EP0593799B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verformen eines Blechrohlings - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verformen eines Blechrohlings Download PDF

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EP0593799B1
EP0593799B1 EP92117831A EP92117831A EP0593799B1 EP 0593799 B1 EP0593799 B1 EP 0593799B1 EP 92117831 A EP92117831 A EP 92117831A EP 92117831 A EP92117831 A EP 92117831A EP 0593799 B1 EP0593799 B1 EP 0593799B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure rollers
sheet
workpiece
centre line
metal blank
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EP92117831A
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English (en)
French (fr)
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EP0593799A1 (de
Inventor
Erich Sieger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zeppelin Metallwerke GmbH
Original Assignee
Zeppelin Metallwerke GmbH
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Publication date
Application filed by Zeppelin Metallwerke GmbH filed Critical Zeppelin Metallwerke GmbH
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Priority to EP92117831A priority patent/EP0593799B1/de
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Priority to JP5261183A priority patent/JP2942121B2/ja
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    • 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
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/14—Spinning
    • B21D22/18—Spinning using tools guided to produce the required profile

Definitions

  • the invention relates to a method for deforming a sheet metal blank from a material with an exponential tensile stress-strain behavior and a device suitable for carrying out this method.
  • titanium and its alloys are increasingly used for fuel tanks or the like because of their low weight and good corrosion resistance.
  • the titanium- ⁇ alloys that are particularly suitable for this purpose are insufficiently cold-formable.
  • These alloys have an exponential stress-strain behavior, as is illustrated by a schematic stress-strain diagram in FIG. 1.
  • the diagram shows that the titanium- ⁇ alloys do not have the usual strain hardening, so that when the tensile test is carried out below room temperature above the yield point, in the plastic range, the necking and then breaking occurs without further increase in tensile stress. This has a major impact on the cold formability of these materials.
  • shells with a larger diameter (over 600 mm), a small wall thickness (under 3 mm) and / or a high curvature (hemisphere) have so far only been produced by hot forming processes, after which the desired small wall thickness had to be turned off.
  • titanium and its alloys have a high affinity for air components, which on the one hand form a corrosion layer on the surface of the material and on the other hand make the material brittle due to hydrogen absorption. Both are highly undesirable and can only be prevented or eliminated if either the heating (for hot forming or heat treatment) takes place in a protective gas atmosphere or the corroded layer is removed mechanically or the embrittlement is reversed by heat treatment.
  • the invention has for its object to provide a simple and inexpensive method and a device for cold forming a material with exponential tensile stress-strain behavior to hollow shells of low wall thickness.
  • the high degree of cold forming that can be achieved with the method according to the invention brings about a grain refinement in the structure of the titanium- ⁇ alloy, which in turn results in higher strength and toughness, so that the load-bearing cross section and thus the weight can be further reduced.
  • the high degree of cold deformation in the circumferential direction leads to a change in the texture of the original rolling direction of the cold-rolled sheet metal blank, so that the risk of inherent stress distortion associated with this texture is reduced.
  • the pressure forces to be applied via the pressure rollers can be metered very precisely, so that not only shells with a constant wall thickness but also wall thickness changing over the circumference of the shell can be easily produced.
  • the springback that occurs when sheet metal is arched can be controlled so precisely that the shells can be manufactured with a very high degree of dimensional accuracy. Since neither a protective gas atmosphere nor repeated intermediate annealing are necessary, the process according to the invention can be carried out simply and quickly.
  • the object is further achieved by a device according to claim 5.
  • the workpiece is rotated and the spinning rollers are driven in a path-controlled manner.
  • This division of the relative movements helps to prevent tensile stresses in the plastic area during the deformation.
  • US-PS 3 815 395 it is already known to form tank bottoms with the aid of two pressure rollers acting on opposite sides of the workpiece, but in the device described there the workpiece is clamped in the center and freely rotatable, while the pressure rollers are both driven in rotation as well as over a predetermined radial path (which causes the workpiece to rotate).
  • This superimposition of the motion control means that local tensile stresses cannot be avoided.
  • the device is therefore only usable either for hot forming or for materials with normal work hardening.
  • the sheet metal blank 2 shows a device 1 for cold forming sheet metal blanks 2 '(shown in dashed lines) into hollow shells 2 which, in addition to the hemispherical shape shown, can also be shaped as a spherical cap, conical, elliptical or with other cross-sectional shapes.
  • the sheet metal blank 2 ' is in the form of a sheet metal blank made of a material with the exponential tensile stress-strain characteristic shown in FIG. 1. These materials include the titanium-beta alloys Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn (Ti15-3) and Ti-3Al-15Mo-2.7Nb-0.2Si (Beta-21S).
  • the sheet thickness of the blank 2 ' is normally above the desired sheet thickness of the finished shell, but can already have final dimensions in certain areas (near the opening, pole). If the finished shell 2 is to have larger wall thickness differences, it may be advisable to contour the sheet metal blank beforehand with different raw wall thicknesses, e.g. by turning or grinding.
  • the diameter of the sheet metal blank 2 ' is selected in accordance with the desired opening width of the finished shell plus the clamping dimension. With the present method, shells with an opening width of more than 600 mm can be produced, which previously could not be produced by cold forming. Even opening widths of 1500 or 2500mm and above are possible.
  • the method according to the invention is preferably used for thin-walled shells with wall thicknesses between 0.3 and 3 mm.
  • the sheet metal blank 2 ' is held in the device 1 by a clamping device 3, which has a clamping ring 4 for uniformly clamping the circumference of the sheet metal blank 2 '.
  • the clamping device 3 is optionally adjustable in order to allow the clamping of blanks 2 'with different diameters.
  • the clamping ring 4 is rotatably mounted about a center line 6 in the direction of arrow 6a via a rotary bearing 5 designed as a roller bearing. The rotation is carried out by a drive 7, which has a motor 8 and a drive pinion 9, which meshes with a correspondingly formed toothing on the clamping ring 4.
  • Each of the tool carriers 10, 11 is parallel to the center line 6 in a first direction in the direction of the double arrows 10a and 11a, and in a direction in the direction of the double arrows 10b and 11b in a second direction linearly displaceable perpendicular to the center line 6.
  • the direction of movement 10a and 10b or 11a and 11b lie in one plane.
  • an arm 12 or 13 can be rotated about an axis 12 'or 13' in the direction of the double arrows 12a or 13a.
  • the axes 12 'and 13' are perpendicular to the plane of movement of the linear displacements 10a, 10b and 11a, 11b, so that the twisting movement 12a, 13a takes place in the plane of the linear movements 10a, 10b and 11a, 11b.
  • a suitable actuator 14 or 15 is provided, which at the same time exerts the deformation force.
  • each arm 12, 13 there is one Press roller 16, 17 freely rotatable about an axis 16 'or 17'.
  • the axes 16 'and 17' extend perpendicular to the pivot axis 12 'and 13' of the respective arm 12, 13 and are arranged such that each of the pressure rollers 16, 17 projects with its circumference over the respective arm 12, 13 and with the above part of its circumference can be brought into contact with the workpiece 2 ', 2.
  • the pressure rollers 16, 17 are further arranged in the direction of rotation of the workpiece 2 ', 2, so that they can be rotated about their axes 16', 17 'by the rotating workpiece.
  • the first, on the inside of the curvature to be produced pressure roller 16 is relatively narrow and provided with a rounded circumference, so that even with narrow curvatures, only the circumference of the first pressure roller 16 comes into contact with the workpiece 2 ', 2.
  • the second pressure roller 17 arranged on the outside of the curvature to be produced is designed as a counter roller against which the first pressure roller 16 works.
  • the drive of the clamping device 3, the actuators 14 and 15 and the drives, not shown, for moving the tool carriers 10, 11 in the directions 10a, 10b or 11a, 11b are connected to a common control, also not shown.
  • the controller can be a CNC controller, a template copy controller, or any other known controller.
  • the pressure rollers 16 and 17 are guided synchronously during the forming process, so that both pressure rollers 16, 17 always work against each other at the location of the deformation.
  • Both pressure rollers 16, 17 are thereby moved by a combined linear movement along the double arrows 10a, 10b or 11a, 11b and a pivoting movement along the double arrows 12a, 13a each controlled in the direction of their axes 16 ', 17' via a path along the double arrows 16a and 17a, which follows the contour of the curvature to be formed in this deformation step.
  • the tracks 16a and 17a of the pressure rollers 16 and 17 extend radially to the sheet metal blank 2 'or over a meridian of the curvature, the common plane in which the tracks 16a and 17a lie intersecting the center line 6.
  • the direction of the deformation takes place from the area near the clamping ring 4 to the point of intersection of the center line 6 through the workpiece 2 ', 2 at the pole and back, the rollers 16, 17 in the position shown in solid lines in FIG. 2 near a point of reversal Path control and in the position shown in dashed lines near the other reversal point of the path control.
  • the path control is carried out in such a way that the two pressure rollers 16, 17 can pivot relative to one another only about the center of the curvature of their circumferential surfaces (radius R) in order not to generate any frictional forces.
  • the control further effects an infeed movement of the pressure roller 16 in the direction of the counter roller 17 and away from it in order to adjust the distance between the two pressure rollers 16 and 17 to the wall thicknesses of the workpiece 2 ', 2 which decrease in the course of the deformation process.
  • This feed movement can take place during the shaping process and can be controlled, for example, by pressure sensors on the pressure rollers.
  • a predetermined control of the roller spacing is also possible if regions of the workpiece 2 ', 2 are to be deformed to different degrees, for example to provide the shells 2 with different wall thicknesses.
  • the device 1 operates as follows: after the sheet metal disc 2 'has been clamped in, the clamping ring 4 is rotated by the drive 7 about the center line 6 in the direction of the arrow 6a. Then the pressure rollers 16 and 17 are brought to the blank 2 'at a predetermined distance from one another from opposite sides and are guided radially to the blank 2' in a path 16a and 17a, respectively, which is predetermined for the first deformation step, so that in connection with the rotation of the blank 2 'results in a spiral line around the center line 6.
  • the speed of the clamping ring 4, the distance between the pressure rollers 16, 17 and the shape and speed of the path control in the direction of arrows 16a and 17a are matched to one another and to the material used so that the pressure rollers 16 and 17 alone compressive forces to deform the material are exerted, while any tensile forces that remain may remain below the yield strength of the material and thus make no contribution to plastic deformation.
  • the material is thus merely squeezed between the pressure rollers 16 and 17, the material being allowed to elongate essentially perpendicular to the direction of the pressure forces.
  • the path control of the pressure rollers 16, 17 ensures that this material elongation does not lead to bulging, but rather forms the desired curvature without the material having to be stretched by tensile stresses, as in conventional pressure methods.
  • a tank half-shell was formed from the titanium alloy Ti 15-3 using the method according to the invention.
  • a sheet blank with a diameter of 510mm was cut from a cold-rolled sheet in solution-annealed and with a cutting roller machine quenched condition, sheet thickness 2.08mm, cut out.
  • the sheet metal blank was only converted into a hemispherical shell with an opening diameter of 444.8mm, an unchanged wall thickness of 2.08mm directly at the pole, and a wall thickness of 2mm at an angular distance of approximately 5 ° using 28 forces in 28 forming steps without intermediate annealing to the pole, a wall thickness of 1.32 mm directly adjacent to the clamping point at the shell opening and a wall thickness curve that continuously drops down to about 0.76 mm and then rises again continuously between the shell opening and the pole. No fatigue cracks or shape discontinuities such as folds or bumps were found in the finished tank half-shell.
  • a tank half-shell with an opening diameter of 950mm was also manufactured.
  • a pre-contoured sheet blank was used as the starting material, the sheet thickness of which was 3.2 mm near its center and 2.1 mm in the remaining outer edge area. The transition between the two wall thickness areas was rounded out. The contouring was carried out using grinding or turning processes specially developed for titanium alloys.
  • This pre-contoured sheet metal blank was cold-formed into a tank half-shell with an opening diameter of 950 mm using the method according to the invention and without intermediate annealing.
  • the material in the pole area of the shell was also deformed and thus stretched, so that the wall thickness in the pole was reduced to 3.0 mm.
  • the wall thickness in the opening area of the bowl was 1.2 mm.
  • the wall thickness initially narrowed to 0.8 mm and then rose again continuously.
  • the change in thickness of the pre-contoured sheet blank was compensated somewhat, but was still visible.
  • This tank half-shell also showed neither fatigue cracks nor shape discontinuities such as folds or bumps after the deformation.
  • the pressure rollers can also be moved linearly only in two axes if larger manufacturing tolerances are permitted.
  • the shape and size of the spinning rollers can be changed according to the work to be done. Both pressure rollers can have the same shape. Under certain circumstances, a preformed blank can also be used instead of the sheet metal blank.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verformen eines Blechrohlings aus einem Werkstoff mit exponentialem Zugspannungs-Dehnungs-Verhalten und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
  • In der Raum- und Luftfahrtindustrie wird Titan und seine Legierungen wegen des geringen Gewichtes und der guten Korrosionsbeständigkeit zunehmend für Treibstoffbehälter oder dgl. eingesetzt. Die für diesen Zweck besonders geeigneten Titan-β-Legierungen sind jedoch nur unzureichend kaltumformbar. Diese Legierungen haben ein exponentiales Zugspannungs-Dehnungs-Verhalten, wie dies anhand eines schematischen Spannungs-Dehnungs-Diagramms in Fig. 1 dargestellt ist. Das Diagramm zeigt, daß die Titan-β-Legierungen nicht die übliche Kaltverfestigung aufweisen, so daß beim Zugversuch unter Raumtemperatur oberhalb der Streckgrenze, im plastischen Bereich, eine Einschnürung und danach der Bruch ohne weitere Steigerung der Zugspannung erfolgt. Dies wirkt sich in starkem Maße auf die Kaltverformbarkeit dieser Werkstoffe aus. Bereits bei einer sehr geringen prozentualen Kaltumformung besteht die Gefahr, daß entweder Ermüdungsrisse auftreten oder das Material unkontrolliert ausbeult, wenn das Material nicht nach jedem, sehr geringen Umformschritt einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Die für diese Werkstoffe problemloseste Kaltumformung ist das Kaltwalzen, durch das jedoch lediglich plane Bleche hergestellt werden können.
  • Insbesondere Schalen mit einem größeren Durchmesser (über 600mm), einer geringen Wandstärke (unter 3mm) und/oder einer hohen Wölbung (Halbkugel) wurden bisher nur durch Warmumform-Verfahren hergestellt, wobei anschließend auf die gewünschte geringe Wandstärke spanabhebend abgedreht werden mußte.
  • Bei höheren Temperaturen weist Titan und seine Legierungen jedoch eine hohe Affinität zu Luftbestandteilen auf, durch die sich einerseits eine Korrosionsschicht an der Oberfläche des Werkstoffes bildet und durch die andererseits der Werkstoff durch Wasserstoffaufnahme versprödet. Beides ist höchst unerwünscht und nur zu verhindern bzw. zu beseitigen, wenn entweder die Erwärmung (zur Warmumformung bzw. zur Wärmebehandlung) in einer Schutzgasatmosphäre erfolgt bzw. die korrodierte Schicht mechanisch abgetragen oder die Versprödung durch Wärmbehandlung rückgängig gemacht wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltumformen eines Werkstoffes mit exponentialem Zugspannungs-Dehnungs-Verhalten zu hohlen Schalen geringer Wandstärke zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
  • Es wurde festgestellt, daß die oben erwähnten Fehler, wie beispielsweise Ermüdungsrisse oder Ausbeulen, beim erfindungsgemäßen Kaltumformen dieser Werkstoffe auch bei hohen Umformgraden über 40% nicht auftreten, wenn der Werkstoff keinerlei Zugkräften im plastischen Bereich ausgesetzt wird und die Verformung lediglich durch Druckkräfte erfolgt, die von den beiden gegenüberliegenden Drückrollen auf das Werkstück ausgeübt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, hohle Schalen mit einem großen Durchmesser und relativ dünner Wandstärke bis auf Endmaß durch Kaltumformung herzustellen, ohne daß Ermüdungsrisse bzw. ein Ausbeulen festgestellt werden kann und ohne daß die mit einer Erhitzung des Werkstoffes einhergehenden Probleme auftreten. Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare hohe Kaltumformungsgrad bewirkt eine Kornverfeinerung im Gefüge der Titan-β-Legierung, die wiederum in einer höheren Festigkeit und Zähigkeit resultiert, so daß der tragende Querschnitt und somit das Gewicht weiter verringert werden kann. Darüber hinaus führt der hohe Kaltumformungsgrad in Umfangsrichtung zu einer Veränderung der Textur der ursprünglichen Walzrichtung des kaltgewalzten Blechrohlings, so daß die mit dieser Textur einhergehende Gefahr eines Eigenspannungsverzugs verringert wird. Die über die Drückrollen aufzubringenden Druckkräfte können sehr genau dosiert werden, so daß sich nicht nur Schalen mit konstanter Wanddicke sondern auch sich über den Umfang der Schale verändernder Wanddicke ohne weiteres herstellen lassen. Darüber hinaus kann durch Verwendung von zwei Rollen die beim Auswölben von Blechen auftretende Rückfederung so genau beherrscht werden, daß die Schalen mit einer sehr hohen Maßgenauigkeit hergestellt werden können. Da weder eine Schutzgasatmosphäre noch wiederholte Zwischenglühungen notwendig sind, ist das erfindungsgemäße Verfahren einfach und schnell durchzuführen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Ansprüchen 2 bis 4 zu entnehmen.
  • Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5 gelöst.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Werkstück drehend und die Drückrollen bahngesteuert angetrieben. Diese Aufteilung der Relativbewegungen trägt dazu bei, während der Verformung Zugspannungen im plastischen Bereich zu verhindern. Aus der US-PS 3 815 395 ist es zwar bereits bekannt, Tankböden mit Hilfe zweier an gegenüberliegenden Seiten des Werkstückes angreifender Drückrollen zu formen, bei der dort beschriebenen Vorrichtung ist jedoch das Werkstück mittig eingespannt und frei drehbar gelagert, während die Drückrollen sowohl rotierend angetrieben als auch über eine vorbestimmte, radiale Bahn geführt werden (wodurch sich das Werkstück dreht). Durch diese Überlagerung der Bewegungssteuerung ist es nicht zu vermeiden, daß lokale Zugspannungen aufgebracht werden. Die Vorrichtung ist demgemäß auch nur entweder für eine Warmumformung oder für Werkstoffe mit normaler Kaltverfestigung brauchbar.
  • 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:
    • Fig. 1
    ein wahres, schematisch dargestelltes Zugspannungs-Dehnungs-Diagramm einer Titan-β-Legierung, und
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Teilschnitt.
  • Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Kaltumformen von (gestrichelt gezeichneten) Blechrohlingen 2' zu hohlen Schalen 2, die außer der gezeichneten Halbkugelform auch kugelkappenförmig, konisch, elliptisch oder mit anderen Querschnittsformen geformt sein können. Der Blechrohling 2' liegt als Blechronde aus einem Werkstoff mit der in Fig. 1 dargestellten, exponentialen Zugspannungs-Dehnungs-Charakteristik vor. Zu diesen Werkstoffen gehören die Titan-β-Legierungen Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn (Ti15-3) und Ti-3Al-15Mo-2,7Nb-0,2Si (Beta-21S). Die Blechdicke des Rohlings 2' liegt normalerweise über der gewünschten Blechdicke der fertigen Schale, kann jedoch in bestimmten Breichen (Öffnungsnähe, Pol) bereits Endmaß aufweisen. Falls die fertige Schale 2 größere Wanddickenunterschiede aufweisen soll, kann es zweckmäßig sein, die Blechronde mit verschiedenen Rohwanddicken vorab zu konturieren, z.B. durch Abdrehen oder Abschleifen. Der Durchmesser der Blechronde 2' wird entsprechend der gewünschten Öffnungsweite der fertigen Schale plus Einspannmaß gewählt. Mit dem vorliegenden Verfahren können Schalen mit einer Öffnungsweite über 600mm hergestellt werden, die bisher durch Kaltumformungen nicht herstellbar waren. Es sind sogar Öffnungsweiten von 1500 bzw. 2500mm und darüber möglich. Bevorzugte Anwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren für dünnwandige Schalen mit Wandstärken zwischen 0,3 und 3mm.
  • Der Blechrohling 2' wird in der Vorrichtung 1 durch eine Spannvorrichtung 3 gehalten, die einen Spannring 4 zum gleichmäßigen Einspannen des Umfanges des Blechrohlings 2' aufweist. Die Spanneinrichtung 3 ist gegebenenfalls verstellbar, um das Einspannen von Rohlingen 2' mit unterschiedlichem Durchmesser zu gestatten. Der Spannring 4 ist über ein als Wälzlager ausgebildetes Drehlager 5 um eine Mittellinie 6 in Richtung des Pfeiles 6a drehbar gelagert. Die Drehung erfolgt durch einen Antrieb 7, der einen Motor 8 und ein Antriebsritzel 9 aufweist, das mit einer entsprechend ausgebildeten Verzahnung am Spannring 4 kämmt.
  • Beidseitig der Spanneinrichtung 3 befindet sich jeweils ein Werkzeugträger 10 und 11. Jeder der Werkzeugträger 10, 11 ist in einer ersten Richtung in Richtung der Doppelpfeile 10a bzw. 11a parallel zur Mittellinie 6, und in einer zweiten Richtung in Richtung der Doppelpfeile 10b bzw. 11b senkrecht zur Mittellinie 6 linear verschiebbar. Die Bewegungsrichtung 10a und 10b bzw. 11a und 11b liegen in einer Ebene. An dem der Spanneinrichtung 6 zugewandten Ende jedes Werkzeugträgers 10, 11 ist jeweils ein Arm 12 bzw. 13 um eine Achse 12' bzw. 13' in Richtung der Doppelpfeile 12a bzw. 13a verdrehbar. Die Achsen 12' bzw. 13' stehen senkrecht auf der Bewegungsebene der Linearverschiebungen 10a, 10b bzw. 11a, 11b, so daß die Verdrehbewegung 12a, 13a in der Ebene der Linearbewegungen 10a, 10b bzw. 11a, 11b erfolgt. Zum Verschwenken der Arme 12 und 13 in Richtung der Doppelpfeile 12a, 13a ist ein geeigneter Stellantrieb 14 bzw. 15 vorgesehen, der gleichzeitig die Verformungskraft aufbringt. Auch zum Verschieben jedes Werkzeugträgers 10, 11 in Richtung der Doppelpfeile 10a, 10b bzw. 11a, 11b ist ein nicht-gezeichneter Antrieb vorhanden.
  • An den freien Enden jedes Arms 12, 13 ist jeweils eine Drückrolle 16, 17 um eine Achse 16' bzw. 17' frei drehbar gelagert. Die Achsen 16' bzw. 17' erstrecken sich senkrecht zur Schwenkachse 12' bzw. 13' des jeweiligen Arms 12, 13 und sind so angeordnet, daß jede der Drückrollen 16, 17 mit ihrem Umfang über den jeweiligen Arm 12, 13 vorsteht und mit dem vorstehenden Teil ihres Umfanges mit dem Werkstück 2', 2 in Kontakt gebracht werden kann. Die Drückrollen 16, 17 sind weiterhin in Drehrichtung des Werkstückes 2', 2 angeordnet, so daß sie vom sich drehenden Werkstück um ihre Achsen 16', 17' gedreht werden können.
  • Die erste, an der Innenseite der zu fertigenden Wölbung angreifende Drückrolle 16 ist relativ schmal und mit einem abgerundeten Umfang versehen, so daß auch bei engen Wölbungen nur der Umfang der ersten Drückrolle 16 mit dem Werkstück 2', 2 in Kontakt kommt. Die an der Außenseite der zu fertigenden Wölbung angeordnete, zweite Drückrolle 17 ist als Gegenrolle ausgebildet, gegen die die ersten Drückrolle 16 arbeitet.
  • Der Antrieb der Spannvorrichtung 3, die Stellantriebe 14 und 15 sowie die nicht gezeichneten Antriebe zum Bewegen der Werkzeugträger 10, 11 in die Richtungen 10a, 10b bzw. 11a, 11b sind mit einer gemeinsamen, ebenfalls nicht gezeichneten Steuerung verbunden. Die Steuerung kann eine CNC-Steuerung, eine Kopiersteuerung mit Schablonen oder irgendeine andere, bekannte Steuerung sein. Durch diese Steuerung werden die Drückrollen 16 und 17 während des Umformvorganges synchron geführt, so daß am Ort der Verformung immer beide Drückrollen 16, 17 gegeneinander arbeiten. Dabei werden beide Drückrollen 16, 17 durch eine kombinierte lineare Bewegung entlang der Doppelpfeile 10a, 10b bzw. 11a, 11b und eine Schwenkbewegung entlang der Doppelpfeile 12a, 13a jeweils in Richtung ihrer Achsen 16', 17' über eine Bahn entlang der Doppelpfeile 16a und 17a gesteuert, die der Kontur der in diesem Verformungsschritt auszubildenden Wölbung folgt. Die Bahnen 16a bzw. 17a der Drückrollen 16 bzw. 17 erstrecken sich radial zum Blechrohling 2' bzw. über einen Meridian der Wölbung, wobei die gemeinsame Ebene, in der die Bahnen 16a und 17a liegen, die Mittellinie 6 schneidet. Die Richtung der Verformung erfolgt vom Bereich nahe des Spannrings 4 zum Durchstoßpunkt der Mittellinie 6 durch das Werkstück 2', 2 am Pol und zurück, wobei sich die Rollen 16, 17 in der durchgezogen gezeichneten Stellung in Fig. 2 in der Nähe eines Umkehrpunktes der Bahnsteuerung und in der gestrichelt gezeichneten Stellung in der Nähe des anderen Umkehrpunktes der Bahnsteuerung befinden. Dabei erfolgt die Bahnsteuerung derart, daß sich beide Drückrollen 16, 17 nur um den Mittelpunkt der Krümmung ihrer Umfangsflächen (Radius R) in ihrer Stellung relativ zueinander verschwenken können, um keine Reibungskräfte zu erzeugen.
  • Die Steuerung bewirkt weiterhin eine Zustellbewegung der Drückrolle 16 in Richtung auf die Gegenrolle 17 und von ihr weg, um den Abstand zwischen den beiden Drückrollen 16 und 17 auf die sich im Verlaufe des Verformungsvorganges verringernden Wandstärken des Werkstückes 2', 2 einzustellen. Diese Zustellbewegung kann während des Verformungsvorganges erfolgen und beispielsweise durch Drucksensoren an den Drückrollen gesteuert werden. Darüber hinaus ist auch eine vorab festgelegte Steuerung des Rollenabstandes möglich, wenn Bereiche des Werkstückes 2', 2 unterschiedlich stark verformt werden sollen, z.B. um die Schalen 2 mit unterschiedlichen Wandstärken zu versehen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 arbeitet wie folgt: Nach dem Einspannen der Blechronde 2' wird der Spannring 4 durch den Antrieb 7 um die Mittellinie 6 in Richtung des Pfeiles 6a gedreht. Dann werden die Drückrollen 16 und 17 mit einem vorbestimmten Abstand zueinander von gegenüberliegenden Seiten her an den Rohling 2' herangeführt und radial zum Rohling 2' in einer für den ersten Verformungsschritt vorgegebenen Bahn 16a bzw. 17a über den Rohling 2' geführt, so daß sich in Verbindung mit der Drehung des Rohlings 2' eine spiralförmig um die Mittellinie 6 verlaufende Verformungslinie ergibt. Die Drehzahl des Spannsrings 4, der Abstand der Drückrollen 16, 17 sowie die Form und Geschwindigkeit der Bahnsteuerung in Richtung der Pfeile 16a und 17a werden derart aufeinander und auf den verwendeten Werkstoff abgestimmt, daß durch die Drückrollen 16 und 17 allein Druckkräfte zum Verformen des Werkstoffes ausgeübt werden, während sich eventuell einstellende Zugkräfte in ihrer Größe unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffes bleiben und somit keinen Beitrag zur plastischen Verformung leisten. Der Werkstoff wird somit zwischen den Drückrollen 16 und 17 lediglich gequetscht, wobei dem Werkstoff gestattet wird, sich im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Drückkräfte zu längen. Durch die Bahnsteuerung der Drückrollen 16, 17 wird sichergestellt, daß diese Materiallängung nicht zum Ausbeulen führt, sondern die gewünschte Wölbung formt, ohne daß dafür, wie bei herkömmlichen Drückverfahren, das Material durch Zugspannungen gedehnt werden müßte.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde z.B. eine Tankhalbschale aus der Titanlegierung Ti 15-3 geformt. Als Rohling wurde eine Blechronde mit einem Durchmesser von 510mm mit einer Schneidrollenmaschine aus einem kaltgewalzten Blech in lösungsgeglühtem und abgeschrecktem Zustand, Blechstärke 2,08mm, ausgeschnitten. Die Blechronde wurde mit Hilfe zweier Drückrollen nur unter Anwendung von Druckkräften in 28 Umformschritten ohne Zwischenglühung zu einer halbkugelförmigen Schale mit einem Öffnungsdurchmesser von 444,8mm, einer unveränderten Wandstärke von 2,08mm direkt am Pol, einer Wandstärke von 2mm im Winkelabstand von etwa 5° zum Pol, einer Wandstärke von 1,32mm direkt benachbart der Einspannstelle an der Schalenöffnung und einem zwischen der Schalenöffnung und dem Pol kontinuierlich bis auf etwa 0,76mm abfallenden und anschließend kontinuierlich wieder ansteigenden Wandstärkenverlauf, verformt. In der fertigen Tankhalbschale wurden weder Ermüdungsrisse noch Formdiskontinuitäten, wie beispielsweise Falten oder Beulen, festgestellt. Die Maßabweichungen zur vorgegebenen Form und Wandstärke (geringste erreichte Wandstärke 0,76; Vorgabe 0,8mm; erzielter Öffnungsdurchmesser 444,8mm, Vorgabe 445mm) lagen innerhalb des Toleranzbereichs. Diese Maßabweichungen waren darauf zurückzuführen, daß bei der verwendeten Vorrichtung die Drückrollen 16, 17 nicht verschwenkbar, d.h. nicht mit den Achsen 12a, 13a am Werkzeugträger 10, 11 gelagert waren. Darüber hinaus wurde die an der Innenseite der Schale angreifende Drückrolle 16 durch eine induktive Kopiereinrichtung nach einer Kopierschablone und die Gegenrolle 17 von Hand über Hydraulikventile bahngesteuert.
  • Es wurde weiterhin eine Tankhalbschale mit einem Öffnungsdurchmesser von 950mm hergestellt. Als Ausgangsmaterial diente eine vorkonturierte Blechronde, deren Blechdicke in der Nähe ihres Mittelpunktes 3,2mm und im übrigen, äußeren Randbereich 2,1mm betrug. Der Übergang zwischen den beiden Wandstärkenbereichen war ausgerundet. Die Konturierung erfolgte durch speziell für Titanlegierungen entwickelte Schleif- oder Drehbearbeitungsverfahren. Diese vorkonturierte Blechronde wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Tankhalbschale mit einem Öffnungsdurchmesser von 950mm kalt und ohne Zwischenglühen verformt. Dabei wurde auch das Material im Polbereich der Schale verformt und damit gestreckt, so daß sich die Wandstärke im Pol auf 3,0mm reduzierte. Die Wandstärke im Öffnungsbereich der Schale betrug 1,2mm. Zwischen der Schalenöffnung und dem Pol verjüngte sich zunächst die Wandstärke auf 0,8mm und stieg dann kontinuierlich wieder an. Der Dickensprung der vorkonturierten Blechronde wurde zwar etwas ausgeglichen, war aber noch sichtbar. Auch diese Tankhalbschale zeigte nach der Verformung weder Ermüdungsrisse noch Formdiskontinuitäten, wie Falten oder Beulen.
  • Durch eine geeignete Bahnsteuerung der Drückrollen können außer den beschriebenen Schalen mit sich kontinuierlich ändernden Wandstärken auch Schalen mit einer nahzu konstanten Wandstärke hergestellt werden.
  • In Abwandlung des beschriebenen und gezeichneten Ausführungsbeispieles können wie bereits erwähnt, die Drückrollen auch nur zweiachsig linear bewegt werden, wenn größere Herstellungstoleranzen erlaubt sind. Die Form und Größe der Drückrollen kann gemäß der zu leistenden Verformungsarbeit verändert werden. Dabei können beide Drückrollen die gleiche Form aufweisen. Unter Umständen kann anstelle der Blechronde auch ein bereits vorgeformter Rohling eingesetzt werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Verformen eines Blechrohlings (2') aus einem Werkstoff mit exponentialem Zugspannungs-Dehnungs-Verhalten, insbesondere einer Titan-β-Legierung, zu einer dünnwandigen, hohlen Schale (2), insbesondere mit einer Wandstärke zwischen 0,3 und 3mm, wobei der Blechrohling (2') umfangsseitig eingespannt, um seine Mittellinie (6) rotierend gedreht und zwischen einer ersten und einer zweiten, an gegenüberliegenden Seiten des Blechrohlings (2') angreifenden, bahngesteuerten Drückrolle (16, 17) allein durch lokale Druckkräfte zur Schale (2) kaltverformt wird, wobei die Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück (2', 2) und Drückrollen (16, 17) und die von den Drückrollen (16, 17) auf das Werkstück (2', 2) ausgeübte Kraft derart aufeinander abgestimmt werden, daß in das Werkstück (2', 2) eingebrachte Zugkräfte unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffes liegen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnsteuerung der Drückrollen (16, 17) wenigstens in zwei Richtungen (10a, 10b, 11a, 11b) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drückrollen (16, 17) beim Verformen vom Umfang des Werkstückes (2', 2) in Richtung (16a, 17a) auf die Mittellinie (6) und zurück in einer sich im wesentlichen durch die Mittellinie (6) erstreckenden Ebene bewegt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drückrollen (16, 17) frei um ihre Rollenachse (16', 17') drehbar sind.
  5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer ringförmig angeordneten Spanneinrichtung (3) zum Einspannen eines Umfangsbereichs eines Blechrohlings (2'), mit einem Antrieb (7) zum rotierenden Antreiben der Spanneinrichtung (3) um eine senkrecht zur Ebene des Blechrohlings (2') verlaufende Mittellinie (6), mit einer ersten an einer Seite der Spanneinrichtung (3) und einer zweiten, an der anderen Seite der Spanneinrichtung (3) angeordneten, bahngesteuerten Drückrolle (16, 17) und einer Steuerung zum Bahnsteuern der Drückrollen (16, 17).
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drückrollen (16, 17) wenigstens zwei Bewegungsrichtungen (10a, 10b, 11a, 11b) aufweisen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drückrollen (16, 17) wenigstens drei Bewegungsrichtungen (10a, 10b, 12a, 11a, 11b, 13a) aufweisen.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Drückrollen (16, 17) über einen um eine Drehachse (12', 13') bewegbaren Arm (12, 13) auf einem Werkzeugträger (10, 11) angeordnet ist, der in zwei zueinander senkrechten Richtungen (10a, 10b, 11a, 11b) parallel sowie quer zur Mittellinie (6) linear verschiebbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drückrollen (16, 17) über eine senkrecht zur Drehachse (12', 13') des Arms (12, 13) verlaufende Rollenachse (16', 17') frei drehbar am Arm (12, 13) angeordnet sind.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung eine CNC-Steuerung ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung eine Kopiersteuerung nach Schablonen enthält.
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