EP0373430B1 - Verfahren zum Umformen von ebenen, plattenförmigen Bauteilen in eine zweiachsig gekrümmte Form - Google Patents

Verfahren zum Umformen von ebenen, plattenförmigen Bauteilen in eine zweiachsig gekrümmte Form Download PDF

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EP0373430B1
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Klaus-Peter Dr. Hornauer
Reiner Prof.Dr. Kopp
Klaus Dr. Baldner
Frank Dipl.-Ing. Wüstefeld
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Dornier GmbH
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D11/00—Bending not restricted to forms of material mentioned in only one of groups B21D5/00, B21D7/00, B21D9/00; Bending not provided for in groups B21D5/00 - B21D9/00; Twisting
    • B21D11/20—Bending sheet metal, not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D31/00—Other methods for working sheet metal, metal tubes, metal profiles
    • B21D31/06—Deforming sheet metal, tubes or profiles by sequential impacts, e.g. hammering, beating, peen forming
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/47—Burnishing
    • Y10T29/479—Burnishing by shot peening or blasting

Definitions

  • the invention relates to a method of the type specified in the preamble of claim 1.
  • the blasting medium is accelerated on the component surface by centrifugal wheels.
  • a number of such centrifugal wheels are distributed across the relative movement between the tool and the component, and the component is clamped on a receiving table.
  • the previously known shaping devices or methods by means of blasting agents directed against the component surface do not allow, or only incompletely, the shaping of flat plates into a shape with a biaxial curvature.
  • the object of the present invention is to bring flat components into a biaxially curved shape by means of shot-peening, and in particular also components which have jumps in thickness.
  • the method according to the invention uses, for the shaping of flat components into a shape with a biaxial curvature, the known spherical jet shaping, the shaping being carried out with the aid of a preferably computer-controlled beam impact and the direction and strength of the ball impact depending on the dimensions of the component, e.g. depending on the wall thickness or changes in wall thickness over the extent of the component, and is preset to predetermined areas of the same elongation.
  • a major advantage here is that the necessary thickness levels of the component can be provided by mechanical milling before the shot peening and the component can be reshaped with the finished milled contours. It is also advantageous that the components to be formed can be reshaped directly in the hardened state, so that subsequently no heat treatment of the component is required and heat distortion and changes in the material structure due to the heat treatment are thus excluded. Furthermore, the method according to the invention results in a reduced number of processing steps. In addition, the shaping of the component can be reproduced using computer-controlled beam application. Using the method, processing can react flexibly to changes in wall thickness or changes in the material properties of the component.
  • a component 1 is shown in Figures 1 and 2, which is composed of several individual elements 3.
  • the individual segments 3 are formed by means of the method according to the invention from flat plate parts into a shape with a biaxial curvature, as can be seen from FIG. 3.
  • the component or segment 3 to be formed from a flat plate has thickness areas formed by mechanical milling in the area of the outer contour, namely an area 5 of approximately 4.5 mm thick, an area 6 of approximately 3.5 mm thick and an area 7 of about 2.6 mm thick. These differences in thickness are formed by mechanical milling before bending into a biaxial curvature of the flat plates 3 on the component.
  • the shaping of the planar components 3 into a biaxially curved shape by irradiating the component surface takes place in accordance with the method in that the blasting agent jets follow the contour of the component 3 when the component surface is covered.
  • the shaping is effected by using certain beam parameters and following a predetermined beam strategy.
  • the beam traces guided over the component 3 are approximated in the form of a polygon pattern to the geometry of the component 3.
  • the component 3 has an upper and in its longitudinal direction a lower contour surface 8 and adjoining side surfaces 9, the center or the central region of the component surface 10 to be irradiated being designated by M here.
  • the computer-controlled guidance of the beam traces generated by the beam device on the component side 10 to be acted on (concave) can be seen from FIG. 4.
  • the beam traces run along lines 11 indicated in FIG. 4 and are adapted to the component geometry and have approximately the same elongation.
  • the arrangement of the beam traces causes the corresponding expansion distribution to be generated, the component 3 in the central region 11 being to experience the greatest expansion.
  • the flat component or sheet metal can first be picked up and fixed in a convex position, depending on its forming behavior, by a clamping device.
  • the component 3 is then blasted from the convexly curved side with the aid of the accelerated blasting balls, so that a pre-curvature can be produced in the desired direction.
  • the component 3 is clamped or fixed in a concave position from the outset, so that an elastic pre-curvature is produced.
  • the shot is then irradiated from the concave side in order to achieve the necessary expansion in the component and the desired curvature.
  • blasting is carried out on lines 11 of the same strain with the aid of a computer control, the blasting tracks being adapted to the geometry of the component 3.
  • the beam energy is varied over the component surface 10, the energy gradient decreasing from the inner component surface to the outer component edge 8, 9.
  • the ratio of longitudinal curvature to transverse curvature is influenced by corresponding energy distribution along the beam traces 11.
  • the degree of coverage is varied, for example, between 10% and 2 x 98% over the component surface 10.
  • the edge regions of the component 3 provided with milling steps or thickness jumps 5, 6 and 7 are treated with adapted beam parameters due to the varying thickness after certain manufacturing steps of the central region M of the component 3.
  • a convex mold support or concave relief is used which is adapted to the component geometry (FIG. 5).
  • the clamping is formed by a base plate 16 on which supports 18 are arranged on frame parts 17, which are used to fix the component 3 by means of suspensions 19 on the rods 18 and suspension brackets 20 on the component 3.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Springs (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
  • Diese seit längerem bekannte Art, Bauteile aus einem Werkstoff mit einem elastischem und plastischem Umformverhalten in eine einachsig gekrümmte Form zu bringen, geht davon aus, daß infolge der Oberflächenbeaufschlagung des umzuformenden Bauteiles mittels beschleunigter, fester Strahlmittel, beispielsweise Stahlkugeln, durch Einprägen in die Bauteiloberfläche Druckspannungen erzeugt werden, aus denen eine Dehnung der gesamten Oberflächenschicht des Bauteils resultiert. In der unter der Oberflächenschicht liegenden Bauteilschicht kommt es infolgedessen zu einer elastischen Dehnung aufgrund der auftretenden Zugspannungen. Es ist bekannt, diese Art der Bearbeitung bei der Umformung von Bauteilen im Flugzeugbau einzusetzen, beispielsweise Paneele oder Beplankungsteile für die Zelle von Flugzeugen, d.h. des Rumpfes oder des Tragflügels, in eine Form mit einachsiger Krümmung umzuformen.
  • Bei dem aus der US-A-4 329 862 bekannten Verfahren wird das Strahlmittel durch Schleuderräder beschleunigt auf der Bauteiloberfläche zur Einwirkung gebracht. Dabei sind quer zur Relativbewegung zwischen Werkzeug und Bauteil eine Anzahl solcher Schleuderräder verteilt angeordnet, und das Bauteil ist auf einen Aufnahmetisch aufgespannt. Die bisher bekannten Umformeinrichtungen bzw. -verfahren mittels gegen die Bauteiloberfläche gerichteter Strahlmittel erlauben jedoch nicht oder nur in unvollkommener Weise die Umformung ebener Platten in eine Form mit zweiachsiger Krümmung.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch Kugelstrahlumformungen ebene Bauteile in eine zweiachsig gekrümmte Form zu bringen und insbesondere auch Bauteile, die Dickensprünge aufweisen.
  • Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände weiterer Ansprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren setzt zur Umformung von ebenen Bauteilen in eine Form mit zweiachsiger Krümmung das an sich bekannte Kugelstrahl-Umformen ein, wobei die Umformung mit Hilfe einer vorzugsweise computergesteuerten Strahlbeaufschlagung erfolgt und die Richtung und Stärke der Kugelbeaufschlagung in Abhängigkeit von den Abmessungen des Bauteils, z.B. in Abhängigkeit von der Wanddicke oder Wanddickenänderungen über die Erstreckung des Bauteils, und auf vorbestimmte Bereiche gleicher Dehnung voreingestellt wird.
  • Ein wesentlicher Vorteil hierbei ist, daß notwendige Dickenstufen des Bauteils vor dem Kugelstrahlumformen durch mechanisches Fräsen vorgesehen werden können und das Bauteil mit den fertig gefrästen Konturen umgeformt werden kann. Von Vorteil ist auch, daß die umzuformenden Bauteile direkt im ausgehärtetem Zustand umgeformt werden können, so daß anschließend keine Wärmebehandlung des Bauteils mehr erforderlich ist und damit Wärmeverzug und Änderungen des Materialgefüges durch die Wärmebehandlung ausgeschlossen werden. Ferner resultiert aus dem erfindungsgemäßen Verfahren eine verminderte Anzahl von Bearbeitungsschritten. Außerdem ist die Umformung des Bauteils durch eine computergesteuerte Strahlbeaufschlagung reproduzierbar. Mittels des Verfahrens kann die Bearbeitung flexibel auf Wandstärkenänderungen oder Änderungen der Materialeigenschaften des Bauteils reagieren.
  • In der Zeichnung ist anhand eines segmentförmigen Blechbauteiles als Ausführungsbeispiel der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes in Verbindung mit Einrichtungen zur Kugelstrahlumformung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigt:
    • Figur 1
    in schematischer Darstellung ein Gesamtbauteil, das sich aus mehreren gemäß dem Verfahren umgeformten Einzelsegmenten zusammensetzt, beispielsweise zu einem Kugelkalottenform aufweisenden Bodenteil,
    Figur 2
    ebenfalls schematisiert dargestellt, in einer Seitenansicht das sich aus Bauelementen zusammensetzende Gesamtbauteil,
    Figur 3
    in Seitenansicht und in gemäß dem Verfahren umgeformten Zustand eines der Elemente des Gesamtbauteiles,
    Figur 4
    in Draufsicht auf eines der segmentförmigen Elemente, dessen Konturverlauf in Verbindung mit durch Hilfslinien angedeutetem Verfahrensablauf der Umformung durch Kugelbestrahlung,
    Figur 5
    einen Spannrahmen bzw. eine Formauflage zur Fixierung und elastischen Vorspannung des segmentförmigen Bauteils.
  • Als Ausführungsbeispiel ist in Figur 1 und 2 ein Bauteil 1 dargestellt, das aus mehreren Einzelelementen 3 zusammengesetzt ist. Die einzelnen Segmente 3 sind mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus ebenen Plattenteilen in eine Form mit zweiachsiger Krümmung, wie aus Figur 3 ersichtlich, umgeformt.
  • Das aus einer ebenen Platte umzuformende Bauteil beziehungsweise Segment 3 weist im Bereich der äußeren Kontur durch mechanisches Fräsen gebildete Dickenbereiche auf und zwar einen Bereich 5 von ca. 4,5 mm Dicke, einen Bereich 6 von ca. 3,5 mm Dicke und einen Bereich 7 von ca. 2,6 mm Dicke. Diese Dickenunterschiede sind durch mechanisches Fräsen vor der Biegeumformung in eine zweiachsige Krümmung der ebenen Platten 3 am Bauteil gebildet. Die Umformung der ebenen Bauteile 3 in eine zweiachsig gekrümmte Form durch Bestrahlen der Bauteiloberfläche erfolgt gemäß dem Verfahren dadurch, daß die Strahlmittelstrahlen beim Überdecken der Bauteiloberfläche der Kontur des Bauteiles 3 folgen. Dabei wird die Umformung durch Einsatz bestimmter Strahlparameter und unter Verfolgung einer vorbestimmten Strahlstrategie bewirkt. Es werden dabei die über das Bauteil 3 geführten Strahlspuren in Form eines Polygonmusters der Geometrie des Bauteiles 3 angenähert.
    Das Bauteil 3 weist in seiner Längsrichtung eine obere und eine untere Konturfläche 8 und daran anschliessende Seitenflächen 9 auf, wobei hier das Zentrum bzw. der mittlere Bereich der zu bestrahlenden Bauteiloberfläche 10 mit M bezeichnet ist.
    Die computergesteuerte Führung der durch die Strahleinrichtung erzeugten Strahlspuren auf der zu beaufschlagenden Bauteilseite 10 (konkav) ist aus Figur 4 ersichtlich. Die Strahlspuren verlaufen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren entlang von in Figur 4 angedeuteten Linien 11 und sind der Bauteil-Geometrie angepasst und weisen angenähert gleiche Dehnung auf.
  • Die Anordnung der Strahlspuren bewirkt, daß die entsprechende Dehnungsverteilung erzeugt wird, wobei das Bauteil 3 im mittleren Bereich 11 die größten Dehnungen erfahren soll.
  • Das ebene Bauteil bzw. Blech kann zunächst, abhängig von seinem Umformverhalten, von einer Spannvorrichtung in konvexer Lage aufgenommen und fixiert werden. Danach erfolgt die Strahlbehandlung des Bauteiles 3 von der konvex gewölbten Seite aus mit Hilfe der beschleunigten Strahlkugeln, so daß eine Vorkrümmung in die gewünschte Richtung erzeugt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird jedoch von vornherein das Bauteil 3 in konkaver Lage aufgespannt bzw. fixiert, so daß eine elastische Vorkrümmung entsteht. Danach erfolgt die Kugelbestrahlung von der konkaven Seite her, um die notwendigen Dehnungen im Bauteil und die gewünschte Krümmung zu erreichen.
    Hierbei wird, wie bereits beschrieben, mit Hilfe einer Computersteuerung auf Linien 11 gleicher Dehnung gestrahlt, wobei die Strahlspuren an die Geometrie des Bauteils 3 angepasst sind.
  • Die Strahlenergie wird über die Bauteiloberfläche 10 variiert, wobei der Energiegradient von der inneren Bauteilfläche zum äußeren Bauteilrand 8, 9 abnimmt. Durch entsprechende Energieverteilung entlang der Strahlspuren 11 wird das Verhältnis von Längskrümmung zur Querkrümmung beeinflusst. Der Bedeckungsgrad wird z.B. zwischen 10% und 2 x 98% über der Bauteiloberfläche 10 variiert. Die mit Frässtufen bzw. Dickensprüngen 5, 6 und 7 versehenen Randbereiche des Bauteils 3 werden infolge der variierenden Dicke nach bestimmten Fertigungsschritten des Mittelbereichs M des Bauteils 3 mit angepassten Strahlparametern behandelt. Zur Unterstützung der Kugelstrahlumformung dient eine der Bauteil-Geometrie angepasste konvexe Formauflage oder konkave Auspannung (Figur 5).
    Die Aufspannung wird gebildet durch eine Grundplatte 16, auf der an Rahmenteilen 17 Abstützungen 18 angeordnet sind, die zur Fixierung des Bauteiles 3 mit Hilfe von Aufhängungen 19 an den Stangen 18 und Aufhängeklammern 20 am Bauteil 3 dienen.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Umformen von ebenen. plattenförmigen Bauteilen (3) aus elastisch und plastisch verformbarem Werkstoff in eine zweiachsig gekrümmte Form mittels gegen die Bauteiloberfläche gerichteter, kugelförmiger Strahlmittel,
    gekennzeichnet durch
    a) Aufspannen und Fixieren des Bauteils (3) mit elastischer, der fertigen Bauteilform entsprechend zweiachsiger Vorkrümmung
    b) Strahlbehandlung mit unter relativ hohem Strahldruck auf die konkave Oberfläche (10) des elastisch vorgekrümmten Bauteils (3) gerichtetem Strahlmittelstrahl,
    c) Führen des Strahlmittelstrahls über die Bauteiloberfläche (10), ausgehend vom zentralen Bauteilbereich (M) in Richtung der Bauteil-Außenkontur (8, 9) entlang von Spuren oder Bahnen (11), die gleiche oder annäherend gleiche Dehnung erhalten und der Bauteil-Außenkontur folgend oder annähernd folgend verlaufen, und
    d) Verringerung der Strahlenergie vom zentralen Bauteilbereich (M) in Richtung der Bauteil-Außenkontur (8, 9).
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Verhältnis von Längskrümmung zu Querkrümmung des Bauteils (3) durch eine vorbestimmte Energieverteilung beeinflußt wird, derart, daß der Bedeckungsgrad der beaufschlagten Bauteiloberfläche (10) durch den Strahlmittelstrahl zwischen annäherend 10 % und Zweifachbedeckung (2 x 98 %) variiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Strahlenergieverteilung über die Bauteiloberfläche (10) und die Führung des Strahlmittelstrahls computergesteuert werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Energiegradient vom zentralen Bauteilbereich (M) in Richtung der Bauteil-Außenkontur (8, 9) abnehmende Werte aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    eine zusätzliche Strahlbehandlung mit gegen die konvexe Bauteiloberfläche gerichtetem Strahlmittelstrahl.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauteil Randbereiche (5, 6) erhöhter Wanddicke aufweist,
    gekennzeichnet durch
    separate Strahlmittelbehandlung der Bauteil-Randbereiche (5, 6).
  7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Strahlmitteleinrichtung und einer Aufnahmevorrichtung für das umzuformende Bauteil,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Aufnahmevorrichtung mit Spann- und Fixiermitteln (18, 19, 20) zur Erzeugung einer elastischen, der fertigen Bauteilform entsprechend zweiachsigen Bauteil-Vorkrümmung versehen und die Strahlmitteleinrichtung bezüglich der Aufnahmevorrichtung so angeordnet ist, daß sie auf Seiten der konkav vorgekrümmten Bauteiloberfläche (10) liegt.
EP89122126A 1988-12-14 1989-11-30 Verfahren zum Umformen von ebenen, plattenförmigen Bauteilen in eine zweiachsig gekrümmte Form Expired - Lifetime EP0373430B1 (de)

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EP0373430A2 EP0373430A2 (de) 1990-06-20
EP0373430A3 EP0373430A3 (en) 1990-12-05
EP0373430B1 true EP0373430B1 (de) 1995-02-01

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