EP1972393B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Warmumformung von Blechen aus titanbasierten Legierungen - Google Patents

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EP1972393B1
EP1972393B1 EP08150875A EP08150875A EP1972393B1 EP 1972393 B1 EP1972393 B1 EP 1972393B1 EP 08150875 A EP08150875 A EP 08150875A EP 08150875 A EP08150875 A EP 08150875A EP 1972393 B1 EP1972393 B1 EP 1972393B1
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • 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 according to the preamble of claim 1.
  • a method for hot forming sheet metal of titanium-based alloys according to the preamble of claim 1.
  • Such a method is for example from US-B-6202276 known.
  • 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.
  • US-B-6202276 and US-A-4984348 are known methods of hot forming sheet metal of titanium-based alloys in a forming apparatus and forming devices for performing the method, wherein the reshaped held between two sealingly closed tool halves titanium sheet heated by the heat radiation of integrated in the tool heating elements to thermoforming temperature and under the action of a heated gaseous , Free pressure medium produced by oxidizing constituents and a negative pressure generated on the side facing away from the pressure medium side of the titanium sheet without counter pressure against the cold tool contour is deformed.
  • temperatures between 180 and 310 ° C and in the range of 870 to 925 ° C are applied.
  • 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 little 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, which ensures the provision of high quality titanium sheet products at a reduced cost of tools and energy and reduced tool wear in a single forming step.
  • the object is achieved by a method according to claim 1, characterized in that the hot deformation temperature does not exceed 600 ° C.
  • the basic idea of the invention is that the titanium sheet to be formed is heated in a sealingly closed mold by the radiant heat of tools integrated in the mold to a hot forming temperature not exceeding 600 ° C. and under the effect of a gaseous pressure medium introduced into the mold and heated to the thermoforming temperature and a negative pressure generated on the workpiece side remote from the pressure medium is reshaped.
  • 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 plate 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).
  • the titanium sheet 5 heating elements here Kanthal heating resistors attached.
  • the 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 effect of the pressure medium, that at a portion 12 of the molding tool 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 as well as 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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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Warmumformung von Blech aus titanbasierten Legierungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel aus der US-B-6202276 bekannt.
  • 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.
  • Aus US-B-6202276 und US-A-4984348 sind Verfahren zur Warmumformung von Blech aus titanbasierten Legierungen in einer Umformvorrichtung und Umformvorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens bekannt, wobei das umzuformende, zwischen zwei abdichtend geschlossenen Werkzeughälften gehaltene Titanblech durch die Wärmestrahlung von in das Werkzeug integrierten Heizelementen auf Warmformungstemperatur erwärmt und unter der Wirkung eines erwärmten gasförmigen, von oxydierenden Bestandteilen freien Druckmediums sowie eines auf der vom Druckmedium abgewandten Seite des Titanbleches erzeugten Unterdrucks ohne Gegendruck gegen die kalte Werkzeugkontur verformt wird. Hierbei werden Temperaturen zwischen 180 und 310 °C bzw. im Bereich von 870 bis 925 °C angewandt.
  • 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 nach Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass die Warmverformungstemperatur 600°C nicht überschreitet.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht 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 Warmformungstemperatur erwärmten gasförmigen Druckmediums und eines auf der vom Druckmedium abgewandten Werkstückseite erzeugten Unterdrucks umgeformt wird.
  • Mit dem vorgeschlagenen Verfahren 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 einer in den anliegenden Zeichnungen dargestellten Umformvorrichtung für Titanblech näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    die Umformvorrichtung im geöffnetem Zustand mit eingelegtem, unverformtem Werkstück,
    Fig. 2
    die Umformvorrichtung nach Fig. 1 in geschlosse- nem 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 TiA16V4, 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.
  • Die 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 (5)

  1. Verfahren zur Warmumformung von Blech aus titanbasierten Legierungen in einer Umformvorrichtung, wobei das umzuformende, zwischen zwei abdichtend geschlossenen Werkzeughälften (1, 4) gehaltene Titanblech (5) durch die Wärmestrahlung von in das Werkzeug integrierten Heizelementen (9) auf Warmverformungstemperatur erwärmt und unter der Wirkung eines erwärmten gasförmigen, von oxidierenden Bestandteilen freien Druckmediums sowie eines auf der vom Druckmedium abgewandten Seite des Titanblechs (5) erzeugten Unterdrucks ohne Gegendruck gegen die kalte Werkzeugkontur (3) verformt wird, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Warmverformungstemperatur 600°C nicht überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmedium auf die jeweilige Warmverformungstemperatur erwärmt wird.
  3. 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.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckmedium ein inertes Gas eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmedium außerhalb der Umformvorrichtung in einem Wärmetauscher erwärmt wird.
EP08150875A 2007-03-23 2008-01-31 Verfahren und Vorrichtung zur Warmumformung von Blechen aus titanbasierten Legierungen Not-in-force EP1972393B1 (de)

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