DE69818330T2

DE69818330T2 - Verfahren zur Streckformung von Metallhohlkörpern

Info

Publication number: DE69818330T2
Application number: DE69818330T
Authority: DE
Inventors: Blair T. Alcoa Center Allison; Thomas J. Southfield van Sumeren; Robert P. Alcoa Center Evert; John S. Alcoa Center Schultz
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: EP0865841B1; DE69818330D1; JPH10296367A; US5737953A; EP0865841A3; EP0865841A2; JP4307585B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen eines langgestreckten Metallhohlkörpers, bei dem es sich vorzugsweise um ein Aluminiumlegierung-Strangpressstück handelt. Geformte Strangpressstücke, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden, werden als Fahrzeugbauteile verwendet. Die WO-A-94/22611 (1 und 2) offenbart ein Verfahren in Übereinstimmung mit der Präambel von Anspruch 1.
Aluminiumlegierung-Strangpressstücke sind seit langem als Bauteile von Fahrzeugen verwendet worden, einschließlich Automobile, Lastkraftwagen, Schifte und Flugzeuge. Derartige Strangpressstücke werden im typischen Fall mit Hilfe eines Verfahrens erzeugt, bei dem ein erhitzter Gussblock oder Walzblock unter Druck durch eine Formöffnung gedrückt wird um einen langgestreckten Körper zu formen, wie beispielsweise ein Kanal-, Rohr- oder Winkelprofil. Das stranggepresste Produkt wird im Allgemeinen durch eine Formöffnung mit Kräften im Bereich von 4.448 × 10⁶ N bis 1.334 × 10⁸ N (500 bis 15.000 ton) gedrückt. Das Strangpressstück tritt aus der Form bei erhöhten Temperaturen in der Größenordnung von 149° bis 649°C (300° bis 1.200° F) aus. Das stranggepresste Produkt wird dann üblicherweise einer Lösungsglühbehandlung unterzogen und abgeschreckt. Das Produkt kann in verschiedenen Längen hergestellt werden, einschließlich Längen von mehr als 45,72 m (150 ft) und kann jede beliebige große Vielzahl von Querschnittkonfigurationen haben.
Damit sich die Strangpressstücke als Fahrzeugbauteile eignen, wie beispielsweise Dachholmen für Automobile, müssen sie zu komplizierteren Konfigurationen geformt werden. Bei einigen Verfahren bekannter Ausführung zum Formen von Aluminiumlegierung-Strangpressstücken sind Biegen, Streckformen und Streckwickelformen einbezogen. Diese Verfahren bekannter Ausführung sind in solchen Fällen ausreichend, wo der Verformungsgrad gering ist oder wo Maßtoleranzen groß sind. Allerdings gibt es noch einen Bedarf für einen verbesserten Verformungsprozess, wenn große Verformungen erforderlich sind und die Maßtoleranzen klein sind.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Gewährung eines Verfahrens zum Streckformen von Metallhohlkörpern, worin ein inkompressibles Fluidmittel im Inneren der Körper unter Druck gesetzt wird, um die Abweichungen von den Bemessungsgrenzen zu verringern.
Eine verwandte Aufgabe der Erfindung ist die Gewährung eines Verfahrens zum Streckformen von Metallhohlkörpern, worin die Körper von den angestrebten Abmessungen geringere Abweichungen haben als nach dem Stand der Technik.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden der Fachwelt anhand der folgenden Beschreibung und Ansprüche offensichtlich.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Formen langgestreckter Metallhohlkörper zu gestreckten Formen gewährt. Die Metallhohlkörper sind bevorzugt Aluminiumlegierung-Strangpressstücke.
Einige bevorzugte Aluminiumlegierungen für die Strangpressstücke der Erfindung sind: Aluminium-Kupferlegierungen der Reihe AA2000, Aluminium-Magnesium-Siliciumlegierungen der Reihe AA6000 und Aluminium-Zinklegierungen der Reihe AA7000. Strangpressstücke die bevorzugt Anwendung in der Automobil- und Flugzeugindustrie finden und die nach der vorliegenden Erfindung einem Streckformen unterzogen werden können, schließen ein, ohne auf diese beschränkt zu sein: die Aluminiumlegierungen AA2024, 6061, 60063, 6009 und 7075.
Strangpressstücke, die erfindungsgemäß geformt werden sind gestreckte Hohlkörper mit einander gegenüberliegenden Längs-Endabschnitten. Die Strangpressstücke beginnen in der Regel mit einem von einem Ende zum anderen Ende in der Regel gleichförmigen Querschnitt.
Endabschnitte der Strangpressstücke werden von den Einspannvorrichtungen einander gegenüberliegender Greifvorrichtungen gegriffen und die Strangpressstücke in einem flexiblen, einspannenden Apparat oder Werkzeug eingeschlossen, der/das mindestens einen Abschnitt des äußeren Umfanges umgibt. Vorzugsweise umgibt der einspannende Apparat weitgehend den gesamten Umfang. Ein geeigneter Apparat ist dargestellt und beschrieben in der US-P-5 349 839 (Weykamp), die hiermit einbezogen ist, soweit sie die vorliegende Erfindung betrifft. Der flexible einspannende Apparat beschränkt die Bildung von Faltungen und Ausbauchungen in dem Strangpressstück, während dieses verformt wird. Das Strangpressstück wird sodann in Längsrichtung gestreckt, indem die Endabschnitte in entgegengesetzte Richtungen gezogen werden. Auf den Greifvorrichtungen wird eine ausreichende Kraft ausgeübt, um die Streckgrenze zu überschreiben, so dass die Dehnung durch plastische Verformung eingeleitet wird.
Während das Strangpressstück in Längsrichtung gestreckt wird, wird es gleichzeitig quer zu der Richtung des Ziehens gebogen. Das Biegen wird bevorzugt ausgeführt, indem das Strangpressstück eine Zwangsbewegung gegen ein Form- oder Umformwerkzeug ausführt. Es wird eine ausreichende Kraft ausgeübt, um dem Strangpressstück eine der Formwerkzeugkontur ähnliche Kontur zu verleihen.
Mindestens eines der Endabschnitte des Strangpressstückes wird mit Hilfe eines Verschlussstopfens verschlossen. Vorzugsweise werden beide Endabschnitte verschlossen. Die Verschlussstopfen vertilgen über Öffnungen, durch die ein inkompressibles Fluid oder Fluidmittel in einen inneren Hohlraum des Strangpressstückes eingeführt und daraus entfernt werden kann. Ein bevorzugtes inkompressibles Fluid ist Wasser, vorzugsweise ein Rostschutzmittel enthaltendes Wasser, um einen Schaden an Rohrleitungen, Ventilen und Messgeräten in dem Apparat auf einem Minimum zu halten. Einige andere geeignete, inkompressible Fluids schließen Mineralöl ein, Siliconöl, Polyglykole und Mischungen von Polyglykolen mit Wasser. Kompressible Fluids, wie beispielsweise Luft sind aufgrund von Sicherheitsrisiken ungeeignet, die sie für die Bediener des Apparats bei hohen Drücken präsentieren.
Das inkompressible Fluid wird in einem inneren Hohlraum des Strangpressstückes unter Druck gesetzt, nachdem das Strangpressstück in Querrichtung gebogen ist. Das Fluid verfügt über einen ausreichenden Druck, um mindestens einen Teil des Körpers von seinem inneren Hohlraum nach außen zu biegen. In diesem Schritt verfügt das Wasser über einen Druck von etwa 0,7 bis 35 MPa (100 bis 5.000 psi) und bevorzugt etwa 0,7 bis 21 MPa (100 bis 300 psi).
Das Fluid kann auch unter Druck in den Innenraum eingeführt werden, während das Strangpressstück in Querrichtung gebogen wird. Hierbei hat das Fluid einen Anfangsdruck von weniger als etwa 0,7 MPa (100 psi) und vorzugsweise im Bereich von etwa 0 bis 0,35 MPa (0 bis 50 psi). Dieser Druck ist ausreichend, um unerwünschte Verzerrungen in dem Strangpressstück während des Querbiegens zu verringern.
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Apparates zum Formen von Metallhohlkörpern gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Aluminiumlegierung-Strangpressstückes, das erfindungsgemäß verformt worden ist.
In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden Aluminiumlegierung-Strangpressstücke einem Streckformen zu Formen unterworfen, die als Fahrzeugbauteile verwendbar sind, wie beispielsweise Dachholmen von Automobilen. Ein Apparat zum Streckformen 10 für das Ausführen des Verfahrens der Erfindung ist in 1 gezeigt.
Der Apparat 10 schließt ein Paar zueinander gegenüberliegenden Greifvorrichtungen oder Greiferanordnungen 11, 12 ein, die über Einspannvorrichtungen 13, 14 zum Greifen von Abschnitten eines Aluminiumlegierungs-Strangpressstückes 20 verfügen. Eine erste Einspannvorrichtung 13 greift einen ersten Endabschnitt 21 und eine zweite Einspannvorrichtung 14 greift einen zweiten Endabschnitt 22 des Strangpressteils 20. Die Einspannvorrichtungen 13, 14 greifen selektiv die Endabschnitte 21, 22 auf Kommando von einem Bediener (nicht gezeigt) des Apparats 10 und lassen diese so wieder los. Die Greiferanordnungen 11, 12 werden von den äußeren Enden der Kolbenstangen 25, 26 der Hydraulikzylindergruppen (nicht gezeigt) gehalten. Die Zylindergruppen halten die Greiferanordnungen 11, 12 und werden durch einstellbare Befestigungsteile (nicht gezeigt) geführt, um eine Drehbewegung in Richtung der Pfeile A, B in Bezug auf das Formwerkzeug oder Umformwerkzeug 30 zu ermöglichen. Dieses wird dadurch erreicht, dass das Gesenk in das Strangpressstück 20 hinein bewegt wird. Alternativ können die Greiferanordnungen 11, 12 in Richtung der Pfeile A, B zurückgeschwenkt werden.
Die Kolbengestänge 25, 26 kooperieren mit dem Hydraulikzylinder, um das Strangpressstück 20 in einer vorgewählten Größenordnung zu strecken. Gleichzeitig formt die Drehbewegung der Greiferanordnungen 11, 12, wie durch die Pfeile A, B gezeigt wird, das Strangpressstück 20 über das Formwerkzeug 30. Bei Teilen mit komplizierteren Formen lassen sich die Greiferanordnungen 11, 12 auch nach oben oder unten bewegen oder können verdrillt werden.
In jede Greiferanordnung 11, 12 einbezogen ist ein Stopfen oder eine Stopfenvorrichtung 31, 32, die über eine Größe und Form verfügen, mit denen ihnen das Einrücken und Abschließen eines offenen Endes 33, 34 des Strangpressstückes 20 möglich ist. Es wird eine fluiddichte Verbindung zwischen den Stopfen 31, 32 und den offenen Enden 33, 34 hergestellt und aufrecht erhalten. Einer der Stopfen 31 verfügt über eine Fluid-Einlassöffnung 37 und der andere Stopfen 32 über eine Fluid-Austrittsöffnung 38. Die Fluid-Einlassöffnung 37 ist mit einem Fluid-Zuführsystem 40 verbunden, das einem inneren Hohlraum 42 des Strangpressstückes 20 Fluid bereitstellt. Die Austrittsöffnung 38 ist mit einer Fluid-Ablassleitung 45 verbunden, um das inkompressible Fluid aus dem Innenraum 42 abzusaugen.
In das Fluid-Zuführsystem 40 ist ein Fluid-Druckbehälter 46 einbezogen, der mit einer Leitung 48 mit der Einlassöffnung 37 verbunden ist. Die Leitung legt einen Strömungsweg fest, in den ein Absperrventil 50 einbezogen ist, ein steilbares Steuerventil 52, ein Manometer 54, ein Filterbehälter 56 und ein Rückschlagventil (Rückflusssperre) 58.
Die Fluid-Ablassleitung 45 verfügt über ein automatisch betätigtes, Druckablassventil 60. Das durch die Ablassleitung 45 austretende inkompressible Fluid 45 kann zu einer Abfallbehandlungsanlage (nicht gezeigt) zur Entsorgung geschickt werden. Mehr bevorzugt wird das verwendete Fluid 65 in den Kreislauf zu dem Fluidbehälter 46 für die Wiederverwendung in dem Fluid-Zuführsystem 40 zurückgeführt.
Ein Strangpressstück 20 wird in den Apparat 10 geladen. Das Strangpressstück 20 wird bevorzugt aus einer AA 6061-Legierung mit dem Härtegrad T4 hergestellt. Das Strangpressstück wird an den gegenüberliegenden Seitenflächen eines Gesenks 30 gelegt. Die Endabschnitte 21, 22 werden von den Greifer-Einspannvorrichtungen 13, 14 fest gegriffen. Durch die Einlassöffnung 37 wird in den Innenraum 42 des Strangpressstückes 20 Wasser eingeführt. Besonders bevorzugt ist ein Fluiddruck von näherungsweise 0,07 MPa (10 psi). Nach dem Füllen wird das Fluidvolumen konstant gehalten, indem das Absperrventil 50 und das Ablassventil 60 geschlossen werden. Bevorzugt wird ein geringer Fluiddruck in der Größenordnung von näherungsweise Null bis 20 psi, so dass das Strangpressstück 20 nicht ausbeult, wenn es gestreckt und gebogen wird.
Das Strangpressstück 20 wird in Längsrichtung gestreckt, indem die Kolbengestänge 25, 26 nach außen bewegt werden. Die Kolbengestänge 25, 26 werden sodann in die Richtung der Pfeile A, B entsprechend der Darstellung in 1 gedreht, um das Strangpressstück 20 in Übereinstimmung mit dem Gesenk 30 zu biegen.
Nachdem das Strangpressstück 20 in die gewünschte Form gebogen worden ist und während das Strangpressstück 20 die Form des Gesenks 30 annimmt wird ein äußeres Werkzeug (nicht gezeigt) angrenzend an dem Strangpressstück 20 in Position gebracht und eingespannt, um die Außenseite des Strangpressstückes 20 zu halten. Das äußere Werkzeug beschränkt die Bildung von Faltungen und Ausbeulungen in dem Strangpressstück während der Verformung. Sodann wird bei der noch an den Gestängen 25, 26 anliegenden Spannung das Ventil 58 geöffnet. Es wird Wasser unter einem Druck von etwa 17,3 MPa (2.500 psi) in den inneren Hohlraum 42 eingeführt und dort für etwa 1 bis 2 s gehalten. Das Wasser 65 wird aus dem Innenraum 42 durch die Ablassleitung 45 abgelassen und die Spannung an den Endabschnitten 21, 22 freigegeben und die Greifer-Einspannvorrichtungen 13, 14 geöffnet.
In 2 ist ein geformtes Strangpressstück 80 dargestellt, das entsprechend der vorliegenden Erfindung gefertigt wurde. Das Strangpressstück 80 verfügt über einen ersten Endabschnitt 81, einen zweiten Endabschnitt 82 und einen mittleren Abschnitt 83. Der erste Endabschnitt 81 hat einen Biegeradius von etwa dem 7-fachen der Tiefe des Teils (7D-Biegung). Der zweite Endabschnitt 82 hat einen Biegeradius von etwa dem 4-fachen der Tiefe des Teils (4D-Biegung). Der mittlere Abschnitt hat einen Biegeradius von etwa dem 65-fachen der Tiefe des Teils (65D-Biegung). Nach unseren Erfahrungen mit den Biegemethoden bekannter Ausführung sind in den Endabschnitten 81, 82 aufgrund ihrer engeren Biegeradien Probleme der Maßtoleranz zu erwarten.
Wir haben die Abweichungen von den angestrebten Abmessungen an dem Strangpressstück 80 vor und nach dem inneren Unterdrucksetzen mit Wasser bei 3,5 MPa (500 psi) gemessen. Die Abweichungen von 1,7 mm und 1,8 mm wurden beide in zwei Beispielen auf 0,2 mm oder weniger verringert.
Nachdem die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden sind, gilt als selbstverständlich, dass die Erfindung im Rahmen des Geltungsbereichs der beigefügten Ansprüche auf andere Weise verkörpert werden kann.

Claims

Verfahren zum Formen eines gestreckten Metallhohlkörpers (20) zu einer gestreckten Form, wobei der Metallhohlkörper einander gegenüberliegende Längs-Endabschnitte (21, 22) hat, welches Verfahren umfasst: (a) Einspannen der Endabschnitte des Körpers mit Greifvorrichtungen (13, 14); (b) Strecken des Körpers in Längsrichtung durch Ziehen der Endabschnitte in einander entgegengesetzte Richtungen mit ausreichender Kraft, um eine Streckgrenze zu überschreiten und durch plastische Verformung eine Streckung einzuleiten; (c) während des Streckens des Körpers in Längsrichtung Biegen des Körpers zwischen seinen Enden quer zur Ziehrichtung; und dadurch gekennzeichnet, dass (d) nach Schritt (c) und während der Fortsetzung des Ziehens der Endabschnitte den inneren Hohlraum des Körpers mit einem inkompressiblen Fluidmittel bei einem ausreichenden Druck Unterdrucksetzen, um mindestens einen Teil des Körpers aus dem Innenraum heraus zu verformen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: (e) Abklingenlassen des Ziehens und des Unterdrucksetzens.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: (e') während des Biegens des Körpers in Querrichtung den Körper innen mit einem inkompressiblen Fluidmittel unterstützen, das mit der Innenwand des Körpers in Kontakt steht.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Körper ein Aluminiumlegierung-Strangpressstück aufweist und das Fluidmittel in Schritt (e') einen Druck von weniger als etwa 0,7 MPa (100 psi) hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Körper ein Aluminiumlegierung-Strangpressstück aufweist und das Fluidmittel in Schritt (d) einen Druck von etwa 0,7 bis 35 MPA (100 bis 5.000 psi) hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Körper ein Aluminiumlegierung-Strangpressstück ist, aufweisend eine Legierung der Reihen AA 2000, 6000 oder 7000.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Fluidmittel Wasser aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem das Wasser ein Rostschutzmittel enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Fluidmittel ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Wasser, Mineralöl, Silikonöl, Polyglykolen und Polyglykol-Wasser-Mischungen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Schritt (d) das Verstopfen mindestens eines der Endabschnitte mit einem Abdichtstopfen einschließt, der einen Durchgang aufweist, durch den das inkompressible Fluidmittel in dem Innenraum gefördert wird.