EP0457358B1

EP0457358B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Metalldrücken

Info

Publication number: EP0457358B1
Application number: EP91108102A
Authority: EP
Inventors: Erich Sieger; Detlef Dr. Müller-Wiesner; Michael Schnellbügel
Original assignee: Zeppelin Metallwerke GmbH
Current assignee: Zeppelin Metallwerke GmbH
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1991-05-17
Publication date: 1993-12-15
Anticipated expiration: 2011-05-17
Also published as: DE4016097A1; DE59100714D1; EP0457358A3; US5218849A; EP0457358A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Metalldrücken eines Rohlings zu einem gewölbten Formteil, der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5 erläuterten Art.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der FR-A-1 467 526 bekannt, die ein Metalldrücken eines Formteils, mit Hilfe einer formgesteuerten Drückrolle beschreibt, wobei das Formteil umfangsseitig eingespannt ist und in einen Freiraum hineingedrückt wird. Das Drücken erfolgt jedoch bei Normaltemperatur.
Bei einem aus der DE-A-1 938 403 bekannten Verfahren wird ein Werkstoff warmverformt, der gleichzeitig einer Wärmebehandlung, z.B. einer Austenitformhärtung, unterworfen werden soll. Das Drücken erfolgt über einen der Innenkontur des gewünschten Formteils entsprechenden Dorn. Der Rohling wird zunächst auf die Wärmebehandlungs- bzw. Austenitisierungstemperatur aufgeheizt, wieder abgekühlt und während des Metalldrückens durch eine den Rohling vollständig durchwärmende Heizung, eine beheizte Drückrolle und eine der Drückrolle vorlaufende Wärmequelle auf der Warmumformungstemperatur gehalten. Nach dem Drücken erfolgt ein Nachheizen und danach das Abschrecken.
Obwohl mit den bekannten Drückverfahren bereits schwierig zu verformende Werkstoffe gedrückt werden konnten, stoßen die bekannten Verfahren an ihre Grenzen, wenn es um die Verformung höherfester Werkstoffe zu Formteilen mit unterschiedlichen Wandstärken und/oder hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit geht. Werkstoffe höherer Festigkeit neigen beim Drücken zum Rückfedern, so daß sie nur unter großen Schwierigkeiten maßgenau über einem Drückfutter geformt werden können. Zwar sind Drückfutter relativ einfach zu fertigende Teile, ihre Anfertigungskosten schlagen sich jedoch insbesondere dann merkbar auf die Kosten des Formteiles nieder, wenn nur eine geringe Stückzahl der Formteile gefertigt werden soll. Wird zur Verbesserung der Verformbarkeit der Werkstoff vor einer festigkeitssteigernden Wärmebehandlung gedrückt, so kann es während der nachfolgenden Wärmebehandlung, insbesondere bei Formteilen mit sich verändernder Wandstärke, zu Maßabweichungen und insbesondere zu Inhomogenitäten im Übergangsbereich zwischen den unterschiedlichen Wandstärkenbereichen kommmen, die für Präzisions-Formteile, wie beispielsweise Böden von Treibstofftanks für die Raumfahrt, nicht akzeptabel sind.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kostengünstigen und maßgenauen Drücken von Formteilen aus schwer verformbaren Materialien aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Bewegungssteuerung des Drückwerkzeuges mit kontrollierter Kraft und kontrolliertem Weg entlang der Innenkontur des Formteiles in Verbindung mit dem Drücken in einen Freiraum bis auf Endmaß können beispielsweise von Formteil zu Formteil unterschiedliche Rückfedereigenschaften ausgeglichen werden, ohne daß beispielsweise ein Drückfutter maßlich verändert werden muß. Da gänzlich ohne Drückfutter gearbeitet wird, können auch Einzelanfertigungen von Formteilen auf kostengünstige Weise gefertigt werden, wobei lediglich die Bewegungssteuerung der Drückwerkzeuge verändert werden muß.
Es ist zwar bereits bekannt, beim Streckdrücken zur Verminderung der Wandstärke, bei dem ein Drückfutter und eine der Außenkontur des Formteiles folgende Drückrolle verwendet wird, unter erhöhter Arbeitstemperatur zu arbeiten. Diese erhöhte Arbeitstemperatur wird jedoch lediglich durch ein bereichsweises Erwärmen des Formteiles mit Hilfe einer Gasflamme zu dem Zweck durchgeführt, die Zugfestigkeit des Werkstoffes zu verringern und die Kaltverfestigung durch die Umformung zu reduzieren. Ein solches Vorgehen führt jedoch zu Spannungen und Inhomogenitäten im fertigen Formteil. Durch die erfindungsgemäße, zweitstufige Aufheizung, bei der der gesamte Rohling auf einer konstanten, erhöhten, jedoch unter Arbeitstemperatur liegenden Temperatur gehalten und nur bereichsweise weiter bis auf Arbeitstemperatur erhitzt wird, die jedoch unterhalb der Warmformungstemperatur bzw. unterhalb der Rekristallisationsschwelle liegt, wird das Auftreten von Spannungen und die Fixierung von Inhomogenitäten im Werkstoff mit Sicherheit verhindert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es gemäß Anspruch 2 möglich, eine warm auslagerbare Legierung, wie z.B. eine höherfeste Aluminiumlegierung, nach einem ersten festigungskeitssteigernden Behandlungsverfahren, beispielsweise im gereckten und kalt ausgelagerten Zustand, zu verarbeiten, in dem derartige Legierungen normalerweise nur noch geringe Verformungsgrade zulassen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und beim Arbeiten innerhalb der Warmauslagerungstemperatur können jedoch Verformungsgrade über 70 bis nahezu 100 Prozent mit hoher Maß- und Formgenauigkeit erzielt werden. Dabei wird die Arbeitstemperatur derart auf die Warmauslagerungskurve des bestimmten Werkstoffes abgestellt, daß die optimale Festigkeitssteigerung innerhalb des zum Drücken benötigten Zeitraumes noch nicht erreicht wird. Auf diese Weise ist es möglich, das gesamte Formteil, d. h. einschließlich der nicht gedrückten Umfangsbereiche nahe der Spanneinrichtung, anschließend einer weiteren Auslagerung bis zur optimalen Festigkeitssteigerung zu unterwerfen. Werden die Randbereiche des Formteiles verworfen, ist es jedoch auch möglich, die Arbeitstemperatur während des Drückens derart auf die zum Drücken erforderlich Zeitdauer abzustimmen, daß der Drückvorrichtung ein fertig ausgelagertes Formteil mit optimaler Festigkeit entnommen werden kann.
Die Maßnahmen der Ansprüche 3 und 4 bewirken ein besonders gleichmäßiges Aufheizen in beiden Aufheizstufen, so daß örtliche Überhitzungen nach Möglichkeit ausgeschlossen werden können.
Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders einfach aufgebaut und erfordert lediglich eine Veränderung der Bewegungssteuerung des Drückwerkzeuges bzw. gegebenenfalls eine Veränderung der Spannweite der Spanneinrichtung, wenn von einem Formteil auf ein Formteil abweichender Gestalt umgestellt werden muß. Darüber hinaus kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein spezielles Verformungsverhalten eines Werkstoffes wesentlich besser als bei Verwendung einer Drückform berücksichtigt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprüchen 6 bis 11 zu entnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Drückvorrichtung, und
Figur 2: eine herausvergrößerte Einzelheit aus Figur 1.

Aus Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Metalldrücken ersichtlich. Die Vorrichtung 1 besteht aus der eigentlichen Drückeinrichtung 2 mit einer Drückrolle 3 und einer Formkammer 4. Die Drückrolle 3 ist in bekannter Weise über eine Pneumatikeinrichtung 5 bewegbar, wobei die für die spezielle Form und die Abmessungen des Formteils und den verwendeten Werkstoff optimale Andrückkraft und der optimale Bewegungsweg der Drückrolle 3 von einem Computer 6 bestimmt und gesteuert werden. Der Computer 6 ist mit einem Plotter 7 verbunden.
Die Drückeinrichtung 2 enthält weiterhin eine bereichsweise wirkende, tyristorgesteuerte Wärmequelle 8, die mit inkohärentem oder kohärentem Licht (Infrarot) arbeitet. Die Wärmequelle 8 ist über einen der üblichen Antriebe 9 bewegbar, wobei die Bewegung der Wärmequelle 8 vom Computer 6 derart gesteuert wird, daß die Wärmequelle 8 der Bewegung der Druckrolle 3 im wesentlichen vorläuft.
Wie auch in Verbindung mit Figur 2 ersichtlich, weist die Formkammer 4 eine hohle, kegelstumpfförmige Wandung auf, die an einer Seite an einer Drehscheibe 10 befestigt ist, die durch eine Welle 10a in Drehung versetzt wird. An der der Drückrolle 3 zugewandten Vorderseite der Formkammer 4 ist eine Spanneinrichtung 11 befestigt, die zwei ringförmige Spannteile zum Einspannen des Umfangs eines Werkstückes aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein fertiges Formteil 12 in Form eines halbkugelförmigen Behälterbodens eingespannt. Das Formteil 12 wurde aus einem strichpunktiert gezeichneten Rohling 12' gefertigt, der entweder durch konventionelles Drücken oder durch andere, bekannte Maßnahmen vorgefertigt wurde. Die Spanneinrichtung 11 steht etwas in den Querschnitt der Formkammer 4 vor. Die Formkammer 4 ist darüber hinaus in axialer Richtung länger als die axiale Endtiefe des Formteiles 12, so daß das Formteil 12 frei, d. h. ohne Verwendung eines Drückfutters in den im Inneren der Formkammer 4 befindlichen Freiraum bis auf Endmaß hineingedrückt wird, wobei zwischen dem Rohling 12' und der Wandung der Formkammer 4 in allen Stadien des Drückvorganges ein Abstand verbleibt.
In der Nähe des mit der Drehscheibe verbundenen Endes der Formkammer 4 mündet eine Zufuhrleitung 13 für erwärmte Luft, die mit einem Gebläse 14 verbunden ist und eine Heizung 15 enthält. Die Zuführleitung 13 enthält einen feststehenden Verteilring 16, in dem sich eine mit der Formkammer 4 verbundene Flanschanordnung 17 drehen kann, die eine tangentiale Einleitung der Luft durch Mündungsöffnungen 18 bewirkt. Dabei wird die Luft in einer Richtung eingeleitet, die der Drehrichtung der Formkammer 4 entgegengesetzt ist, so daß sich im Inneren der Formkammer 4 Luftwirbel bilden. In der Nähe der Spanneinrichtung 11 sind in der Wandung der Formkammer 4 Luftaustrittsöffnungen 19 vorgesehen. Es ist ein hoher Luftdurchsatz vorgesehen, so daß sich die Temperatur der Luft durch die Erwärmung des Rohlings nicht wesentlich verringert. Darüber hinaus sorgt auch die gute Verwirbelung für ein gleichmäßiges Klima im Inneren der Formkammer, das den Rohling auf gleichmäßige Temperatur hält.
Zum Überwachen der Temperatur wurden auf dem Rohling vor seinem Einsetzen in die Spanneinrichtung 12 eine Mehrzahl von Temperaturfühlern 20 befestigt, die die gemessenen Daten an einen auf der Drehscheibe 10 befestigten Telemetriesender 21 übertragen. Die Temperatursensoren sind Thermoelemente, die während des Drückens auf der der Drückrolle 3 abgewandten Oberfläche des Rohlings 12 verbleiben. Bevorzugt werden acht gleichmäßig über die Oberfläche des Rohlings 12' verteilt angeordnete Thermoelemente 20 verwendet. Die von ihnen ermittelten Daten werden vom Sender 21 drahtlos an einen Empfänger 22 (Figur 1) übermittelt, der sie dem Computer 6 weitergibt. Entsprechend der festgestellten Temperatur wird entweder die Wärmequelle 8, die Heizung 15 oder das Gebläse 14, oder alle gemeinsam, gesteuert. Die Arbeitstemperatur wird für jeden Werkstoff anhand seiner thermo-mechanischen Eigenschaften vorbestimmt und liegt unterhalb der Warmformungstemperatur bzw. der Rekristallisationsschwelle.
Zum Drücken eines halbkugelförmigen Behälterbodens aus einer höherfester Aluminiumlegierung wird zunächst aus einer kreisförmigen Ronde ein im wesentlichen hutförmiger Rohling 12' entweder durch ein bekanntes Drückverfahren unter Verwendung eines Drückfutters oder durch irgendein anderes geeignetes und bekanntes Verfahren vorgeformt. Der Rohling 12' wird danach an ausgewählten Stellen mit den Temperaturfühlern 20 versehen und mit seinem Umfang zwischen die Spannteile der Spanneinrichtung 11 derart eingespannt, daß die Vorform bereits etwas in die Formkammer hineinragt. Danach wird das Gebläse 14 und die Heizung 15 angestellt und erwärmte Luft solange in die Formkammer 4 geleitet, bis der Rohling 12' eine gleichmäßige Temperatur erreicht hat. Diese Temperatur liegt bei einer Aluminiumlegierung, deren maximale Auslagerungstemperatur etwa bei 180 Grad Celcius liegt, bei ca. 130 Grad Celcius. Dann wird bei rotierender Formkammer die Rolle 3 und die Quelle 8 herangeführt, wobei die Wärmequelle 8 bevorzugt so gesteuert wird, daß sie dem Arbeitsbereich der Rolle unmittelbar vorläuft. Die Wärmequelle 8 wird so gesteuert, daß sie die Teilbereiche unmittelbar vor dem Drücken auf 150 bis 175 Grad Celcius erwärmt. Die spezielle Temperatur der Teilbereiche kann entsprechend der gewünschten Verformung ausgewählt werden.
So ist es beispielsweise bei einem Drückverfahren, das in mehreren Stufen und gegebenenfalls unterschiedlichen Verformungsgraden durchgeführt wird, zweckmäßig, beispielsweise bei den ersten zwei Stufen mit 175 Grad Celcius und bei weiteren Stufen bei 150 bis 160 Grad zu arbeiten. Der erfindungsgemäße Umformprozeß beruht somit, ausgehend von den geometrischen Verhältnissen, der Kraftangriffsrichtung sowie den lokalen Reibungsverhältnissen im Kontaktbereich Rolle/Blech, auf einer Kombination von Biege-, Zug-, Druck- und Scherbeanspruchung und unterscheidet sich insofern zumindest im letzten Verformungsschritt vom reinen Fließdrücken über ein Drückfutter. Nach Fertigstellen des Formteiles 12 wird dieses der Spanneinrichtung 11 entnommen und nach dem Ablösen der Thermoelemente einer weiteren mechanischen Bearbeitung bzw. einer weiteren Warmauslagerung unterworfen, bis die optimalen Festigkeitswerte erreicht sind.
In Abwandlung des beschriebenen und gezeichneten Ausführungsbeispiels kann für die bereichsweise arbeitende Wärmequelle auch eine Induktionsheizung oder eine andere, bekannte Wärmequelle verwendet werden. Voraussetzung ist jedoch, daß die Wärmequelle in der Lage ist, das Material voll durchzuwärmen, ohne daß die Oberfläche überhitzt wird. Gegebenenfalls können zwei oder noch mehr dieser Wärmequellen eingesetzt werden. An die Stelle der Computersteuerung kann eine Steuerung durch Kopierschablonen oder eine Mischung zwischen beiden Steurungsarten treten.

Claims

Verfahren zum Metalldrücken eines Rohlings (12') zu einem gewölbten Formteil (12) unter Verwendung eines bereichsweise am Rohling (12') angreifenden Drückwerkzeugs (3), wobei der Rohling (12') umfangsseitig eingespannt und bis auf Endmaß in einen Freiraum (4) hineingewölbt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling (12') insbesondere zum Herstellen von Behälterböden (12), während des Drückens durch ein zweistufiges Erwärmen auf eine unterhalb der Rekristallisationsschwelle liegende Arbeitstemperatur gebracht wird, wobei im wesentlichen der gesamte Rohling (12') auf eine erste, unter Arbeitstemperatur liegende Temperatur gebracht und gehalten wird und nur die jeweils zu verformenden Teilbereiche des Rohlings (12') unmittelbar vor dem Drücken auf Arbeitstemperatur gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Drücken eines Rohlings aus einem warmauslagerbaren Werkstoff eine innerhalb des Warmauslagerbereichs liegende Arbeitstemperatur gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling (12') durch zirkulierende, erwärmte Luft auf die erste Temperatur gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche durch inkohärentes oder kohärentes Licht (Infrarot) auf Arbeitstemperatur gebracht werden.
Vorrichtung zum Metalldrücken eines Rohlings (12') zu einem gewölbten Formteil (12), mit einer Spanneinrichtung (11) zum Einspannen des Umfangs des Rohlings (12') und einem bewegungsgesteuerten Drückwerkzeug (3), wobei die Spanneinrichtung (11) vor einer einen Freiraum enthaltenden Formkammer (4) angeordnet ist, wobei der Freiraum größer ist als die Tiefe des Formteils (12) und das Formteil (12) durch konkaves Drücken in den Freiraum hinein bis auf Endmaß frei formbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere zum Herstellen eines Behälterbodens eine Aufheizeinrichtung für den Rohling (12') mit einer ersten Heizung (15) für den Rohling (12') und eine zweite, bereichsweise wirkende Wärmequelle (8) vorgesehen ist, wobei durch die erste Heizung (15) der gesamte Rohling (12') auf eine Temperatur unter Arbeitstemperatur und durch die Wärmequelle (8) ein ausgewählter Teilbereich des Rohlings (12') vor dem Eingriff mit dem Drückwerkzeug (3) auf Arbeitstemperatur erwärmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Heizung (15) eine in den Freiraum der Formkammer (4) einmündende Zufuhrleitung (13) zum Zuführen erwärmter Luft enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (13) tangential zum Formteil (12) einmündet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung am der Spanneinrichtung (11) abgewandten Ende der Formkammer (4) einmündet, und daß nahe der Spanneinrichtung (11) ein Luftauslaß (19) aus der Formkammer (4) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum bereichsweisen Erwärmen des Rohlings (12') eine mit dem Drückwerkzeug (3) bewegungsgekoppelte Wärmequelle (8) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (8) eine Quelle für inkohärentes bzw. kohärentes Licht (Infrarot) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Überwachen der Temperatur des Rohlings (12') wenigstens ein Temperaturfühler (20) vorgesehen ist.