EP1972393A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Warmumformung von Blechen aus titanbasierten Legierungen - Google Patents

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EP1972393A1
EP1972393A1 EP08150875A EP08150875A EP1972393A1 EP 1972393 A1 EP1972393 A1 EP 1972393A1 EP 08150875 A EP08150875 A EP 08150875A EP 08150875 A EP08150875 A EP 08150875A EP 1972393 A1 EP1972393 A1 EP 1972393A1
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    • Y10T29/49805—Shaping by direct application of fluent pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for hot forming sheet metal of titanium-based alloys and a forming device for carrying out the method.
  • Titanium alloys are generally considered to be difficult to deform and often have less predictable deformation properties than other alloys such as steel or aluminum alloys.
  • the degree of springback which occurs mainly in the cold deformation of thin titanium sheets, but more rarely also in the hot forming, can be difficult to determine in advance.
  • Many titanium alloy components are therefore manufactured by molding at elevated temperatures or, in the case of components having straight sections and a sufficiently large bending radius of the tool, also by cold forming, optionally in a plurality of deformation steps or with a subsequent thermoforming step.
  • over-molding has also been proposed.
  • Further problems in the forming of titanium include the risk of cracking, tool wear and embrittlement of the material, especially during thermoforming, and a tendency to unevenness due to the anisotropy of thin sheets.
  • the improved ductility of titanium alloys at elevated temperature is accompanied by a reduction in springback and yield strength and allows deformation in only one deformation step. Apart from the considerable expenditure on equipment and energy required for the required heating of the tool, only slight deformation rates associated with long hold times at high temperatures are possible, so that the hot-forming process is very cost-intensive.
  • Some titanium alloys have superplastic properties in hot deformation at very high temperature, but at temperatures above 540 ° C, a protective gas atmosphere or coating of the workpiece is required, as the material tends to embrittle and scale up upon oxygenation.
  • the superplastic properties of some titanium alloys are found in the temperature range between 870 and 950 ° C and at very low deformation rates. The low yield stress at these temperatures and the low strain rates require low deformation forces.
  • the possible deformation in a single step in a protective gas atmosphere or in a vacuum Due to the high mold temperatures and the very high oxygen affinity of titanium at these temperatures and the associated increased oxidation and embrittlement risk, the high degree of deformation and the avoidance of springback must be paid for at a high cost.
  • the invention has for its object to provide a method for hot forming of titanium sheet, with reduced cost of tools and energy and reduced tool wear in a single forming step ensures the provision of high quality titanium sheet products.
  • the basic idea of the invention in other words, is that the titanium sheet to be formed is heated to a hot working temperature in a sealed tool by the radiant heat of tooling integrated heating elements to a hot working temperature not exceeding 600 ° C heated gaseous pressure medium and a generated on the side remote from the pressure medium workpiece side negative pressure is transformed.
  • Heating elements for heating the titanium sheet to be formed by thermal radiation and at least one inlet opening connected to a pressure medium source for supplying a heated gaseous pressure medium acting on the heated titanium sheet with a specific forming force are integrated in the hollow body of the mold.
  • At least one exhaust opening connected to a vacuum pump is provided in the molding tool in order to generate a negative pressure or a vacuum on the side of the titanium sheet to be reshaped from the pressure medium.
  • titanium sheet can be formed in one operation and without springback and without damage to the material and with low expenditure on equipment and energy.
  • the titanium sheet 5 to be formed is in a thickness of ⁇ 1 mm.
  • a sealing element 6 is formed, which ensures a secure seal between the titanium sheet 5 and the mold 1 and between the titanium sheet 5 and the hollow body 4 of the mold.
  • a vacuum pump (not shown) connected to the exhaust port 7 is provided while the hollow body 4 is connected via an inlet opening 8 with a compressed gas source (not shown).
  • Kanthal heating resistors When the mold 1 and the hollow body 4, which are both cold, sealingly abut the titanium sheet 5 ( Fig. 2 ), a vacuum or at least a negative pressure is generated in the mold cavity 10 between the tool contour 3 and the titanium sheet 5.
  • the titanium sheet 5 is heated by the radiant heat of the heating elements 9 of about 1600 ° C to a temperature of about 600 ° C.
  • mold cavity 11 is heated to about 600 ° C gaseous forming medium, here argon, introduced under a pressure of 40bar in sealingly closed state of the forming, due to its pressure effect the heated titanium sheet 5, namely is deformed in the direction of mold contour 3 due to the previously generated vacuum without back pressure and without damaging gas on the underside of the titanium sheet. Since the mold 1 is cold, the material cools when hitting the mold contour 3 or a projecting portion 12 (FIG. Fig.
  • gaseous forming medium here argon
  • Fig. 1 shows the forming device before closing the two mold halves - mold 1 and hollow body 4.
  • the gaseous forming pressure medium is introduced into the mold cavity 11 and generates a negative pressure in the mold cavity 10.
  • the titanium sheet 5 is already deformed so far with activated heating elements 9 under the action of the pressure medium, that at a portion 12 of the molding contour 3 the cooled finished contour of the workpiece is reached.
  • the forming process is completed. The supply of the pressure medium and the vacuum generation and the heat generation by means of the heating elements are interrupted. After opening the forming device, the finished, deformed without springback or material damage workpiece 2 can be removed from the cold tool.

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Abstract

Das umzuformende Titanblech (5) wird gemäß der Erfindung in einem abdichtend geschlossenen Werkzeug (1) durch die Strahlungswärme von in das Werkzeug integrierten Heizelementen (9) auf eine 600°C nicht überschreitende Umformtemperatur erwärmt und unter der Wirkung eines in das Werkzeug eingeführten, auf die Warmformgebungstemperatur erwärmten gasförmigen, nicht oxidierend wirkenden Druckmediums und eines auf der vorn Druckmedium abgewandten erzeugten Unterdrucks gegen eine kalte Werkzeugkontur (3) umgeformt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Warmumformung von Blech aus titanbasierten Legierungen und eine Umformvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Titanlegierungen werden im Allgemeinen als schwer verformbar angesehen und haben oftmals gegenüber anderen Legierungen wie Stahl oder Aluminiumlegierungen in geringerem Maße vorhersehbare Verformungseigenschaften. Insbesondere der Grad der Rückfederung, die überwiegend bei der Kaltverformung von dünnen Titanblechen, seltener aber auch bei der Warmformgebung auftritt, kann nur schwer im Voraus bestimmt werden. Viele Bauteile aus Titanlegierungen werden daher durch Formgebung bei erhöhten Temperaturen oder - bei Bauteilen mit geraden Abschnitten und ausreichend großem Biegeradius des Werkzeugs - auch durch Kaltformgebung - gegebenenfalls in mehreren Verformungsschritten oder mit einem anschließenden Warmformgebungsschritt - hergestellt. Um die mit der Rückfederung verbundenen Nachteile zu verringern, wurde auch schon eine Überformung vorgeschlagen. Weitere Probleme bei der Umformung von Titan sind die Gefahr der Rissbildung, der Werkzeugverschleiß und eine Versprödung des Werkstoffs, insbesondere beim Warmformgeben, sowie eine Tendenz zur Ungleichmäßigkeit aufgrund der Anisotropie dünner Bleche.
  • Eine Kaltverformung von Titan und Titanlegierungen ist bei sehr einfachen Geometrien des Werkstücks und großen Biegeradien des Werkszeugs sowie unter Erwärmung des Umformwerkzeugs in einem mehrstufigen Verfahren bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur im Bereich zwischen 215 und 315°C möglich.
  • Die bessere Verformbarkeit von Titanlegierungen bei erhöhter Temperatur geht mit einer Verringerung der Rückfederung und der Streckgrenze einher und erlaubt eine Verformung in nur einem Verformungsschritt. Abgesehen von dem mit der erforderlichen Erwärmung des Werkzeugs erheblichen apparativen und Energieaufwand, sind nur geringe, mit langen Haltezeiten bei hohen Temperaturen verbundene Verformungsgeschwindigkeiten möglich, so dass das Warmverformungsverfahren sehr kostenintensiv ist.
  • Einige Titanlegierungen haben bei der Warmverformung bei sehr hoher Temperatur superplastische Eigenschaften, jedoch ist bei Temperaturen oberhalb 540°C eine Schutzgasatmosphäre oder eine Beschichtung des Werkstücks erforderlich, da das Material bei einer Sauerstoffanreicherung zur Versprödung und Verzunderung neigt. Die superplastischen Eigenschaften einiger Titanlegierungen sind im Temperaturbereich zwischen 870 und 950°C und bei sehr geringen Verformungsgeschwindigkeiten zu verzeichnen. Die geringe Fließspannung bei diesen Temperaturen und die geringen Verformungsgeschwindigkeiten erfordern geringe Verformungskräfte. Zur Vermeidung der Oberflächenoxidation erfolgt die in einem einzigen Schritt mögliche Verformung in einer Schutzgasatmosphäre bzw. im Vakuum. Aufgrund der hohen Werkzeugtemperaturen und der bei diesen Temperaturen sehr hohen Sauerstoffaffinität des Titans und der damit verbundenen erhöhten Oxidation und Versprödungsgefahr muss der hohe Verformungsgrad und die Vermeidung der Rückfederung mit einem hohen Kostenaufwand erkauft werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Warmumformen von Titanblech anzugeben, das bei vermindertem Kostenaufwand für Werkzeuge und Energie und vermindertem Werkzeugverschleiß in einem einzigen Umformschritt die Bereitstellung qualitativ hochwertiger Titanblecherzeugnisse gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Umformvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, dass das umzuformende Titanblech in einem abdichtendend geschlossenen Werkzeug durch die Strahlungswärme von in das Werkzeug integrierten Heizelementen auf eine 600°C nicht überschreitende Warmumformungstemperatur erwärmt und unter der Wirkung eines in das Werkzeug eingeführten, auf die Warmformgebungstemperatur erwärmten gasförmigen Druckmediums und eines auf der vom Druckmedium abgewandten Werkstückseite erzeugten Unterdrucks umgeformt wird.
  • Die erfindungsgemäße Umformvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst ein die Formwerkzeugkontur aufweisendes Formwerkzeug und einen Werkzeughohlkörper, zwischen denen das umzuformende Titanblech abdichtend gehalten ist. In den Werkzeughohlkörper sind Heizelemente zur Erwärmung des umzuformenden Titanblechs durch Wärmestrahlung sowie mindestens eine an eine Druckmediumquelle angeschlossene Einlassöffnung zur Zuführung eines mit einer bestimmten Umformkraft auf das erwärmte Titanblech wirkenden erwärmten gasförmigen Druckmediums integriert. In dem Formwerkzeug ist mindestens eine an eine Vakuumpumpe angeschlossene Abzugsöffnung vorgesehen, um auf der vom Druckmedium abgewandten Seite des umzuformenden Titanblechs einen Unterdruck oder ein Vakuum zu erzeugen.
  • Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der entsprechenden Umformvorrichtung kann Titanblech in einem Arbeitsgang und ohne Rückfederung sowie ohne Materialschädigung und bei geringem apparativem Aufwand und Energieaufwand umgeformt werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Umformvorrichtung für Titanblech in geöffnetem Zustand mit eingelegtem, unverformtem Werkstück ;
    Fig. 2
    die Umformvorrichtung nach Fig. 1 in geschlossenem Zustand während des Formgebungsvorgangs; und
    Fig. 3
    die Umformvorrichtung mit dem fertig geformten Werkstück.
  • Zwischen einem Formwerkzeug 1, das eine der gewünschten Form des fertigen Werkstücks 2 entsprechende Formwerkzeugkontur 3 aufweist, und einem Werkzeughohlkörper 4 befindet sich das umzuformende Titanblech 5, hier aus Ti-A16V4, in einer Stärke von < 1mm. An den einander gegenüberliegenden Auflageflächen des Formwerkzeugs 1 und des Werkzeughohlkörpers 4 ist ein Dichtelement 6 ausgebildet, das für eine sichere Abdichtung zwischen dem Titanblech 5 und dem Formwerkzeug 1 sowie zwischen dem Titanblech 5 und dem Werkzeughohlkörper 4 sorgt. In dem Formwerkzeug 1 ist eine an eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) angeschlossene Abzugsöffnung 7 vorgesehen, während der Werkzeughohlkörper 4 über eine Einlassöffnung 8 mit einer Druckgasquelle (nicht dargestellt) verbunden ist. An der dem Blechrohling 5 gegenüberliegenden Innenfläche des Werkzeughohlkörpers 4 sind auf das Titanblech 5 gerichtete Heizelemente 9, hier: Kanthal-Heizwiderstände, angebracht. Wenn das Formwerkzeug 1 und der Werkzeughohlkörper 4, die beide kalt sind, abdichtend an dem Titanblech 5 anliegen (Fig. 2) wird in dem zwischen der Werkzeugkontur 3 und dem Titanblech 5 bestehenden Formwerkzeughohlraum 10 ein Vakuum bzw. zumindest ein Unterdruck erzeugt. Das Titanblech 5 wird durch die Strahlungswärme der Heizelemente 9 von ca. 1600°C auf eine Temperatur von etwa 600°C erwärmt. In den zwischen dem Titanblech 5 und dem Werkzeughohlkörper 4 verbleibenden Werkzeughohlraum 11 wird in abdichtend geschlossenem Zustand der Umformvorrichtung ein auf etwa 600°C erwärmtes gasförmiges Umformmedium, hier Argon, unter einem Druck von 40bar eingebracht, aufgrund dessen Druckwirkung das erwärmte Titanblech 5, und zwar infolge des zuvor erzeugten Vakuums ohne Gegendruck und ohne schädigende Gaseinwirkung an der Unterseite des Titanblechs, in Richtung Formwerkzeugkontur 3 verformt wird. Da das Formwerkzeug 1 kalt ist, erkaltet das Material beim Auftreffen auf die Formwerkzeugkontur 3 oder einen vorstehenden Abschnitt 12 (Fig. 2) von dieser sofort, so dass die umgeformte Werkstückkontur sofort stabilisiert wird und von diesem frühen Zeitpunkt an auch keine Werkstoffschädigung in Form einer Versprödung durch Gasaufnahme (Wasserstoff, Sauerstoff) und Oxidation, die wegen der 600°C nicht überschreitenden Erwärmung des Werkstücks bereits begrenzt ist, zu verzeichnen ist.
  • Fig. 1 zeigt die Umformvorrichtung vor dem Schließen der beiden Werkzeughälften - Formwerkzeug 1 und Werkzeughohlkörper 4. In der in Fig. 2 gezeigten Darstellung mit abdichtend geschlossenen Werkzeughälften wird in den Werkzeughohlraum 11 das gasförmige Umformdruckmedium eingebracht und in dem Formwerkzeughohlraum 10 ein Unterdruck erzeugt. Das Titanblech 5 ist bei zugeschalteten Heizelementen 9 unter der Wirkung des Druckmediums bereits soweit verformt, dass an einem Abschnitt 12 der Formwerkzeugkontur 3 die erkaltete Fertigkontur des Werkstücks erreicht ist. In Fig. 3 ist der Umformvorgang abgeschlossen. Die Zufuhr des Druckmediums und die Unterdruckerzeugung sowie die Wärmeerzeugung mittels der Heizelemente sind unterbrochen. Nach dem Öffnen der Umformvorrichtung kann das fertige, ohne Rückfederung oder Materialschädigung verformte Werkstück 2 aus dem kalten Werkzeug entnommen werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Formwerkzeug
    2
    Werkstück
    3
    Formwerkzeugkontur
    4
    Werkzeughohlkörper
    5
    Titanblech
    6
    Dichtelement
    7
    Abzugsöffnung
    8
    Einlassöffnung
    9
    Heizelemente
    10
    Formwerkzeughohlraum (Vakuum, Unterdruck)
    11
    Werkzeughohlraum (Verformungsdruck)
    12
    vorstehender Abschnitt v. 3

Claims (9)

  1. Verfahren zur Warmumformung von Blech aus titanbasierten Legierungen in einer Umformvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das umzuformende, zwischen zwei abdichtend geschlossenen Werkzeughälften gehaltene Titanblech durch die Wärmestrahlung von in das Werkzeug integrierten Heizelementen auf Warmformgebungstemperatur erwärmt und unter der Wirkung eines erwärmten gasförmigen, von oxidierenden Bestandteilen freien Druckmediums sowie eines auf der vom Druckmedium abgewandten Seite des Titanblechs erzeugten Unterdrucks ohne Gegendruck gegen die kalte Werkzeugkontur verformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmverformungstemperatur 600°C nicht überschreitet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmedium auf die jeweilige Warmformgebungstemperatur erwärmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des gasförmigen Druckmediums in Abhängigkeit vom Werkstoff, der Materialstärke, der Werkstückkontur und der Warmformgebungstemperatur variabel ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckmedium ein inertes Gas eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmedium außerhalb der Umformvorrichtung in einem Wärmetauscher erwärmt wird.
  7. Umformvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein eine Formwerkzeugkontur (3) aufweisenden Formwerkzeug (1) und einen Werkzeughohlkörper (4), zwischen denen das umzuformende Titanblech (5) abdichtend gehalten ist, wobei in dem Werkzeughohlkörper (4) auf das Titanblech (5) gerichtete Heizelemente (9) und eine Einlassöffnung (8) zur Zuführung eines gasförmigen Druckmediums und in dem Formwerkzeug (1) eine Abzugsöffnung (7) zur Erzeugung eines Vakuums vorgesehen sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (9) in den Werkzeughohlkörper (4) integrierte Kanthal-Heizwiderstände sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - jeweils über Ventileinrichtungen - die Einlassöffnung (8) über einen Wärmetauscher an eine Druckmedienquelle und die Abzugsöffnung (7) an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist.
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