück angeordnet und sind geformt, um die Einrichtstifte 23 beim Schließen der Hohlform aufzunehmen.
  • Die Einschluss-Hohlform sollte groß genug sein, um den Teil der Rohlings-Anordnung 10 zu halten, der superplastisch verformt wird, um die endgültige Konstruktion zu formen. Wünschenswerterweise wird die Rohlings-Anordnung 10 groß genug sein, so dass sich die Kantenteile 16 der oberen Fläche 12 und der unteren Fläche 14 zum Umfang der Teilstücke über den Wulst und die Nut der Abdichtung hinaus erstrecken. Damit erstreckt sich, wenn die Einschluss-Hohlform 20 geschlossen ist (d. h. die oberen und unteren Teilstücke werden zusammengebracht), der Sperr-Wulst 28 in die Dichtungsnut 30, wobei die Kantenteile 16 von jeder Fläche der Rohlings-Anordnung 10 zwischen dem Sperr-Wulst und der Dichtungsnut eingeschlossen werden, wodurch die jeweiligen Kantenteile 16 der Rohlings-Anordnung 10 in einer festen Beziehung gehalten und gemeinsam abgedichtet werden. Damit wird die Konstruktion fluid-dicht an allen Seiten geschlossen (außer für das Gas-Einlassrohr) und kann unter Druck stehendes Gas enthalten und damit gezwungen sein, sich durch das unter Druck stehende Gas auszudehnen.
  • In 5 hat das untere Teilstück 26 der Einschluss-Hohlform 20 eine Aussparung 40, um das Gas-Einlassrohr anzuordnen, zu halten und festzuhalten, das sich in Fluid-Verbindung mit dem inneren Teil der Rohlings-Anordnung befindet. Das obere Teilstück 24 der Hohlform 20 hat eine spiegelbildliche Aussparung. Alternativ kann die Aussparung 40 in nur einem Teilstück (entweder dem oberen Teilstück 24 oder dem unteren Teilstück 26) der Einschluss-Hohlform 20 angeordnet sein. Ungeachtet dessen, wo die Aussparung oder die Aussparungen angeordnet sind, muss eine fluid-dichte Abdichtung gebildet werden, wenn die Hohlform geschlossen ist. Das Gas-Einlassrohr sollte mit den Aussparungen 40 des oberen Teilstücks 24 und des unteren Teilstücks 26 der Einschluss-Hohlform 20 ausgerichtet sein, so dass, wenn die Einschluss-Hohlform 20 geschlossen ist, sich der innere Teil der Rohlings-Anordnung 10 in Fluid-Verbindung mit der Quelle des unter Druck stehenden Gases befinden kann, um während des superplastischen Formens angewendet zu werden.
  • 6 zeigt ein bevorzugtes Gas-Einlassrohr 50. Das Gas-Einlassrohr 50 wird vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das sich vom Plattenmaterial unterscheidet, wodurch geholfen wird, das Diffusionsverbinden des Gas-Einlassrohrs 50 mit der Rohlings-Anordnung 10 während des superplastischen Formens zu verhindern. So kann das Rohr 50 eine Legierung aus rostfreiem Stahl sein, wenn das Plattenmaterial Titan ist.
  • Das Gas-Einlassrohr 50 hat ein längliches Zylinder-Element 52, das ausgelegt ist, um sich teilweise in das Innere der Rohlings-Anordnung 10 zu erstrecken. Das Zylinder-Element 52 enthält eine innere Bohrung 51, die entlang seiner gesamten Länge ausgebildet ist, um das Formungsgas von der externen Quelle des unter Druck stehenden Gases (nicht dargestellt) in das Innere der Rohlings-Anordnung 10 zu leiten. Der Durchmesser der inneren Bohrung 51 ist so bemessen, dass während des superplastischen Formungsschritts eine ausreichende Gasströmung von der externen Quelle ermöglicht wird.
  • Das wieder verwendbare Gas-Einlassrohr 50 enthält am Zylinder 52 Dichtungsstege 54. Wenn sich die Einschluss-Hohlform 20 schließt, vorformt sich ein Teil des Kantenteils 16 der oberen Fläche 12 und ein Teil des Kantenteils 16 der unteren Fläche 14 der Rohlings-Anordnung 10 um den Zylinder 52 und die Dichtungsstege 54 herum, wodurch eine gasdichte Abdichtung zwischen der Außenseite des Rohrs 50 und der Rohlings-Anordnung 10 gebildet wird. Zur gleichen Zeit wird eine gasdichte Abdichtung zwischen der Außenseite der Rohlings-Anordnung 10 und der Einschluss-Hohlform 20 gebildet.
  • Das Gas-Einlassrohr 50 enthält außerdem einen Führungs-/Festhaltering 56, um zu helfen, das Rohr 50 während des superplastischen Formungsschritts in Position zu halten. Nach dem Platzieren des Gas-Einlassrohrs 50 in der Rohlings-Anordnung 10, dem Platzieren der Rohlings-Anordnung 10 in der Einschluss-Hohlform 20 und dem Schließen der Hohlform, stimmt der Führungs-/Festhaltering 56 mit der (den) entsprechenden Aussparungen) 40 der Einschluss-Hohlform 20 überein und liegt genau außerhalb der Kantenteile 16 der Rohlings-Anordnung 10 (siehe 7). Der Führungs-/Festhaltering 56 wird an den Zylinder 52 angeschweißt oder in ihn hinein gearbeitet und ist so bemessen, dass er das Gas-Einlassrohr 50 innerhalb der Rohlings-Anordnung 10 während des superplastischen Formungsschritts fest zurückhält.
  • Das Gas-Einlassrohr 50 umfasst außerdem einen Verbindungsanschluss 58, der am äußeren Ende des Einassrohrs 50 befestigt ist, um eine zweckmäßige Verbindung zur Formungsgas-Quelle bereitzustellen. Vorzugsweise wird das Anschlussstück 58 an das Gas-Einlassrohr 50 angeschweißt, oder, weniger bevorzugt, kann das An schlussstück 58 am Rest des Rohrs durch einen Druckanschluss befestigt werden oder es wird einstückig in das Gas-Einlassrohr 50 gearbeitet.
  • Das Gas-Einlassrohr 50 wird zwischen der oberen Fläche 12 und der unteren Fläche 14 der Rohlings-Anordnung 10 eingebaut, so dass es mit den Aussparungen 40 der Einschluss-Hohlform 20 ausgerichtet sein wird, wenn die Rohlings-Anordnung 10 in der Hohlform 20 positioniert wurde. Für das Gas-Einlassrohr 50 ist keine spezielle Vorbereitung der Rohlings-Anordnung 10 erforderlich. Vielmehr sind alle erforderlichen Merkmale in der Einschluss-Hohlform 20 und dem wieder verwendbaren Gas-Einlassrohr 50 vorhanden.
  • Gemäß 5 ist die Aussparung 40 so geformt, dass sie mit dem Gas-Einlassrohr 50 übereinstimmt und erstreckt sich von der Außenkante der Einschluss-Hohlform 20 in den Hohlraum 22. Die Aussparung 40 enthält den Kanal 42, der so ausgelegt ist, dass er mit dem Festhaltering 56 übereinstimmt.
  • Die Rohlings-Anordnung 10 mit dem eingebauten Gas-Einlassrohr 50 wird im unteren Teilstück 26 der Einschluss-Hohlform 20 angeordnet, wie in 7 veranschaulicht ist (welche nicht maßstabsgerecht ist – zum Beispiel ist die Größe des Rohrs 50 der Klarheit halber übertrieben dargestellt). Die Rohlings-Anordnung 10 wird in der Hohlform 20 angeordnet, so dass wenigstens etwas vom Kantenteil 16 der oberen Fläche und der unteren Fläche außerhalb des Hohlraums 22 und vorzugsweise außerhalb des Wulstes 28 und der Nut 30 liegt, wobei der Führungs-/Festhaltering 56 außerhalb des Wulstes 38 und der Nut 30, aber innerhalb der Hohlform 20 liegt. Der Ring 56 ist vorzugsweise so positioniert, dass er angrenzend an der Kante des hinteren Kantenteils 16 liegt. Die Bereiche des Kantenteils 16, die außerhalb des Hohlraums 22 liegen, ermöglichen es, dass die Kantenteile 16 fest abgedichtet sind, wenn die Hohlform 20 geschlossen ist, wie unten beschrieben ist.
  • Während des Schließens der Einschluss-Hohlform 20 durch Ausüben einer Klemmkraft, zum Beispiel mittels einer Hydraulikpresse, stimmt der Führungs-/Festhaltering 56 mit dem entsprechenden Teil der Aussparung 40 der Einschluss-Hohlform 20 (d. h. Kanal 42) überein, um das Gas-Einlassrohr 50 in Position zu führen und zu halten. Der anhaltende Klemmdruck (z. B. von der Hydraulikpresse) auf die oberen und unteren Hälften der Einschluss-Hohlform 20 bewirkt, dass die Dichtungsstege 54 des Rohrs 50, die Nut 30 und der Wulst 28 die Rohlings-Anordnung 10 verformen, wobei damit eine gasdichte Abdichtung zwischen dem Gas-Einlassrohr 50 und den angrenzenden Kantenteilen 16 der Rohlings-Anordnung 10 (so dass durch das Rohr strömende Gas nicht um seinen äußeren Umfang ausströmt) und eine gasdichte Abdichtung zwischen der oberen Fläche 12 und der unteren Fläche 14 der Rohlings-Anordnung 10 (die drei Kantenteile 16 werden durch Wulst 28 und Nut 30 verformt und abgedichtet) gebildet wird, die nun als Paket-Baugruppe 60 bezeichnet wird. Die gasdichte Abdichtung zwischen dem Gas-Einlassrohr 50 und den Kantenteilen 16 der Paket-Baugruppe 60 und die gasdichte Abdichtung zwischen der oberen Fläche 12 und der unteren Fläche 14, die durch das Schließen der Einschluss-Hohlform 20 erzeugt werden, ist zeitweilig. Nach dem superplastischen Formungsschritt wird die Hohlform 20 geöffnet, wobei der Klemmdruck entfernt wird, wodurch die gasdichte Abdichtung zwischen dem Gas-Einlassrohr 50 und den Kantenteilen 16 der Paket-Baugruppe 60 und die gasdichte Abdichtung zwischen der oberen Fläche 12 und der unteren Fläche 14 aufgehoben wird. Die Fähigkeit, eine zeitweise gasdichte Abdichtung zu bilden, beseitigt die Notwendigkeit des Schweißens oder Diffusionsverbindens des Umfangs der Rohlings-Anordnung 10 oder Paket-Baugruppe 60 vor dem superplastischen Formungsschritt und beseitigt die Notwendigkeit, das geschweißte Teil von der superplastisch geformten Konstruktion abzuschneiden.
  • Nachdem die Einschluss-Hohlform 20 vollständig geschlossen wurde und die gasdichten Abdichtungen gebildet wurden, ist die Paket-Baugruppe 60 bereit, superplastisch geformt zu werden. Um das auszuführen, wird ein Druckunterschied zwischen den inneren und äußeren Teilen der Paket-Baugruppe 60 erzeugt, während sie erwärmt wird. Der Druckunterschied wird durch das Einspeisen eines Fluids, wie einem Formungsgas (z. B. Argon, Stickstoff, Pressluft oder anderer geeigneter Gase) durch das Gas-Einlassrohr 50 erzeugt, wobei dadurch der Fluiddruck im inneren Teil der Paket-Baugruppe 60 erhöht wird. Zusammenwirkend mit der Errichtung eines Druckunterschieds zwischen dem inneren und dem äußeren Teil der Paket-Baugruppe 60 wird die Paket-Baugruppe 60 auf eine Temperatur im superplastischen Temperaturbereich des Materials erwärmt. Das Erwärmen kann auch beginnen, bevor der Druckunterschied erzeugt wird. In Folge dessen dehnt sich die Paket-Baugruppe 60 superplastisch aus und füllt dadurch den Hohlraum 22 der Einschluss-Hohlform 20 aus. Mit anderen Worten, die Paket-Baugruppe 60 wird auf die durch den Hohlraum 22 definierte, vorgegebene Form superplastisch verformt.
  • Superplastische Formungsbedingungen (Zeit, Temperatur, Druck usw.) sind in der Technik bekannt, wobei beliebige, geeignete superplastischen Formungsbedingungen im Verfahren dieser Erfindung angewendet werden können. Im Allgemeinen wird der superplastische Schritt vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von annähernd 1500°F (815°C) bis 1800°F (982°C) ausgeführt. Der Druckunterschied wird bei einer Geschwindigkeit (Anstiegsgeschwindigkeit) von vorzugsweise zwischen 0,10 psi (0,6895 kPa) pro Minute und 100 psi (689,5 kPa) pro Minute erhöht. Der Druck wird auf einen Maximaldruck im Bereich von 0,1 psi bis 100 psi, vorzugsweise im Bereich von etwa 10 psi bis etwa 100 psi (68,59 bis 689,5 kPa) angehoben. Der Druck wird aufrechterhalten, bis das Formen abgeschlossen ist. Der optimale Druckbereich und die Dehnungsgeschwindigkeit hängen vom Material, seiner Dicke und der Anordnung der Komponenten ab.
  • Die oben beschriebenen Zeit-, Temperatur- und Druckbedingungen zum superplastischen Formen können sich verändern, solange sie in geeigneten Bereichen aufrechterhalten werden, d. h. in Bereichen, in denen die Bedingungen ausreichend sein würden, um ein superplastisches Formen für die eine oder mehreren Platten des verwendeten Materials und der Hohlform zu bewirken.
  • Sobald die Paket-Baugruppe 60 superplastisch in eine vorgegebene Form (gemäß 8) geformt (ausgedehnt) wurde, wird der Druckunterschied beseitigt (z. B. wird der Druck der Paket-Baugruppe abgelassen), die Einschluss-Hohlform 20 wird geöffnet, das wieder verwendbare Gas-Einlassrohr 50 wird von der Paket-Baugruppe 60 entfernt und die geformte Baugruppe wird von der Hohlform 20 entfernt. Die geformte Baugruppe kann dann entsprechend gereinigt und bearbeitet werden, um die endgültige Konstruktion (z. B. eine Tragflächenkonstruktion) zu bilden. Das Gas-Einlassrohr 50 kann beim nächsten Zyklus wieder verwendet werden.
  • 9 zeigt eine Konstruktion 62 mit einer vorgegebenen Form, wie einem Flugzeug-Tragflügel, der im Allgemeinen hohl ist und eine Verbundkrümmung aufweist, die durch dieses Verfahren gebildet wurde. Die durch dieses Verfahren gebildete Konstruktionskomponente (Tragflächenkonstruktion) hat unter anderem eine relativ glatte Außenfläche, die ihre konstruktive Integrität und das aerodynamische Leistungsverhalten verbessert.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine durch das Verfahren dieser Erfindung hergestellte Tragflächenkonstruktion, wie in 12 veranschaulicht ist, eine innere Kern-Baugruppe 70 enthalten, um die relative Festigkeit der Tragflächenkonstruktion zu erhöhen. Die Kern-Baugruppe 70 ist in einer Haut-Baugruppe 72 angeordnet und ist vorzugsweise daran angeheftet.
  • Sowohl die Haut-Baugruppe 72 als auch die Kern-Baugruppe 70 können durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung geformt werden. Damit können die Haut-Baugruppe 72 und die Kern-Baugruppe 70 aus einer einigen Materialplatte geformt werden, die in zwei Platten getrennt wird, von denen dann jede in die zwei Rohlings-Anordnungen geformt wird, die in die Hohlräume der gleichen Hohlform oder in zwei getrennte Hohlräume platziert und superplastisch geformt werden.
  • Dieses Verfahren der Erfindung umfasst die Schritte des Formens von zwei anfänglichen Rohlings-Anordnungen, wobei jede eine obere und eine untere Fläche hat. Jede dieser Rohlings-Anordnungen wird dann in einer Einschluss-Hohlform angeordnet. 10 zeigt eine Einschluss-Hohlform 74, in der der superplastische Formungsschritt ausgeführt werden kann. Die Hohlform 74 hat zwei getrennte Hohlräume 22a und 22b, einen für die Haut-Rohlings-Anordnung 76 und einen für die Kern-Rohlings-Anordnung 78. Mit so einer Hohlform mit Doppel-Hohlräumen können die Baugruppen gleichzeitig geformt werden. Alternativ können zwei getrennte Hohlformen verwendet werden.
  • Zwischen die obere und untere Fläche von jeder Rohlings-Anordnung wird ein Einlassrohr (vorzugsweise wieder verwendbar), wie das in 6 gezeigte (oder mit einer beliebigen anderen, geeigneten Gestaltung) eingeführt, um einen Anschluss in Fluid-Verbindung mit dem Inneren zu definierten, wobei die zwei Rohlings-Anordnungen, jeweils mit einem angebrachten Einlassrohr, gemäß 10 in der Hohlform positioniert werden. Auf die Einschluss-Hohlform 74 wird eine Kraft ausgeübt, um die wieder verwendbaren Einlassrohre zwischen den jeweiligen oberen Flächen und unteren Flächen der Rohlings-Anordnungen einzuklemmen, so dass eine Haut-Paket-Baugruppe 72 und eine Kern-Paket-Baugruppe 70 gebildet werden. Auf die Paket-Baugruppen werden Druckunterschiede (zwischen Innen und Außen) unter superplastischen Formungsbedingungen ausgeübt, so dass sich die Haut-Paket-Baugruppe 72 und die Kern-Paket-Baugruppe 70 superplastisch ausdehnen, um gemäß 11 die Hohlräume auszufüllen. Sobald sich die Paket-Baugruppen genügend superplastisch ausgedehnt haben, wird der Druck gelöst, die Einschluss-Hohlform 74 wird geöffnet, die wieder verwendbaren Einlassrohre werden entfernt und für die Verwendung während des nächsten Fertigungszyklus aufgehoben, wobei die ausgedehnten Konstruktionen von der Einschluss-Hohlform entfernt und durch Abgraten des überschüssigen Materials nachbearbeitet werden. Die endgültige Tragflächenkonstruktion wird durch das Einführen der Kern-Baugruppe 70 in die Haut-Baugruppe 72 gebildet, wie in 12 veranschaulicht ist. Die innere Kern-Baugruppe kann dann mit der äußeren Haut-Baugruppe mittels herkömmlicher Verfahren, wie Schweißen, Adhäsionskleben oder mechanischen Befestigungen zusammengefügt werden.
  • Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet die Fähigkeit, gleichzeitig die zwei Hauptteile einer Tragflächenkonstruktion zu erzeugen. Die gleichzeitige Herstellung verringert die Gesamt-Produktionszeit. Das Einfügen des inneren Kerns in die Haut erzeugt eine stabilere und steifere Endkonstruktion.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in erheblichem Detail in Bezug auf bestimmte bevorzugte Varianten davon beschrieben wurde, sind andere Varianten möglich, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Das Verfahren dieser Erfindung kann zum Beispiel verwendet werden, um Konstruktionen für den Gebrauch außerhalb des Gebiets der Luftfahrt zu bilden, z. B. Konstruktionen für die Verwendung in Booten, Kraftfahrzeugen, Gebäuden, Möbeln, Eisenbahnwaggons, Klinik-Ausrüstungen, Architektur-Täfelungen oder beliebigen anderen Anwendungen, die eine geschlossene Metallform erfordern.

Claims (29)

  1. Verfahren zum Formen einer Hohlkonstruktion mit einer kontinuierlichen ersten Kante und einer vorgegebenen Form von einer Rohlings-Anordnung (10) mit einer kontinuierlichen ersten Kante, einer oberen Fläche (12) und einer unteren Fläche (14), wobei die obere Fläche und die untere Fläche jeweils ein offenes Kantenteil haben, wobei die Rohlings-Anordnung aus einem Material besteht, das unter superplastischen Formungsbedingungen in die vorgegebene Form geformt werden kann, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Anordnen der Rohlings-Anordnung in einer Einschluss-Hohlform (20) mit einem ersten Teilstück und einem zweiten Teilstück, die gemeinsam einen Hohlraum (22) mit der im Wesentlichen vorgegebenen Form definieren; (b) Ausüben einer Schließkraft auf die zwei Teilstücke der Einschluss-Hohlform, um die zwei Hohlform-Teilstücke zusammenzuzwängen, um die Kantenteile der Rohlings-Anordnung dazwischen einzuschließen und die Kantenteile fest gegeneinander zu halten, um diese Kantenteile zeitweise gemeinsam abzudichten, um die Rohlings-Anordnung im Wesentlichen gasdicht zu machen, wobei die im Wesentlichen gasdichte Rohlings-Anordnung eine Paket-Baugruppe mit einer Innenseite und einer Außenseite bildet; und (c) Erhöhen des Drucks innerhalb der Paket-Baugruppe in Bezug auf den Druck außerhalb der Paket-Baugruppe unter superplastischen Formungsbedingungen, so dass sich wenigstens ein gewisser Teil der Paket-Baugruppe superplastisch ausdehnt, um dem Hohlraum der Einschluss-Hohlform zu entsprechen, und dadurch eine Hohlkonstruktion mit der vorgegebenen Form bildet; wobei – das Verfahren ferner das Positionieren eines Fluid-Einlassrohrs (50) zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche der Rohlings-Anordnung umfasst, so dass es vor Schritt (c) einen Fluid-Einlassanschluss in Fluid-Verbindung mit dem Inneren der Paket Baugruppe gibt; gekennzeichnet dadurch, dass – wenigstens ein Teilstück der Einschluss-Hohlform ferner eine Aussparung (40) umfasst, um das Fluid-Einlassrohr aufzunehmen und festzuhalten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) das Einführen von unter Druck stehendem Gas in die Paket-Baugruppe umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Gas von der Gruppe ausgewählt wird, die aus Argon, Stickstoff und komprimierter Luft besteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei Schritt (c) das Einführen von unter Druck stehendem Gas in die Paket-Baugruppe durch das Fluid-Einlassrohr umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der Schritt des Positionierens dem Schritt (a) vorausgeht.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem der Schritt des Positionierens dem Schritt (a) folgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid-Einlassrohr einen Festhaltering (56) umfasst, der der Aussparung (40) in dem wenigstens einem Teilstück der Einschluss-Hohlform entspricht und mit ihr zusammenpasst, wenn die zwei Hohlraum-Teilstücke zusammengezwängt werden, um zu helfen, das Fluid-Einlassrohr in der richtigen Position zu halten.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Fluid-Einlassrohr ferner Dichtungsstege (54) umfasst, um einen Teil der Rohlings-Anordnung zu verformen, wenn die zwei Hohlform-Teilstücke zusammengezwängt werden, um zu helfen, eine gasdichte Abdichtung um den Umfang des Fluid-Einlassrohrs zu bilden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (c) das Erwärmen der Paket-Baugruppe einschließt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (c) das Aufrechterhalten der Paket-Baugruppe bei einer Temperatur von 815°C bis 982°C einschließt.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (c) das Erhöhen des Drucks innerhalb der Paket-Baugruppe auf eine Rate von 690 Pa bis 690000 Pa (0,10 psi bis 100 psi) pro Minute bis zu einem Maximaldruck im Bereich von 69000 Pa bis 690000 Pa (10 psi bis 100 psi) umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Einschluss-Hohlform eine Dichtungseinrichtung umfasst, um zu helfen, eine gasdichte Abdichtung in der Rohlings-Anordnung aufrechtzuerhalten, wenn die Schließkraft ausgeübt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Dichtungseinrichtung einen Wulst auf einem Hohlform-Teilstück und eine entsprechende Gegen-Nut auf dem anderen Hohlform-Teilstück umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Wulst und die Nut die Kantenteile der Rohlings-Anordnung verformen, wenn die Schließkraft auf die zwei Teilstücke der Einschluss-Hohlform ausgeübt wird, um dadurch zu helfen, die Rohlings-Anordnung im Wesentlichen gasdicht zu machen.
  15. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, das ferner das Öffnen der Hohlform durch Auseinanderbewegen der Hohlform-Teilstücke und das Entfernen der geformten Hohlkonstruktion mit der vorgegebenen Form umfasst, wobei an der Kon struktion die beiden Kantenteilen befestigt sind, die sich nicht in den ersten Hohlraum superplastisch ausgedehnt haben.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, das ferner den Schritt des Entfernens von wenigstens einigem der zwei Kantenteile von der geformten Hohlkonstruktion umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Einschluss-Hohlform ferner einen zweiten Hohlraum mit im Wesentlichen einer zweiten vorgegebenen Form umfasst, wobei das Verfahren ferner das Anordnen einer zweiten Rohlings-Anordnung in der Einschluss-Hohlform in unmittelbarer Nähe des zweiten Hohlraums umfasst, wobei die zweite Rohlings-Anordnung eine kontinuierliche erste Kante, eine obere Fläche und eine untere Fläche hat, wobei die obere Fläche und die untere Fläche jeweils ein offenes Kantenteil haben.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Ausübens der Schließkraft auf die zwei Teilstücke der Einschluss-Hohlform, um die zwei Teilstücke zusammenzuzwängen, die Kantenteile der zweiten Rohlings-Anordnung dazwischen einschließt und diese Kantenteile fest gegeneinander hält, um diese Kantenteile zeitweise gemeinsam abzudichten, um die zweite Rohlings-Anordnung im Wesentlichen gasdicht zu machen, wobei die im Wesentlichen gasdichte, zweite Rohlings-Anordnung eine zweite Paket-Baugruppe mit einer Innenseite und einer Außenseite bildet.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt des Erhöhens des Drucks innerhalb der Paket Baugruppe gleichzeitig den Druck innerhalb der zweiten Paket-Baugruppe in Bezug auf den Druck außerhalb der zweiten Paket-Baugruppe unter superplastischen Formungsbedingungen erhöht, so dass sich wenigstens ein gewisser Teil der zweiten Paket-Baugruppe superplastisch ausdehnt, um dem zweiten Hohlraum der Einschluss-Hohlform zu entsprechen, und dadurch eine Kernkonstruktion mit der zweiten vorgegebenen Form bildet.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, das ferner das Einführen der Kernkonstruktion in die Hohlkonstruktion und das Zusammenfügen der Kernkonstruktion mit der Hohlkonstruktion umfasst.
  21. Verfahren zum Bilden einer Hohlkonstruktion mit einer kontinuierlichen ersten Kante und einer vorgegebenen Form von einer Platte, die unter superplastischen Bedingungen in die vorgegebene Form geformt werden kann, wobei das Verfahren umfasst: – Formen der Platte in eine Rohlings-Anordnung mit einer kontinuierlichen ersten Kante, einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, wobei die obere Fläche und die untere Fläche jeweils ein offenes Kantenteil haben; und – ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Bilden der Hohlkonstruktion von der Rohlings-Anordnung.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt des Formens der Platte in eine Rohlings-Anordnung das Rollformen der Platte umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt des Formens der Platte in eine Rohlings-Anordnung das Bremsformen der Platte umfasst.
  24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hohlkonstruktion eine Tragfläche ist.
  25. Vorrichtung zum Formen einer Hohlkonstruktion mit einer kontinuierlichen ersten Kante und einer vorgegebenen Form von einer Rohlings-Anordnung (10) mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, wobei die obere Fläche und die untere Fläche jeweils ein offenes Kantenteil haben, wobei die Rohlings-Anordnung aus einem Material besteht, das unter superplastischen Formungsbedingungen in die vorgegebene Form geformt werden kann, wobei die Vorrichtung umfasst: a. ein Fluid-Einlassrohr (50), das angepasst ist, um zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche der Rohlings-Anordnung positioniert zu werden; und b. eine Einschluss-Hohlform (20) mit: (1) einem ersten Teilstück und einem zweiten Teilstück, die gemeinsam einen ersten Hohlraum mit im Wesentlichen der vorgegebenen Form definieren, wobei das erste Teilstück und das zweite Teilstück angepasst sind, unter Druck zusammengezwängt zu werden, um die Kantenteile der Rohlings-Anordnung dazwischen einzuschließen und die Kantenteile fest gegeneinander zu halten, um diese Kantenteile zeitweise gemeinsam abzudichten, um die Rohlings-Anordnung im Wesentlichen gasdicht zu machen; gekennzeichnet dadurch, dass die Einschluss-Hohlform ferner umfasst: (2) eine Aussparung (40), die in wenigstens einem Teilstück der Einschluss-Hohlform angeordnet ist, um das Fluid-Einlassrohr aufzunehmen und festzuhalten; und (3) eine Dichtungseinrichtung, um zu helfen, eine gasdichte Abdichtung in der Rohlings-Anordnung aufrechtzuerhalten.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Fluid-Einlassrohr einen Festhaltering (56) umfasst, der der Aussparung (40) in dem wenigstens einem Teilstück der Einschluss-Hohlform entspricht und mit ihr zusammenpasst, wenn die zwei Hohlform-Teilstücke zusammengezwängt werden, um zu helfen, das Fluid-Einlassrohr in der richtigen Stellung zu halten.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Fluid-Einlassrohr ferner Dichtungsstege (54) umfasst, um einen Teil der Rohlings-Anordnung zu verformen, wenn die zwei Hohlform-Teilstücke zusammengezwängt werden, um eine gasdichte Abdichtung zwischen dem Umfang des Fluid-Einlassrohrs und der Rohlings-Anordnung zu bilden.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Dichtungseinrichtung einen Wulst auf einem Hohlform-Teilstück und eine entsprechende Gegen-Nut auf dem anderen Hohlform-Teilstück umfasst.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 26, die angepasst ist, gleichzeitig die Hohlkonstruktion und eine zweite Konstruktion mit einer zweiten vorgegebenen Form von einer zweiten Rohlings-Anordnung mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche zu formen, wobei die obere Fläche und die untere Fläche jeweils ein offenes Kantenteil haben, wobei die zweite Rohlings-Anordnung aus einem Material besteht, das unter superplastischen Formungsbedingungen in die zweite vorgegebene Form geformt werden kann, wobei die Vorrichtung ferner umfasst: a. ein zweites Fluid-Einlassrohr, das angepasst ist, um zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche der zweiten Rohlings-Anordnung positioniert zu werden; b. einen zweiten Hohlraum, der durch das erste Teilstück und das zweite Teilstück der Einschluss-Hohlform definiert wird, wobei der zweite Hohlraum im Wesentlichen die zweite vorgegebene Form hat, so dass, wenn das erste Teilstück und das zweite Teilstück unter Druck zusammengezwängt werden, das erste Teilstück und das zweite Teilstück gleichzeitig die Kantenteile der zweiten Rohlings-Anordnung dazwischen einschließen und diese Kantenteile fest gegeneinander halten, um diese Kantenteile zeitweise gemeinsam abzudichten, um die zweite Rohlings-Anordnung im Wesentlichen gasdicht zu machen; und c. eine zweite Aussparung, die in wenigstens einem Teilstück der Einschluss-Hohlform angeordnet ist, um das zweite Fluid-Einlassrohr aufzunehmen und festzuhalten.
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