EP2707158A1 - Verfahren zur fertigung von verbundteilen durch eine kombination aus tiefziehen und fliesspressen - Google Patents

Verfahren zur fertigung von verbundteilen durch eine kombination aus tiefziehen und fliesspressen

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EP2707158A1
EP2707158A1 EP11735970.3A EP11735970A EP2707158A1 EP 2707158 A1 EP2707158 A1 EP 2707158A1 EP 11735970 A EP11735970 A EP 11735970A EP 2707158 A1 EP2707158 A1 EP 2707158A1
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EP
European Patent Office
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core material
elements
blank
deep
accumulation
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EP11735970.3A
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EP2707158B1 (de
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Andreas Jäger
Stephan HÄNISCH
Stephan BRÖCKERHOFF
Erman Tekkaya
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Technische Universitaet Dortmund
Original Assignee
Technische Universitaet Dortmund
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K25/00—Uniting components to form integral members, e.g. turbine wheels and shafts, caulks with inserts, with or without shaping of the components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00—Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/22—Making metal-coated products; Making products from two or more metals
    • 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
    • B21D22/20—Deep-drawing
    • B21D22/203—Deep-drawing of compound articles
    • 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
    • B21D49/00—Sheathing or stiffening objects

Definitions

  • the invention relates to methods for the production of composite parts by a combination of deep drawing and extrusion according to the preamble of claim 1.
  • Object of the present invention is therefore to provide a forming process for the production of components with different material properties, with the due to the transformation of a secure warranty of local material properties is possible.
  • the method concerning the invention is based on a method for producing a composite part formed from core material and wrapping material by means of an extrusion process.
  • a generic method is further developed in an inventive manner that in a first process step, the at least part of the procedurally formed composite part outside covering shell material is produced by a deep drawing of a sheet-shaped or tubular blank in which the core material as a stamp insert for deep drawing of Envelope material is used, wherein shell material and core material come into close surface contact with each other, and then the thus preformed intermediate form of the composite part of deep-drawn shell material and partially enclosed core material is subjected to a common extrusion process in which the final shape of the composite part is produced plastically reshaping.
  • the invention relates to a combination of deep drawing and extrusion molding in a novel process in which a sheet-like shell material is deep-drawn by means of a core material resting on the sheet-like shell material and subsequently backfilled by extrusion.
  • the Core material assumes the function of a conventional deep-drawing die for the deep-drawing of the shell material, wherein the shell material is formed in a flow press, equipped with a punch, a die and a hold-down, for example, to a cup-shaped or cup-shaped body, which at least partially covers the core material on the outside and thus at least in sections determined in particular the surface properties of the composite part.
  • the transfer of the resulting composite part in the desired final contour is then carried out by extrusion of the thus produced intermediate stage of the composite part, for example by upsetting and / or pushing the intermediate stage of the composite part into or through the die.
  • the sheet-like shell material and the core material Due to the use of different materials for the sheet-like shell material and the core material, the method described for the production of components in which different requirements are placed on the local component properties. Examples of these requirements are a wear-resistant surface with low mass of the composite part or different thermal conductivities of core material and shell material.
  • the sheet-like design of the shell material and the deep-drawing process achieve very homogeneous and uniform material properties of the formed shell material, since the layer of shell material on the core material remains essentially unchanged in terms of material thickness and material properties relative to the blank of the shell material.
  • the layer of the wrapping material which determines at least parts of the outer shape of the composite part has homogeneous properties in itself and this is not disturbed by flow processes during forming.
  • an intimate composite material between shell material and core material by a material and / or positive connection, possibly also a frictional connection, by a separation of shell material and core material of the later composite part is reliably prevented.
  • the material properties of shell material and core material can be set very selectively on the later composite part and ensure that the combination properties of the composite part meet the requirements.
  • the composite part is formed from at least one core material and at least one shell material.
  • the material properties of core material and shell material can be selected according to the subsequent requirements of the composite steel and combined, which of course is also conceivable, for example, the Hüllmatertal multilayer design and about a wear-free surface on the later outer side of the composite part by a corresponding wear-free layer ensure, whereas on the inside of the wrapping material facing the core material, a layer is provided which bonds particularly well with the core material.
  • the core material itself can consist of several layers or sections or else of an inhomogeneous distribution of different materials which have different material properties.
  • core material and shell material may at least partially have different properties.
  • the covering material can be formed particularly resistant to abrasion, for example of a steel material, whereas the core material is lightweight, for example, made of a light metal.
  • the core material is lightweight, for example, made of a light metal.
  • the overall properties of the composite part have a high abrasion resistance in the outer region with a particularly low density and thus low weight in the core material.
  • the core material and / or the blank of the shell material may consist of a plastically deformable material, preferably a metallic material or a plastic.
  • plastically deformable material preferably a metallic material or a plastic.
  • plastically deformable plastic Substances for shell material and / or core material to use are conceivable.
  • the sheet-like blank of the wrapping material is held during the deep-drawing process between a die and a preferably segmented hold-down.
  • the deformation of the sheet-like blank by deep drawing is not significantly different from the known thermoforming sheet-like materials, which can be exercised by the example segmented hold down a targeted locally acting stress on the sheet-like blank of the shell material during deep drawing and thus a certain control of the flow of the sheet-shaped blank of the shell material is achieved.
  • the core material and the sheet-like blank of the wrapping material are positioned relative to each other and to the die, that the core material presses the sheet-like blank of the wrapping material into the die and deep-draws the sheet-like blank to form a suitable deep-drawing gap.
  • the formation of the deep-drawing gap depends primarily and thus the formation of the material flow of the sheet-like blank during deep drawing. This can be achieved, for example, by a corresponding positioning aid or by handling devices which position the core material relative to the die.
  • extrusion molding process wherein the preformed intermediate form of the core material and deep-drawn shell material between the die, an upper punch pressing on the core material and an anvil in at least one forming process by backward extrusion and / or by forward extrusion and / or plastically deformed by transverse extrusion molding and / or by hollow extrusion molding (everting) to the desired final shape.
  • thermoformed shell material and / or the core material form elements or shapes, preferably undercuts, folds and / or openings or the like.
  • core material and shell material connect form-fitting with each other.
  • the core material deformed during extruding flows into depressions, windows or similar openings of the wrapping material and thereby interlocks with the wrapping material in a form-fitting manner in addition to frictional engagement, if appropriate depressions, windows or similar openings are introduced in advance in the wrapping material or also produced in the thermoforming process become.
  • a solid material section is used as the core material.
  • a solid material portion such as a cylindrically shaped aluminum solid material is combined, for example, with a sheet-like steel material as a shell material, in which the solid material forms the stamp for deep-drawing deformation of the shell material as a core material and by an upper punch the blank of the shell material into the die suppressed.
  • thermoforming forming the massive core material will deform little to no, and thus be at least partially surrounded on the outside of the shell material. Due to their material properties, such as, for example, their elasticity and their surface properties, the covering material and this section of the core material will form a bond, which is then further solidified in the subsequent extrusion molding process.
  • the resulting intermediate Forming of the composite part are at least partially further deformed by extrusion, wherein depending on the type of extrusion process used, both reshaping of the core material and simultaneous reshaping of core material and shell material can be accomplished by extrusion.
  • extrusion it is conceivable to reform the core material only in the area not surrounded by the shell material, for example by backward extrusion, whereas forward extrusion of core material and shell material may reshape the entire intermediate form of the composite part together once again. Depending on this, the bond between shell material and core material will further solidify or change.
  • the deep-drawn shell material can invest in the desired final shape non-positively and / or positively to the block-shaped core material in the extrusion. This alone makes it possible to achieve a secure bond between shell material and core material, which also ensures the hull material for a secure connection of shell material and core material without a subsequent extrusion press treatment bedding.
  • the core material and the sheet-like blank of the shell material are at least partially covered with a coating of a lubricant.
  • Both deep drawing and extrusion require lubrication of the materials to be processed.
  • the workpieces are coated for this purpose in immersion baths over impregnated rollers or by spraying with a lubricant.
  • the blank of the shell material is only one-sided and the core material only partially coated with lubricant for the adjustment of the contact composite.
  • the core material and the sheet-like blank of the shell material are covered with an adhesion-increasing coating, at least in the area of direct contact.
  • an adhesion-increasing coating for example combination of aluminized steel sheet and aluminum core
  • it is possible to use coatings of shell material and core material for example combination of aluminized steel sheet and aluminum core, by means of which a particularly good adhesion of the shell material to the core material is achieved. is enough.
  • an adhesion-increasing coating to carry out an insulating or otherwise separating coating between shell material and core material, for example to influence heat transfer or electrical contact between shell material and core material.
  • the sheet-like blank of the shell material is supplied in a strip or occasionally the forming process.
  • the blank of the shell material in the form of platinum stacks or pre-cut (by shear cutting or laser cutting) tapes provided in which the blank on the section in function of Carrier tape remains. If the blank of the wrapping material is in the form of blanks or blanks, the blank of the wrapping material can be fed to the process periodically via guides, stops and slides. If the blank of the wrapping material provided in the form of ribbons, the trimmed sheet metal strip can be periodically pulled through between the die and downholder and separated by deep drawing.
  • a segmented hold-down can be used for controlling the sheet feeder.
  • the ejection of the finished composite part takes place as in conventional extrusion by means of an ejector. This can be used during the thermoforming operation as a counter punch, which prevents bulging of Hüllmatenals in the region of the bottom of the composite part.
  • a lightweight component having a solid surface can be produced.
  • Such a composite part thus closes the gap between light but less strong aluminum parts and steel components.
  • copper shavings can also be introduced in order, for example, to increase the thermal conductivity.
  • a mixture of aluminum and copper shavings is just as possible as a combination of other materials.
  • a filling with non-metallic materials or a combination of metal shavings and non-metallic filler material is also conceivable with regard to an improvement of lightweight components.
  • the accumulation of individual material elements can have structured material elements such as chips of very different characteristics (eg, turnings, milling chips, drill chips, etc.) and / or rather shapeless material elements such as grains or the like. It is important in this case above all that these material elements are able to establish a mechanical connection to one another when the core material formed in this way is compressed.
  • a particularly advantageous embodiment can be achieved in that the accumulation of individual material elements is formed inhomogeneous, preferably having material elements of different properties. In this way, by using different material elements in the matrix of the core material targeted zones of the same or different properties can be created, which are for example matched to component loads and their attack zones.
  • material elements made of copper are reinforced, whereas aluminum elements are provided in areas that are not so thermally relevant.
  • the accumulation of individual material elements may form a lamination of individual material elements of different properties, preferably layered along the longitudinal axis of the core material. Such stratification is technically easy to implement and often sufficient to adapt the material properties of the core material to the stresses of the composite part.
  • the accumulation of individual material elements in the forming is enclosed by a hollow mold into which a punch pressing on the material elements dips and precompresses the accumulation of individual material elements on the bent blank of the wrapping material.
  • Such formation of the accumulation of individual material elements before forming can be effected, for example, by a ring which can simultaneously be used as a hold-down for deep-drawing the wrapping material and whose opening is e.g. filled with chips completely or partially. If now an auxiliary punch which fits into the opening of the mold is placed on this pile and the accumulation is compressed with the upper punch, the accumulation is precompressed and reduces its volume, the material elements such as e.g. the chips are connected together at the same time, e.g. Weld together locally or stick together or get caught.
  • the accumulation of individual material elements is precompressed by the upper punch until the sheet-like blank of the shell material has also largely deformed by deep drawing.
  • the pressure on the blank of the wrapping material by the densifying as described above Accumulation of the material elements will lead to a thermoforming of the blank from reaching the necessary stresses in the blank, so that then the precompression of the accumulation of individual material elements and the deep drawing process will occur in parallel, the pre-compressed accumulation of individual material elements used as a stamp insert for the deep drawing of the shell material
  • the pre-compaction then comes to an end with the completion of the deep-drawing process.
  • the resulting intermediate shape of the composite part is further deformed at least in sections by extrusion.
  • the final degree of compaction of the material elements compacted to the core material will depend on the degree of deformation during extrusion, so that after the pre-compression before and during deep drawing can achieve a further compression and thus improve the adhesion of the material elements to each other.
  • metal chips preferably untreated or pretreated chips from cutting processes or already precompressed chip chips
  • metal chips are used as the accumulation of individual material elements.
  • other metallic or non-metallic material elements that are structured or not structured.
  • mixtures of such material elements and material elements made of different materials are conceivable.
  • the accumulation of individual material elements is compressed until the material elements form a permanently solid composite, in particular the material elements are welded or glued together.
  • the material combination between shavings and sheet metal in addition to deformations of casing material and material elements due to the composite of materials due to micro-fusing or diffusion processes, arises due to the high local pressures during forming.
  • the porosity or density of the material elements compacted to the core material is changed by subsequent pore formation, preferably by foaming a pressed foam-forming material or melting meltable material elements.
  • a further process step can follow, in which the compacted core material is foamed chemically or physically or certain with incorporated constituents are removed, for example, thermally or chemically.
  • the porosity or density of the material elements compressed to the core material can be influenced by the shaping and / or the compression and / or the mixture of the material elements, e.g. through the targeted by adding lightweight supplements.
  • the properties of the material elements compressed to the core material may be affected by materials of other properties, preferably other conductivity, specific gravity, damping or the like.
  • the material elements to be compacted to the core material are enclosed by cylindrically shaped hollow sheet metal blanks and / or cover-like blanks which are arranged and deformed between the accumulation of individual material elements and the surrounding hollow shape or on the upper punch side end of the core material.
  • the sheet metal blank of the blank of the shell material known during deep drawing problems such as wrinkles and tears can occur.
  • This can be counteracted by a rolled to an (overlapping) tube and coated outside sheet metal blank (alternatively: a piece of pipe) is placed on the blank of the shell material. This is followed by filling with chips and the usual forming process.
  • an adaptation of the stamp is required.
  • a lid with corresponding radii can be positioned above the die. If the ejector moves upwards, the composite part produced is pressed against the cover and the sheet edges are bent inwards. The sheet thus completely encloses the core material. After removing the cover, the composite part can be ejected as usual.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the method according to the invention with a solid core material and a sheet-like shell material as a stage plan during the deep-drawing of a front-side cup made of a 1, with a deep-drawing of a front cup and subsequent full-forward extrusion, a variant of the method according to FIG.
  • FIG. 11 shows a variant of the method according to FIG. 4 with the formation of a laterally protruding tab
  • Figure 12 - a variant of the method according to Figure 4 with the formation of a circumferential flange.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the method according to the invention with a solid core material 3 and a sheet-like blank 1 of the shell material 2 as a stage plan during deep drawing of a front cup from a sheet-like blank 1 of the shell material 2 and subsequent backward extrusion.
  • the device for carrying out the method is constructed in basically known manner, so that only the procedural features of the device should be mentioned here.
  • the deep drawing of the blank 1 is effected by an upper punch 7, below which the solid core material 3 is arranged and initially rests on the blank 1.
  • the blank 1 of the wrapping material 2 is held or clamped and guided between the upper side of a die 4 provided with a drawing opening 6 and a hold-down 5, wherein the hold-down 5 can be configured as a segmented hold-down 5 and one in the plane of the blank 1 can exert locally controlled pressure on the blank 1.
  • an ejector 8 can be seen, which forms an abutment in forming the composite part 18 to be produced and ejects the finished composite part 18 back up from the drawing opening 6.
  • the starting position before the beginning of the drawing operation of the sheet-shaped blank 1 of the shell material 2 can be seen, ie the solid core material 3 is without pressure on the blank 1 on.
  • the upper punch 7 and thus the solid core material 3 acting here as a stamp are pressed vertically from above into the die 4, the blank 1 is gradually pressed further and further into the drawing opening 6 of the die 4 and forms a bowl with a level bottom portion and an annular side wall.
  • the sheath material 2 is thereby deformed so that the side wall of the cup of the enveloping material 2 presses against the frontal surface of the core material 3 and rests tightly against this surface of the core material 3. This stage is shown in the lower left part of Figure 1.
  • the composite of Kenmaterial 3 and wrapping material 2 thus produced is then further deformed by a backward extrusion.
  • the bottom portion of the cup-shaped deformed envelope material 2 rests on the ejector 8 and can not be pushed further into the pull opening 6.
  • the core material 3 pressurized by the upper punch 7 will swerve outwards and upwards, the core material 3 will virtually flow upwards past the upper punch 7, and an upper-side depression will be formed in the core material 3.
  • the core material 3 will likewise expand radially and thus further strengthen the bond with the wrapping material 2.
  • the composite part 18 is finished and can be ejected after retraction of the upper punch 7 of the ejector 8 upwards.
  • the covering material 2 arranged locally around the lower end of the core material 3 around the core material 3 determines the surface properties of the composite part 18 in this area.
  • the covering material may be made of a hard and abrasion-resistant material, such as e.g. Steel are formed, whereas the core material consists of a lightweight aluminum.
  • a lightweight composite part with locally high abrasion resistance can be generated.
  • FIG. 2 shows only one stage of a variant of the method according to FIG. 1 with deep-drawing of an end-side cup and subsequent full-forward extrusion.
  • a deeper cup or better already a kind of unilaterally closed sleeve deep-drawn, which is pressed completely through the opposite of the drawing opening 6 constricted extrusion opening 22 in the subsequent extrusion.
  • the composite part 18 is once again reduced in diameter and stretched.
  • FIG. 3 shows a variant of the method according to FIG. 1 with deep-drawing of a tubular blank 1 of the wrapping material 2 and subsequent forward extrusion in the form of a staged plan.
  • a tubular shell material 2 is pushed onto the core material 3 and deep drawn in a manner not shown analogous to the procedure of Figure 1 and then extruded.
  • the region of the resulting casing material 2 is arranged tapering down on a part of the outer circumference of the core material 3 of the composite part 18.
  • FIG. 4 shows another embodiment of the method according to the invention with a core material 3 piled up from individual material elements, not shown in more detail, and a sheet-like blank 1 of the shell material 2 as a stage plan during the deep-drawing of an end cup from the sheet-like blank 1 of the shell material 2 and then forward. Extrusion shown.
  • the accumulation of the material elements can be formed, for example, from a heap of metal shavings, which are first filled loosely into a blank 9 receiving the function of the blank holder 5 from above onto the blank 1.
  • the material elements can be varied in many ways in the manner already described above in terms of shape, material, distribution and formation of the heap.
  • an auxiliary plunger 10 is placed and pressed into the opening of the hollow part 9, presses on the top of the upper punch 7 again. If now the upper punch 7 is pressed down as already described, the accumulation of the material elements forming the core material 3 is precompressed and thus the volume of such core material 3 is reduced significantly. Due to the compression of the material forming the core material 3 accumulation of the material elements from a certain degree of compaction by the pressure, the thermoforming limit of the blank 1 of the shell material 2 is exceeded and the blank 1 of the shell material 2 begins as already to figure 1 described to deform a kind of bowl. This stage is shown in the third part of Figure 4.
  • the accumulation of the material elements forming the core material 3 is not only compressed, but on the one hand local welds, entanglements and other fixings between the individual material elements and on the other hand the material elements are pressed into the cup-shaped enveloping material 2 and likewise fixed thereto. It thus forms a solid composite material between deformed shell material 2 and core material.
  • the upper punch 7 is moved upwards and the auxiliary punch and the hollow part 9 are removed. Subsequently, the upper punch moves down again and presses the composite of core material 3 and shell material 2 against the constriction of the extrusion opening and deforms this composite further by forward extrusion. In this case, core material 3 and shell material 2 are at least partially or even completely reformed (during full-forward extrusion) and with each other, whereby the composite between core material 3 and shell material 2 further promoted and the core material 3 is further compressed.
  • FIG. 5 shows a variant of the method according to FIG. 4 with deep-drawing of a tubular and a sheet-like blank 1 of the wrapping material and subsequent forward extrusion as well as rearward bending in the form of a staged plan.
  • the wrapping material 2 here consists of a tubular part 11 and a flat part 1, which are arranged adjacent to each other in the hollow part 9 and between the die 4 and hollow part 9.
  • the accumulation of the material elements of the core material 3 is filled in already described to Figure 4 way and pressed again by means of auxiliary punch 10 and punch 7 in the die 4.
  • auxiliary punch 10 and punch 7 in the die 4.
  • a cover 12 is placed over the upper punch side opening of the drawing die 4 and pressed from below with an ejector the largely finished composite part 18 up against the lid part 12.
  • the collar of the wrapping material 2 projecting upwards over the core material 3 bears against the inside of the cover part 12 and is pressed inwards, the core material completely or partially overlapping.
  • the resulting composite part is thus largely completely enclosed by the enveloping material 2.
  • FIG. 6 shows a variant of the method according to FIG. 4 with insertion of an insert part into the accumulation of individual material elements.
  • an additional insert part 14 e.g. made of a highly thermally conductive copper material is introduced into the core material 3 formed from an accumulation of material elements by fitting it to the flat blank 1 of the wrapping material 2 and then, e.g. the material elements formed from chips are filled into the hollow part 9.
  • the material elements of the core material surround it except for the upstanding on the blank 1 end face the insert 14 completely.
  • the insert part is firmly surrounded and fixed by the material elements of the core material 3.
  • a measuring wire 15 such as a strain gauge to be used Measuring wire is embedded in the core material and is deformed with. If this measuring wire is insulated from the core material 3, the mechanical stress in the form of strains or changes in shape of the composite part 18 can be detected on the finished composite part, for example via the resistance change of the measuring wire 15.
  • a mechanical part such as a screw 16 in a variant of the method according to FIG.
  • the 4 can also be made by inserting a screw 16 projecting through an opening 21 in the sheet-like casing material 2 into the aggregate of individual material elements.
  • the screw is inserted with the threaded portion through a previously introduced opening 21 in the blank 1 of the enveloping material 2 and protrudes from the underside of the blank 1 out.
  • the accumulation of individual material elements of the core material 3 is filled and compacted in the manner already described.
  • the threaded portion protrudes from the front side of the opening 21 of the shell material 2 of the composite part 18 and is safe and rotatably surrounded by the core material.
  • FIG. 9 shows in a very schematic way a variant of the method according to FIG. 1 with a deep drawing of disc / platinum blanks of the wrapping material and simultaneous transverse extrusion, the main flow direction of the composite of core material 3 and wrapping material 2 being transverse to FIG Pressure direction of the upper punch 7 extends and thereby radially outwardly projecting protuberances 17 are generated.
  • This idea can also be used to form, for example, tab-shaped form elements 19 from the wrapping material 2, as can be seen as a variant of the method according to FIG. 4 for the formation of a laterally protruding tab in FIG.
  • the per se round blank 1 is slotted for this, so that a tab 19 is formed.
  • This tab 19 can now be bent out after the reshaping of the composite part 18 already described.
  • a similar variant of the method according to FIG. 4 can also be used for the formation of a circumferential flange, as is roughly indicated in FIG. In this case, like the method according to FIG. 4, in the third forming stage a region of the enveloping material 2 is deformed outward like a flange 20 and surrounds the core material 3 projecting radially outwards.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung eines aus Kernmaterial (3) und Hüllmaterial (2) gebildeten Verbundteils (18) mittels eines Fließpressvorgangs, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt das zumindest einen Teil des verfahrensmäßig gebildeten Verbundteils (18) außenseitig bedeckende Hüllmaterial (2) durch einen Tiefziehvorgang aus einem blechförmigen oder rohrförmigen Rohling (1) hergestellt wird, bei dem das Kernmaterial (3) als Stempeleinsatz für das Tiefziehen des Hüllmaterials (2) verwendet wird, wobei Hüllmaterial (2) und Kernmaterial (3) in engen Oberflächenkontakt miteinander kommen, und anschließend die derart vorgeformte Zwischenform des Verbundteils (18) aus tiefgezogenem Hüllmaterial (2) und teilweise umschließenden Kernmaterial (3) einem gemeinsamen Fliesspressvorgang unterworfen wird, bei dem die Endform des Verbundteils (18) plastisch umformend hergestellt wird.

Description

Verfahren zur Fertigung von Verbundteilen durch eine Kombination aus Tiefziehen und Fließpressen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Fertigung von Verbundteilen durch eine Kombination aus Tiefziehen und Fließpressen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Herstellung von Verbundteilen erhält immer mehr zunehmende Bedeutung durch die Notwendigkeit, den Materialeinsatz für die Herstellung von Massenteilen oder auch hoch beanspruchten Bauteilen zu optimieren. Zum einen werden hochwertige Materialien in der Gewinnung immer teurer oder schlechter verfügbar, zum anderen besteht Bedarf danach, Bauteile gezielt belastungsgerechter auch hinsichtlich der verwendeten Materialien zu gestalten. Dabei kommt es häufig vor, dass bestimmte Materialeigenschaften der verwendeten Materialien nur in bestimmten Bereichen der Bauteile benötigt werden, wohingegen in anderen Bereichen andere oder nicht so hohe Materialeigenschaften ausreichend sind. So ist es z.B. bei gehärteten Bauteilen schon seit langem üblich, durch metallurgische Prozesse gezielt eine Härtung von Materialien nur in den z.B. abrasiv beanspruchten Bereichen vorzunehmen und andere Bereiche nicht zu härten. Ähnlich geht man z.B. auch bei der Beschtchtung von Bauteilen vor, bei der z.B. chemisch beanspruchte Bauteile gezielt nur in den die Materialeigenschaften beeinträchtigenden Bereichen mit einem Schutzüberzug versehen werden.
Solche inhomogen über das Bauteil unterschiedlichen Materialeigenschaften werden zunehmend auch für metallische Bauteile gefordert, die aus massiven Rohlingen oder auch aus Blechen hergestellt werden. So ist es z.B. aus der Veröffentlichung „Pressure Weldtng of Corrosion Resistant Metals by Cold Extrusion" aus Journal of Materials Processing Technology 45 (1994), Seite 275-280 bekannt, durch Kaltmassivumformung bimetallische rohrförmige, napfförmige oder massive Bauteile herzustellen. Hierzu werden zwei verschiedene vorgeformte massive oder rohrförmige Rohlinge in eine vorbestimmte Lage zueinander gebracht und durch Vorwärts- oder Rückwärtsfließpressen in einer gemeinsamen Matrize durch das Einwirken eines Stempels umgeformt. Durch die plastische Umformung der Materialien beim Fließpressen verbinden sich die beiden auch unterschiedlichen Materialien miteinander und werden gleichzeitig in die neue Form gebracht. Allerdings sind die Umformvorgänge bei diesem Fließpressen recht komplex und damit auch die Fließvorgänge der beiden beteiligten Materialien, so dass über die genaue Verteilung der Materialien in dem hergestellten Bauteil und damit über die lokalen Materialeigenschaften nur bedingt Aussagen möglich sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Umformverfahren für die Herstellung von Bauteilen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften anzugeben, mit dem aufgrund der Umformung eine sichere Gewährleistung von lokalen Materialeigenschaften möglich ist.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das die Erfindung betreffende Verfahren geht aus von einem Verfahren zur Fertigung eines aus Kernmaterial und Hüllmaterial gebildeten Verbundteils mittels eines Fließpressvorgangs. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfinderischer Weise weiter entwickelt, dass in einem ersten Verfahrensschritt das zumindest einen Teil des verfahrensmäßig gebildeten Verbundteils außenseitig bedeckende Hüllmaterial durch einen Tiefziehvorgang aus einem blechförmigen oder rohrförmigen Rohling hergestellt wird, bei dem das Kernmaterial als Stempeleinsatz für das Tiefziehen des Hüllmaterials verwendet wird, wobei Hüllmaterial und Kernmaterial in engen Oberflächenkontakt miteinander kommen, und anschließend die derart vorgeformte Zwischenform des Verbundteils aus tiefgezogenem Hüllmaterial und teilweise umschlossenen Kernmaterial einem gemeinsamen Fliesspressvorgang unterworfen wird, bei dem die Endform des Verbundteils plastisch umformend hergestellt wird. Bei der Erfindung handelt es sich um eine Verfahrenskombination aus Tiefziehen und Fließpressen zu einem neuartigen Verfahren, bei dem ein blechför- miges Hüllmaterial mittels eines auf dem blechförmigen Hüllmaterial aufliegenden Kernmaterials tiefgezogen und anschließend durch Fließpressen hinterfüllt wird. Das Kernmaterial übernimmt hierbei für das Tiefziehen des Hüllmaterials die Funktion eines herkömmlichen Tiefziehstempels, wobei das Hüllmaterials in einer Fließpresse, ausgestattet mit einem Oberstempel, einer Matrize und einem Niederhalter, z.B. zu einem napfförmigen oder schalenförmigen Körper umgeformt wird, der das Kernmaterial zumindest abschnittsweise außenseitig überdeckt und damit zumindest abschnittsweise insbesondere die Oberflächeneigenschaften des Verbundteils bestimmt. Die Überführung des resultierenden Verbundteils in die gewünschte Endkontur erfolgt anschließend durch ein Fließpressen des so hergestellten Zwischenstadiums des Verbundteils, z.B. durch Aufstauchen und/oder Durchdrücken des Zwischenstadiums des Verbundteils in die bzw. durch die Matrize. Durch den Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe für das blechförmige Hüllmaterial und das Kernmaterial eignet sich das beschriebene Verfahren zur Fertigung von Bauteilen, bei denen unterschiedliche Anforderungen an die lokalen Bauteileigenschaften gestellt werden. Beispiele für diese Anforderungen sind eine verschleißfeste Oberfläche bei geringer Masse des Verbundteils oder unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten von Kernmaterial und Hüllmaterial. Durch die blechförmige Ausgestaltung des Hüllmaterials und den Tiefziehprozess werden sehr homogene und gleichmäßige Materialeigenschaften des umgeformten Hüllmaterials erreicht, da die Schicht des Hüllmaterials auf dem Kernmaterial hinsichtlich Materialdicke und Materialeigenschaften im wesentlichen gegenüber dem Zuschnitt des Hüllmaterials unverändert bleibt. Damit ist gewährleistet, dass die zu mindestens Teile der Außenform des Verbundteils bestimmende Schicht des Hüllmaterials in sich homogene Eigenschaften aufweist und dies nicht durch Fließvorgänge bei der Umformung gestört wird. Gleichzeitig bildet sich durch die nach dem Tiefziehen ausgeführte Bearbeitung mittels Fließpressen ein inniger Werkstoffverbund zwischen Hüllmaterial und Kernmaterial durch einen Stoff- und/oder Formschluss, ggf. auch einen Kraftschluss, durch den eine Trennung von Hüllmaterial und Kernmaterial des späteren Verbundteils sicher verhindert wird. Damit lassen sich die Werkstoffeigenschaften von Hüllmaterial und Kernmaterial am späteren Verbundteils sehr gezielt einstellen und gewährleisten, dass die Kombinationseigenschaften des Verbundteils den Anforderungen entsprechen.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist es denkbar, dass das Verbundteil aus mindestens einem Kernmaterial und mindestens einem Hüllmaterial gebildet wird. Hierbei können die Materialeigenschaften von Kernmaterial und Hüllmaterial entsprechend den späteren Anforderungen an das Verbundstahl ausgewählt und miteinander kombiniert werden, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, zum Beispiel das Hüllmatertal mehrschichtig auszugestalten und etwa eine verschleißfreie Oberfläche auf der späteren Außenseite des Verbundteils durch eine entsprechend verschleißfreie Schicht zu gewährleisten, wohingegen auf der dem Kemmaterial zugewandten Innenseite des Hüllmaterials eine Schicht vorgesehen wird, die sich besonders gut mit dem Kernmaterial verbindet. Ebenfalls kann das Kernmaterial selbst aus mehreren Schichten oder Abschnitten oder auch aus einer inhomogenen Verteilung unterschiedlicher Werkstoffe bestehen, die unterschiedliche Werkstoffeigenschaften aufweisen. So wäre es beispielsweise denkbar, ein Stahlmaterial mit hoher Zähigkeit mit einem Stahlmaterial hoher Festigkeit zu einem Kernmaterial vorab zu verbinden, das dann in beschriebener Weise mit dem Hüllmaterial verbunden wird.
Von Bedeutung ist hierbei insbesondere, dass Kernmaterial und Hüllmaterial zumindest teilweise unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können. So kann beispielsweise das Hüllmaterial besonders abriebfest ausgebildet werden, zum Beispiel aus einem Stahlmaterial, wohingegen das Kernmaterial leichtgewichtig etwa aus einem Leichtmetall besteht. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Gesamteigenschaften des Verbundteils eine hohe Abriebfestigkeit im Außenbereich mit besonders geringer Dichte und damit geringem Gewicht im Kernmaterial aufweisen. Es versteht sich von selbst, dass sehr unterschiedliche Kombinationen unterschiedlicher Eigenschaften von Kernmaterial und Hüllmaterial denkbar sind, abhängig vom Einsatzzweck des Verbundteils und den zur Verfügung stehenden Eigenschaften von Kernmaterial und Hüllmaterial.
Von besonderer Bedeutung ist es, dass das Kernmaterial und/oder der Rohling des Hüllmaterials aus einem plastisch umformbaren Werkstoff, vorzugsweise einem metallischen Werkstoff oder einem Kunststoff bestehen kann. Von Wichtigkeit ist hierbei insbesondere die plastische Umformung des Materials von Kernmaterial und Hüllmaterial, da hierdurch der innige Werkstoffverbund nach dem Fließpressen hergestellt werden kann. Ein Schwerpunkt der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt sicherlich in der Verwendung metallischer Werkstoffe für Hüllmaterial und Kernmaterial, doch ist es auch denkbar, zum Beispiel plastisch umformbare Kunst- Stoffe für Hüllmaterial und/oder Kernmaterial zu verwenden. Auch sind andere, plastisch verformbare Materialien für die Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar.
In weiterer Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn der blechförmige Rohling des Hüllmaterials beim Tiefziehvorgang zwischen einer Matrize und einem, vorzugsweise segmentierten Niederhalter gehaltert wird. Hierbei unterscheidet sich die Umformung des blechförmigen Rohlings durch Tiefziehen nicht wesentlich von dem bekannten Tiefziehen blechförmiger Materialien, wobei durch den zum Beispiel segmentierten Niederhalter eine gezielte lokal wirkende Spannung auf den blechförmigen Rohling des Hüllmaterials beim Tiefziehen ausgeübt werden kann und damit eine gewisse Steuerung des Fließens des blechförmigen Rohlings des Hüllmaterials erreicht wird.
Weiterhin ist es denkbar, dass das Kernmaterial und der blechförmige Rohling des Hüllmaterials derart zueinander und zu der Matrize positioniert werden, dass das Kernmaterial unter Bildung eines passenden Tiefziehspaltes den blechförmigen Rohling des Hüllmaterials in die Matrize drückt und den blechförmigen Rohling dabei tiefzieht. Von dieser Positionierung von Kernmaterial und blechförmigen Rohling des Hüllmaterials zueinander und zu der Matrize hängt die Ausbildung des Tiefziehspaltes vorrangig ab und damit auch die Ausbildung des Materialflusses des blechförmigen Rohlings beim Tiefziehen. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Positionierhilfe oder durch Handhabungseinrichtungen erreicht werden, die das Kernmaterial relativ zu der Matrize positionieren.
Für die Durchführung des Fließpressens sind verschiedene Ausgestaltungen des Fließpressvorgangs denkbar, wobei die vorgeformte Zwischenform des Verbundteils aus Kernmaterial und tiefgezogenem Hüllmaterial zwischen Matrize, einem auf das Kernmaterial drückenden Oberstempel und einem Gegenhalter in mindestens einem Umformprozess durch Rückwärts-Fließpressen und/oder durch Vorwärts- Fließpressen und/oder durch Querfließpressen und/oder durch Hohlfließpressen (Stülpziehen) auf die gewünschte Endform plastisch umgeformt wird. Je nach der Form des herzustellenden Verbundteils und der Ausgangsform des Kernmaterials kann ein einzelnes der vorstehend genannten Fließpressverfahren oder auch eine Kombination von zwei oder mehreren derartigen Fließpressverfahren zum Einsatz kommen, auch ist es denkbar, das Fließpressen in mehreren Stufen nacheinander auszuführen.
Für die sichere Verbindung von Kernmaterial und Hüllmaterial des Verbundteils ist es von besonderem Vorteil, wenn in oder an dem tiefgezogenen Hüllmaterial und/oder dem Kernmaterial Formelemente oder Formgebungen, vorzugsweise Hinterschnitte, Falten und/oder Durchbrüche oder dgl. vorgesehen oder beim Tiefziehen des Hüllmaterials erzeugt werden, an denen sich Kernmaterial und Hüllmaterial formschlüssig miteinander verbinden. Neben der reinen kraftschlüssigen Verbindung von Hüllmaterial und Kernmaterial aufgrund des Fließpressens und aufgrund unterschiedlicher Werkstoffe lastizitäten kann der Werkstoffverbund durch einen Stoffverbund infolge wirkender Flächenpressungen und Diffusionsvorgänge, durch Hinterschnitte oder Werkstückumfließungen (wofür zum Beispiel das Hüllmaterial mit entsprechenden Durchbrüchen zu versehen ist) passend zu den entsprechenden Anforderungen eingestellt werden. So fließt beispielsweise das beim Fließpressen verformte Kernmaterial in Vertiefungen, Fenster oder dergleichen Öffnungen des Hüllmaterials hinein und verhakt sich dadurch neben einem Kraftschluss auch formschlüssig mit dem Hüllmaterial, wenn entsprechende Vertiefungen, Fenster oder dergleichen Öffnungen in dem Hüllmaterial vorab eingebracht oder auch bei der Tiefziehbearbeitung hergestellt werden.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist es denkbar, dass als Kernmaterial ein massiver Materialabschnitt verwendet wird. Ein solcher massiver Materialabschnitt, etwa ein zylindrisch ausgebildetes Aluminium-Vollmaterial wird beispielsweise mit einem blechförmigen Stahlmaterial als Hüllmaterial kombiniert, in dem das Vollmaterial als Kernmaterial den Stempel für die Tiefzieh-Umformung des Hüllmaterials bildet und durch einen Oberstempel den Rohling des Hüllmaterials in die Matrize hinein drückt. Bei dieser Tiefzieh-Umformung wird sich das massive Kernmaterial wenig bis gar nicht verformen und damit zumindest abschnittsweise außenseitig von dem Hüllmaterial umgeben werden. Das Hüllmaterial und dieser Abschnitt des Kernmaterials werden dabei aufgrund ihrer Materialeigenschaften wie zum Beispiel ihrer Elastizität und ihrer Oberflächeneigenschaften einen Verbund eingehen, der dann bei der nachfolgenden Fließpress-Bearbeitung weiter verfestigt wird. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung nach dem Abschluss des Tiefziehvorgangs die entstandene Zwi- schenform des Verbundteils durch ein Fließpressen zumindest abschnittsweise weiter verformt werden, wobei abhängig von der verwendeten Verfahrensart des Fließpressens sowohl eine Umformung allein des Kernmaterials als auch eine gleichzeitige Umformung von Kernmaterial und Hüllmaterial durch das Fließpressen erfolgen kann. So ist es beispielsweise denkbar, das Kernmaterial nur in dem nicht von dem Hüllmaterial umgebenen Bereich zum Beispiel durch ein Rückwärts-Fließpressen umzuformen, wohingegen ein Vorwärts-Fließpressen von Kernmaterial und Hüllmaterial die gesamte Zwischenform des Verbundteils noch einmal gemeinsam umformen kann. Abhängig hiervon wird sich auch der Verbund zwischen Hüllmaterial und Kernmaterial weiter verfestigen oder verändern.
Von besonderer Bedeutung ist es für das Fließpressen, dass das tiefgezogene Hüllmaterial sich bei dem Fließpressen auf die gewünschte Endform kraftschlüssig und/oder formschlüssig an das blockförmige Kernmaterial anlegen kann. Schon allein hierdurch ist ein sicherer Verbund von Hüllmaterial und Kernmaterial erreichbar, der auch ohne eine nachfolgende Fließpress-Bearbettung auch des Hüllmaterials für eine sichere Verbindung von Hüllmaterial und Kernmaterial sorgt.
Für die Durchführung sowohl des Tiefziehens als auch des Fließpressens ist es von Vorteil, wenn das Kernmaterial und der blechförmige Rohling des Hüllmaterials zumindest abschnittsweise mit einer Beschichtung aus einem Schmiermittel bedeckt werden. Sowohl das Tiefziehen als auch das Fließpressen erfordern eine Schmierung der zu verarbeitenden Materialien. Konventionell werden die Werkstücke hierzu in Tauchbädern über getränkte Walzen oder durch Besprühen mit einem Schmierstoff beschichtet. Für die Einstellung des Kontaktverbundes ist im erfindungsgemäßen Verfahren der Rohling des Hüllmaterials nur einseitig und das Kernmaterial nur partiell mit Schmierstoff zu beschichten.
In einer anderen Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass das Kernmaterial und der blechförmige Rohling des Hüllmaterials zumindest im Bereich des direkten Kontaktes miteinander mit einer haftungserhöhenden Beschichtung bedeckt werden. Zur Erhöhung des Verbundes können Beschichtungen von Hüllmaterial und Kernmaterial Anwendung finden (z.B. Kombination aluminiertes Stahlblech und Aluminium Kern), durch die eine besonders gute Haftung des Hüllmaterials an dem Kernmaterial er- reicht wird. Auch wäre es zum Beispiel denkbar, alternativ oder zusätzlich zu einer haftungserhöhenden Beschichtung eine isolierende oder sonst wie trennende Be- schichtung zwischen Hüllmaterial und Kernmaterial vorzunehmen, zum Beispiel um einen Wärmeübergang oder einen elektrischen Kontakt zwischen Hüllmaterial und Kernmaterial zu beeinflussen.
Für die automatische Herstellung entsprechender Verbundteile ist es von Vorteil, wenn der blechförmige Rohling des Hüllmaterials in einem Streifen oder vereinzelt dem Umformvorgang zugeführt wird. Zur Einbindung des Tiefziehprozesses in den Fließpressprozess (beide Verfahren sind im industriellen Einsatz weitestgehend automatisiert) ist eine Bereitstellung des Rohlings des Hüllmaterials in Form von Platinenstapeln oder vorgestanzten (durch Scherschneiden bzw. durch Laserbeschneiden) Bändern vorgesehen, bei denen der Zuschnitt am Abschnitt in Funktion eines Trägerbandes verbleibt. Liegt der Rohling des Hüllmaterials in Form von Ronden oder Platinen vor, kann der Rohling des Hüllmaterials dem Prozess periodisch über Führungen, Anschläge und Schieber zugeführt werden. Wird der Rohling des Hüllmaterials in Form von Bändern bereitgestellt, kann das beschnittene Blechband periodisch zwischen Matrize und Niederhalter durchgezogen und durch das Tiefziehen vereinzelt werden. Zur Entfernung von am Blechzuschnitt verbleibenden Graten können hier zusätzlich Bürsten oder rotierende Schleifkörper integriert werden. Zur Steuerung des Blecheinzuges kann ein segmentierter Niederhalter Anwendung finden. Der Auswurf des fertigen Verbundteils erfolgt wie beim konventionellen Fließpressen mittels eines Auswerfers. Dieser kann während der Tiefziehoperation als Gegenstempel eingesetzt werden, der ein Aufwölben des Hüllmatenals im Bereich des Bodens des Verbundteils verhindert.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass als Kernmaterial eine Anhäufung von einzelnen Materialelementen, vorzugsweise von metallischen Spänen oder dgl. Materialelementen verwendet wird. Hierdurch wird die Herstellung von massiven Verbundteilen aus z.B. Spänen und Blechen möglich. Das blechförmige Hüllmaterial wird dabei zur äußeren Hülle des neuen Verbundteils, die stark verdichteten Späne bilden das Kernmaterial bzw. die Füllung. Hüllmaterial und Kernmaterial aus z.B. gepressten Spänen können dabei aus dem gleichen oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, das Hüllmaterial bestimmt die Oberflä- cheneigenschaften des Verbundteils. Während des Umformprozesses dient das Kernmaterial aus sich verdichtenden Spänen als Tiefziehstempel. Die Vorteile der durch dieses Verfahren hergestellten Verbundteile liegen insbesondere in der Kombination verschiedener Werkstoffe. So kann bei Verwendung eines Stahlblechs als Hüllmaterial und dem Einsatz von Spänen aus Aluminium als Kernmaterial ein leichtes Bauteil mit einer festen Oberfläche hergestellt werden. Ein solches Verbundteil schließt somit die Lücke zwischen leichten, aber weniger festen Aluminiumteilen und Bauteilen aus Stahl. Alternativ zu Spänen aus Aluminium können auch Kupferspäne eingebracht werden, um bspw. die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Eine Mischung aus Aluminium- und Kupferspänen ist ebenso möglich wie eine Kombination anderer Werkstoffe. Eine Befüllung mit nichtmetallischen Werkstoffen oder eine Kombination aus Metallspänen und nichtmetallischem Füllmaterial ist im Hinblick auf eine Verbesserung von Leichtbauteilen ebenfalls denkbar. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann aus blechförmigem Hüllmaterial und Spänen als Kernmaterial ein neues Massivbauteil hergestellt werden. Der ökologische Aspekt ist vor allem bei Verwendung von Späneabfall hervorzuheben. Alternative Verfahren wie das Einschmelzen der Aluminiumspäne zur Erzeugung neuer Massivteile sind mit hohem (Energie-)Aufwand verbunden. Im Hinblick auf ressourcen- und energiesparende Produktion bietet dieses Verfahren neue Möglichkeiten zur umweltgerechten Fertigung. In Kombination mit Gewindewalzen lassen sich wie auch grundsätzlich für den Einsatz massiver, aber leichtgewichtiger Kernmaterialien erfindungsgemäß beispielweise Leichtbau schrauben herstellen, die eine höhere Festigkeit als Aluminiumschrauben, aber ein geringeres Gewicht als Stahlschrauben besitzen. Im Vergleich zu üblichen Titanschrauben ist eine enorme Kostenersparnis möglich. Weitere nur beispielhaft genannte mögliche Verbundteile sind z.B. Kolben und Wellen aller Art, Bolzen, Verbindungselemente für Werkstoffverbund (z. B. Schweißanbindung Aluminium/Stahl) oder auch Mehrfunktions-Bauteile (z. B. mechanische und thermische Funktion). Die Anhäufung von einzelnen Materialelementen kann dabei strukturierte Materialelemente wie etwa Späne unterschiedlichster Charakteristik (z.B. Drehspäne, Frasspäne, Bohrspäne etc.) und/oder auch eher gestaltlose Materialelemente wie Körner oder dgl. aufweisen. Wichtig hierbei ist vor allem, dass diese Materialelemente in der Lage sind, eine mechanische Verbindung zueinander aufzubauen, wenn das derart gebildete Kernmaterial komprimiert wird. Ein besonders vorteilhafte Ausgestaltung lässt sich dadurch erreichen, dass die Anhäufung von einzelnen Materialelementen inhomogen ausgebildet wird, vorzugsweise Materialelemente verschiedener Eigenschaften aufweist. Hierdurch können durch Verwendung unterschiedlicher Materialelemente in der Matrix des Kernmaterials gezielt Zone gleicher oder abweichender Eigenschaften geschaffen werden, die z.B. auf Bauteilbelastungen und deren Angriffzonen abgestimmt werden. So können beispielsweise in einem Bereich, wo das Verbundteil eine hohe Wärmeleitung aufweisen soll, verstärkt Materialelemente aus Kupfer eingelagert werden, wohingegen in thermisch nicht so relevanten Bereichen Aluminiumelemente vorgesehen werden. In besonderer Weise kann die Anhäufung von einzelnen Materialelementen eine Schichtung von einzelnen Materialelementen verschiedener Eigenschaften, vorzugsweise entlang der Längsachse des Kernmaterials geschichtet, bilden. Eine solche Schichtung ist technisch einfach umzusetzen und häufig ausreichend zur Anpassung der Materialeigenschaften des Kernmaterials an die Belastungen des Verbundteils.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Anhäufung von einzelnen Materialelementen bei der Umformung von einer Hohlform umschlossen ist, in die ein auf die Materialelemente drückender Oberstempel eintaucht und die Anhäufung von einzelnen Materialelementen auf dem biechförmigen Rohling des Hüllmaterials vorverdichtet. Eine solche Bildung der Anhäufung von einzelnen Materialelementen vor der Umformung kann beispielsweise durch einen Ring erfolgen, der gleichzeitig als Niederhalter für das Tiefziehen des Hüllmaterials genutzt werden kann und dessen Öffnung z.B. durch eingefüllte Späne ganz oder teilweise aufgefüllt wird. Wird nun ein in die Öffnung der Hohlform passender Hilfsstempel auf diese Anhäufung aufgesetzt und die Anhäufung mit dem Oberstempel komprimiert, so wird die Anhäufung vorverdichtet und verkleinert ihr Volumen, wobei die Materialelemente wie z.B. die Späne gleichzeitig miteinander verbunden werden, z.B. miteinander lokal verschweißen o- der verkleben bzw. sich verhaken.
In weiterer Ausgestaltung wird die Anhäufung von einzelnen Materialelementen durch den Oberstempel solange vorverdichtet, bis sich der blechförmige Rohling des Hüllmaterials ebenfalls durch Tiefziehen weitgehend verformt hat. Der Druck auf den Rohling des Hüllmaterials durch die sich wie vorstehend beschrieben verdichtende Anhäufung der Materialelemente wird ab Erreichen der notwendigen Spannungen im Rohling zu einer Tiefziehumformung des Rohlings führen, so dass dann die Vorverdichtung der Anhäufung von einzelnen Materialelementen und der Tiefziehvorgang parallel ablaufen werden, wobei die vorverdichtete Anhäufung von einzelnen Materialelementen als Stempeleinsatz für das Tiefziehen des Hüllmaterials verwendet wird Die Vorverdichtung kommt dann mit dem Abschluss des Tiefziehvorgangs ebenfalls zum Ende.
Anschließend wird dann in weiterer Ausgestaltung nach dem Abschluss des Tiefziehvorgangs die entstandene Zwischenform des Verbundteils durch ein Fließpressen zumindest abschnittsweise weiter verformt werden. Hierbei wird sich der endgültige Verdichtungsgrad der zum Kernmaterial verdichteten Materialelemente abhängig von dem Umformungsgrad beim Fließpressen einstellen, so dass nach der Vorverdichtung vor und beim Tiefziehen eine weitere Verdichtung und damit Verbesserung der Haftung der Materialelemente aneinander erreichen lässt.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn als Anhäufung von einzelnen Materialelementen metallische Späne, vorzugsweise unbehandelte oder vorbehandelte Späne aus spanenden Prozessen oder bereits vorverdichtete Späne-Pellets verwendet werden. Es ist selbstverständlich auch denkbar, andere metallische oder auch nichtmetallische Materialelemente zu verwenden, die strukturiert oder auch nicht strukturiert ausgebildet sind. Auch Mischungen derartiger Materialelemente und Materialelemente aus unterschiedlichsten Materialien sind denkbar. Von Bedeutung ist es, dass die Anhäufung von einzelnen Materialelementen solange verdichtet wird, bis die Materialelemente einen dauerhaft festen Verbund bilden, insbesondere die Materialelemente miteinander verschweißt oder verklebt sind. Der Werkstoffverbund zwischen Spänen und Blech stellt sich je nach Werkstoffpaarung neben Verformungen von Hüllmaterial und Materialelementen durch Stoffverbund infolge von Mikroverschwei- ßungen bzw. Diffusionsvorgängen aufgrund der hohen lokalen Drücke bei der Umformung ein. Versuche zum Verbundfließpressen von Aluminiumspänen in einem Stahlnapf haben gezeigt, dass die Ausfüllung des Verbundteils sehr gut ist, die Späne haben sich zu einem einzigen Teil verbunden und lösen sich selbst nicht heraus. Weiterhin ist es denkbar, dass die verdichtete Anhäufung von einzelnen Materialelementen eine vorgebbare Porosität oder Dichte aufweist. So kann durch die Größe und die Formgebung der Materialelemente vor der Verformung die Packungsdichte der Anhäufung von einzelnen Materialelementen gezielt gesteuert werden, wodurch abhängig vom resultierenden Verdichtungsgrad auch die Porosität oder Dichte des Kernmaterials des Verbundteils bestimmt wird.
In anderer Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass die Porosität oder Dichte der zum Kernmaterial verdichteten Materialelemente durch nachträgliche Porenbildung, vorzugsweise durch Aufschäumen eines eingepressten Schaum bildenden Materials oder Ausschmelzen schmelzbarer Materialelementen verändert wird. So kann sich bei oder nach der Verdichtung des Kernmaterials etwa ein weiterer Verfahrensschritt anschließen, in dem das verdichtete Kernmaterial chemisch oder physikalisch aufgeschäumt wird oder bestimmte mit eingelagerte Bestandteile gezielt etwa thermisch oder chemisch entfernt werden. Dies erlaubt eine nachträgliche Veränderung der Porosität bzw. Dichte des Verbundteils, wobei in weiterer Ausgestaltung die Porosität oder Dichte der zum Kernmaterial verdichteten Materialelemente durch die Formgebung und/oder die Verdichtung und/oder die Mischung der Materialelemente beein- flusst werden kann, z.B. durch die gezielte durch Zumischung leichtgewichtiger Zuschläge. Auch können die Eigenschaften der zum Kernmaterial verdichteten Materialelemente durch Materialien anderer Eigenschaften, vorzugsweise anderer Leitfähigkeit, anderem spezifischem Gewicht, anderer Dämpfung oder dgl. beeinflusst werden.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass in die zum Kernmaterial zu verdichtenden Materialelemente Funktionsbauteile, vorzugsweise Gewindebauteile, Drähte, Sensoren oder dgl. eingelagert werden, die bei der Verdichtung einen engen Verbund mit den verdichteten Materialelementen bilden. Die Materialelemente wie etwa die Späne können sich der Kontur des sie aufnehmenden Behälters anpassen und auch innenliegende Geometrien umschließen. Es ist somit das Einpressen weiterer Bauteile oder Materialien möglich, (z. B. eines Kupferkerns zur Wärmeableitung. Das einzupressende Funktionsbauteil wird dabei vor der Befüllung des Hohlteils mit den Materialelementen z.B. auf dem Rohling des Hüllmaterials positioniert. Ein Einpressen von isolierten Leitungen und/oder Sensoren {z. B. in einer Stahfkapsel) ist bei diesem Verfahren ebenfalls möglich. Des Weiteren ist es denkbar, Drahtschlaufen einzupressen und diese dann als integrierten Dehnungsmeßstreifen zu nutzen, um Bauteilbelastungen des Verbundteils aufzuzeichnen. Bei Verwendung eines gelochten Bleches und entsprechenden Auswerfers können zusätzliche Funktionselemente wie eine Sechskantschraube (ggf. mit Unterlegscheibe) zur Erzeugung eines Verbundteils mit Gewinde in einem Arbeitsschritt eingebracht werden.. Analog ist das Einbringen eines Innengewindes bei Verwendung einer Mutter möglich, ein auf die Mutter gelegtes Stahlblech verhindert dabei das Eindringen von Spänen.
Weiterhin ist es denkbar, dass die zum Kernmaterial zu verdichtenden Materialelemente durch zylindrisch ausgebildete hohle Blechzuschnitte und/oder deckelartige Blechzuschnitte umschlossen werden, die zwischen die Anhäufung von einzelnen Materialelementen und die umgebende Hohlform oder am oberstempelseitigen Ende des Kernmaterials angeordnet und mit verformt werden. Bei großem Durchmesser der Blechronde des Rohlings des Hüllmaterials können die beim Tiefziehen bekannten Probleme wie Faltenbildung und Blechreißer auftreten. Dem kann dadurch entgegen gewirkt werden, dass ein zu einem (überlappenden) Rohr gerollter und außen beschichteter Blechzuschnitt (alternativ: ein Rohrstück) auf den Rohling des Hüllmaterials gestellt wird. Anschließend erfolgen das Befüllen mit Spänen und der übliche Umformvorgang. Bei dieser Variante ist eine Anpassung der Stempel erforderlich. Zusätzlich kann nach dem Vorwärts-Vollfließpressen und Entfernen des Stempels ein Deckel mit entsprechenden Radien oberhalb der Matrize positioniert werden. Fährt der Auswerfer nach oben, wird das hergestellte Verbundteil gegen den Deckel gedrückt und dabei die Blechkanten nach innen gebogen. Das Blech umschließt das Kernmaterial somit vollständig. Nach Entfernen des Deckels kann das Verbundteil wie gewohnt ausgestoßen werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
Figur 1 - eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem massiven Kernmaterial und einem blechförmigen Hüllmaterial als Stadienplan beim Tiefziehen eines stirnseitigen Napfes aus ei- nem biechförmigen Rohling des Hüllmaterials und anschließendem Rückwärts-Fließpressen, ein Stadium einer Variante des Verfahrens gemäß Figur 1 mit einem Tiefziehen eines stirnseitigen Napfes und anschließendem Voll- Vorwärts-Fließpressen, eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 1 mit einem Tiefziehen aus einem rohrförmigen Rohling des Hüllmaterials und anschließendem Vorwärts-Fließpressen in Form eines Stadienplans, eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem aus einzelnen Materialelementen gehäuften Kernmaterial und einem biechförmigen Hüllmaterial als Stadienplan beim Tiefziehen eines stirnseitigen Napfes aus einem biechförmigen Rohling des Hüllmaterials und anschließendem Vorwärts-Fließpressen, eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 mit einem Tiefziehen aus einem rohrförmigen und einem biechförmigen Rohling des Hüllmaterials und anschließendem Vorwärts-Fließpressen sowie rückseitigem Umbiegen in Form eines Stadienplans, eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 mit Einlagern eines Einlageteils in die Anhäufung aus einzelnen Materialelementen, eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 mit Einlagern eines Meßdrahtes in die Anhäufung aus einzelnen Materialelementen, eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 mit Einlagern einer durch eine Öffnung in dem biechförmigen Hüllmaterial vorstehenden Schraube in die Anhäufung aus einzelnen Materialelementen, eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 5 mit einem Tiefziehen aus mehreren scheibenförmigen Rohlingen des Hüllmaterials und gleichzeitigem Quer-Fließpressen, Figur 10 - verschiedene Varianten der Formgebung des blechförmigen Hüllmaterials zur Bildung unterschiedliche geformter Verbundteile,
Figur 11 - eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 mit Ausbildung einer seitlich hervorstehenden Lasche,
Figur 12 - eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 mit Ausbildung eines umlaufenden Flansches.
In der Figur 1 ist in schematischer Darstellung eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem massiven Kernmaterial 3 und einem blechförmigen Rohling 1 des Hüllmaterials 2 als Stadienplan beim Tiefziehen eines stirnseitigen Napfes aus einem blechförmigen Rohling 1 des Hüllmaterials 2 und anschließendem Rückwärts-Fließpressen dargestellt. Hierbei ist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in grundsätzlich bekannter Weise aufgebaut, so dass hier nur die verfahrensmäßigen Besonderheiten der Vorrichtung erwähnt werden sollen. Das Tiefziehen des Rohlings 1 erfolgt dabei durch einen Oberstempel 7, unterhalb dessen das massive Kernmaterial 3 angeordnet ist und anfänglich auf dem Rohling 1 aufsteht. Der Rohling 1 des Hüllmaterials 2 wird dabei zwischen der Oberseite einer mit einer Ziehöffnung 6 versehenen Matrize 4 und einem Niederhalter 5 in grundsätzlich bekannter Weise gehalten bzw. eingespannt sowie geführt, wobei der Niederhalter 5 als segmentierter Niederhalter 5 ausgestaltet sein kann und einen in der Ebene des Rohlings 1 lokal gesteuerten Druck auf den Rohling 1 ausüben kann. Unterhalb und innerhalb der Ziehöffnung 6 ist ein Auswerfer 8 zu erkennen, der ein Gegenlager beim Ausbilden des herzustellenden Verbundteils 18 bildet und das fertige Verbundteil 18 wieder nach oben aus der Ziehöffnung 6 auswirft.
In der linken oberen Teilfigur der Figur 1 ist die Ausgangslage vor dem Beginn des Ziehvorgangs des blechförmigen Rohteils 1 des Hüllmaterials 2 zu erkennen, d.h. das massive Kernmaterial 3 liegt ohne Druck auf dem Rohling 1 auf. Wird nun der Oberstempel 7 und damit das hier quasi als Stempel wirkende massive Kernmaterial 3 vertikal von oben in die Matrize 4 gedrückt, so wird der Rohling 1 nach und nach immer weiter in die Ziehöffnung 6 der Matrize 4 hinein gedrückt und bildet einen Napf mit einem ebenen Bodenabschnitt und einer ringförmigen Seitenwand. Aufgrund der Maße von Kernmaterial 3 und Hüllmaterial 2, die sich im Durchmesser in etwa um die doppelte Blechdicke des Rohlings 1 unterscheiden (bei einem leicht untermäßigen Ziehspait ergibt sich ein Abstreckziehen), wird sich das Kernmaterial 3 genau zentrisch in die Ziehöffnung 6 hinein bewegen und wie beschrieben die napf- förmige Verformung des Hüllmaterials 2 ergeben. Das Hüllmaterial 2 wird dabei so verformt, dass sich die Seitenwand des Napfes des Hüllmaterials 2 an die stirnseitige Oberfläche des Kernmaterials 3 anpresst und sich dicht an diese Oberfläche des Kernmaterials 3 anlegt. Dieses Stadium ist in der linken unteren Teilfigur der Figur 1 dargestellt.
Im Anschluss an diesen Ziehvorgang wird nun der so hergestellte Verbund aus Kenmaterial 3 und Hüllmaterial 2 durch ein Rückwärts-Fließpressen weiter verformt. Hierzu liegt der Bodenbereich des napfförmig verformten Hüllmaterials 2 auf dem Auswerfer 8 auf und kann nicht weiter in die Ziehöffnung 6 hinein gedrückt werden. Bewegt sich der Oberstempel 7 nun trotzdem weiter nach unten, so wird das von dem Oberstempel 7 unter Druck gesetzte Kernmaterial 3 nach außen und nach oben ausweichen, das Kernmaterial 3 fließt quasi nach oben an dem Oberstempel 7 vorbei, und es bildet sich eine oberseitige Vertiefung in dem Kernmaterial 3. Im Bereich des napfförmigen Hüllmaterials 2 wird das Kernmaterial 3 sich ebenfalls radial ausdehnen und damit den Verbund mit dem Hüllmaterial 2 weiter festigen. Damit ist das Verbundteil 18 fertig geformt und kann nach dem Zurückziehen des Oberstempels 7 von dem Auswerfer 8 nach oben ausgeworfen werden.
Das derart lokal im Bereich des unteren Endes des Kernmaterials 3 um das Kernmaterial 3 herum angeordnete Hüllmaterial 2 bestimmt dabei in diesem Bereich die O- berflächeneigenschaften des Verbundteils 18. So kann beispielsweise das Hüllmaterial aus einem harten und abrasionsfesten Material wie z.B. Stahl gebildet werden, wohingegen das Kernmaterial aus einem leichtgewichtigen Aluminium besteht. Damit kann ein leichtgewichtiges Verbundteil mit lokal hoher Abrasionsfestigkeit erzeugt werden.
In der Figur 2 ist nur ein Stadium einer Variante des Verfahrens gemäß Figur 1 mit einem Tiefziehen eines stirnseitigen Napfes und anschließendem Voll-Vorwärts- Fließpressen dargestellt. Hierbei wird während des Tiefziehens aus einem größeren Rohling 1 ein tieferer Napf oder besser schon eine Art einseitig geschlossener Hülse tiefgezogen, die beim anschließenden Fließpressen vollständig durch die gegenüber der Ziehöffnung 6 verengte Fließpressöffnung 22 hindurch gedrückt wird. Dabei wird zum einen das Verbundteil 18 noch einmal im Durchmesser verringert und gestreckt.
In de Figur 3 ist eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 1 mit einem Tiefziehen aus einem rohrförmigen Rohling 1 des Hüllmaterials 2 und anschließendem Vor- wärts-Fließpressen in Form eines Stadienplans dargestellt. Hierbei wird anstatt eines ebenen blechförmigen Rohteils wie in Figur 1 ein rohrförmiges Hüllmaterial 2 auf das Kernmaterial 3 aufgeschoben und in nicht weiter dargestellter Weise analog zu der Vorgehensweise gemäß Figur 1 tiefgezogen und anschließend fließgepresst. Der Bereich des entstehenden Hüllmaterials 2 ist dabei sich nach unten verjüngend auf einem Teil des Außenumfangs des Kernmaterials 3 des Verbundteils 18 angeordnet.
In der Figur 4 ist eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem aus einzelnen, nicht genauer dargestellten Materialelementen gehäuften Kernmaterial 3 und einem blechförmigen Rohling 1 des Hüllmaterial 2 als Stadienplan beim Tiefziehen eines stirnseitigen Napfes aus dem blechförmigen Rohling 1 des Hüllmaterials 2 und anschließendem Vorwärts-Fließpressen dargestellt. Die Anhäufung der Materialelemente kann beispielsweise aus einem Haufwerk von Metallspänen gebildet werden, die in ein gleichzeitig die Funktion des Niederhalters 5 ü- bernehmenden Hohlteil 9 von oben auf den Rohling 1 erst einmal lose eingefüllt werden. Die Materialelemente können dabei in schon vorstehend beschriebener Weise hinsichtlich Form, Material, Verteilung und Ausbildung des Haufwerks in vielerlei Weise variiert werden.
Oberhalb der das Kernmaterial 3 bildenden Anhäufung der Materialelemente wird ein Hilfsstempel 10 aufgesetzt und in die Öffnung des Hohlteils 9 eingedrückt, auf den von oben wieder der Oberstempel 7 drückt. Wird nun der Oberstempel 7 wie schon beschrieben nach unten gedrückt, so wird die das Kernmaterial 3 bildende Anhäufung der Materialelemente vorverdichtet und damit reduziert sich das Volumen des derartigen Kernmaterials 3 deutlich. Durch die Verdichtung der das Kernmaterial 3 bildenden Anhäufung der Materialelemente wird ab einem bestimmten Verdichtungsgrad durch den Druck die Tiefziehgrenze des Rohlings 1 des Hüllmaterials 2 überschritten und der Rohling 1 des Hüllmaterials 2 beginnt sich wie schon zu Figur 1 beschrieben zu einer Art Napf zu verformen. Dieses Stadium ist in der dritten Teilfigur der Figur 4 dargestellt. Hierbei wird die das Kernmaterial 3 bildende Anhäufung der Materialelemente nicht nur verdichtet, sondern es kommt einerseits zu lokalen Verschweißungen, Verhakungen und sonstigen Befestigungen zwischen den einzelnen Materialelementen und andererseits werden die Materialelemente in das napf- förmige Hüllmaterial 2 hinein gedrückt und an diesem ebenfalls festgelegt. Es bildet sich damit ein fester Materialverbund zwischen verformtem Hüllmaterial 2 und Kernmaterial 3.
Ist das Hüllmaterial 2 in bestimmungsgemäßer Weise vollständig verformt worden, so wird der Oberstempel 7 nach oben gefahren und der Hilfsstempel sowie das Hohlteil 9 entfernt. Anschließend fährt der Oberstempel wieder nach unten und presst den Verbund aus Kernmaterial 3 und Hüllmaterial 2 gegen die Verengung der Fließpressöffnung und verformt diesen Verbund weiter durch Vorwärts-Fließpressen. Hierbei werden Kernmaterial 3 und Hüllmaterial 2 zumindest abschnittsweise oder sogar ganz (beim Voll-Vorwärts-Fließpressen) und miteinander weiter umgeformt, wodurch der Verbund zwischen Kernmaterial 3 und Hüllmaterial 2 weiter gefördert und das Kernmaterial 3 weiter verdichtet wird.
In der Figur 5 ist eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 mit einem Tiefziehen aus einem rohrförmigen und einem blechförmigen Rohling 1 des Hüllmaterials und anschließendem Vorwärts-Fließpressen sowie rückseitigem Umbiegen in Form eines Stadienplans dargestellt. Das Hüllmaterial 2 besteht hierbei aus einem rohrförmigen Teil 11 und einem ebenen Teil 1 , die aneinander grenzend in dem Hohlteil 9 und zwischen Matrize 4 und Hohlteil 9 angeordnet werden. In diese Form wird in schon zu Figur 4 beschriebener Weise die Anhäufung der Materialelemente des Kernmaterials 3 eingefüllt und erneut mittels Hilfsstempel 10 und Oberstempel 7 in die Matrize 4 gepresst. Dabei bildet sich wie in der mittleren Teilfigur der Figur 5 zu erkennen eine Art doppellagige Anordnung der beiden Hüllmaterialien 2, 11 , die das verdichtete Kernmaterial 3 unterseitig und radial entlang einer bestimmten Länge umgeben. Durch die Verwendung des rohrförmigen Hüllmaterials 11 sind größere Ummantelungen gegenüber dem einfachen Tiefziehen zu erreichen. Nach dem Vorwärts- Fließpressen, bei dem sich die doppellagige Anordnung des Hüllmaterials 2 weitgehend zu einer einzigen Lage verpresst, ist das Stadium erreicht, das in der vierten Teilfigur von links zu erkennen ist. Dabei steht eine Art Kragen des ehemals rohrför- migen Hüllmaterials nach oben über das Kernmaterial 3 hinaus und kann zum weitgehenden Umschließen des Kemmaterials 3 genutzt werden. Hierzu wird eine Deckel 12 über die oberstempelseitige Öffnung der Ziehmatrize 4 gelegt und von unten mit einem Auswerfer das weitgehend fertige Verbundteil 18 nach oben gegen das Deckelteil 12 gedrückt. Hierdurch legt sich der nach oben über das Kernmaterial 3 vorstehende Kragen des Hüllmaterials 2 gegen die Innenseite des Deckelteils 12 an und wird nach innen, das Kernmaterial ganz oder teilweise überdeckend zusammen gedrückt. Das entstehende Verbundteils ist damit weitgehend vollständig von dem Hüllmaterial 2 umschlossen.
In der Figur 6 ist eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 mit Einlagern eines Einlageteils in die Anhäufung aus einzelnen Materialelementen zu erkennen. Hierbei wird z.B. aus Gründen verbesserter Wärmeleitung oder dgl. ein zusätzliches Einlageteil 14 z.B. aus einem gut wärmeleitenden Kupfermaterial in das aus einer Anhäufung von Materialelementen gebildete Kernmaterial 3 eingebracht, indem es passend auf das ebene Rohteil 1 des Hüllmaterials 2 aufgestellt und anschließend z.B. die aus Spänen gebildeten Materialelemente in das Hohlteil 9 eingefüllt werden. Die Materialelemente des Kernmaterials umgeben dabei bis auf die auf dem Rohteils 1 aufstehende Stirnseite das Einlageteil 14 vollständig. Beim anschließenden Tiefziehen und Fließpressen wird sich nicht nur der schon beschriebene enge Verbund zwischen Kernmaterial 3 und Hüllmaterial 2 bilden, sondern auch das Einlageteil wird fest von dem Materialelementen des Kernmaterials 3 umgeben und festgelegt.
Die gleiche Idee wie zu Figur 6 beschrieben kann auch in einer weiteren Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 zum Einlagern eines Meßdrahtes in die Anhäufung aus einzelnen Materialelementen genutzt werden, wobei statt des Einlageteils wie in Figur 6 ein Meßdraht 15 wie z.B. ein als Dehnungsmessstreifen zu benutzender Messdraht in das Kernmaterial mit eingelagert und mit verformt wird. Ist dieser Messdraht gegenüber dem Kernmaterial 3 isoliert, so kann am fertigen Verbundteil z.B. über die Widerstandsänderung des Messdrahtes 15 die mechanische Belastung in Form von Dehnungen oder Formänderungen des Verbundteils 18 erfasst werden. Wie in der Figur 8 zu erkennen kann auch ein mechanisches Teil wie eine Schraube 16 in einer Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 durch Einlegen einer durch eine Öffnung 21 in dem blechförmigen Hüllmaterial 2 vorstehenden Schraube 16 in die Anhäufung aus einzelnen Materialelementen erfolgen. Die Schraube wird mit dem Gewindeabschnitt durch eine vorher eingebrachte Öffnung 21 in dem Rohling 1 des Hüllmaterials 2 eingesteckt und ragt unterseitig des Rohlings 1 heraus. Anschließend wird in schon beschriebener Weise die Anhäufung aus einzelnen Materialelementen des Kernmaterials 3 eingefüllt und verdichtet. Nach dem Fließpressen ragt der Gewindeabschnitt vorderseitig aus der Öffnung 21 des Hüllmaterials 2 des Verbundteils 18 heraus und ist sicher und drehfest von dem Kernmaterial umgeben.
In der Figur 9 ist in sehr schematischer Weise eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 1 mit einem Tiefziehen aus scheiben-/platinenförmigen Rohlingen des Hüllmaterials und gleichzeitigem Quer-Fließpressen zu erkennen, wobei die Haupt- Fließrichtung des Verbundes aus Kernmaterial 3 und Hüllmaterial 2 quer zur Druckrichtung des Oberstempels 7 verläuft und dadurch radial nach außen vorstehende Ausstülpungen 17 erzeugt werden.
Neben der Verwendung von einfachen ebenen Rohlingen 1 des Hüllmaterials ist es auch denkbar, vorgeformte Rohlinge 1 zu verwenden, wie diese in der Figur 10 für verschiedene Varianten der Formgebung des blechförmigen Hüllmaterials 2 zur Bildung unterschiedliche geformter Verbundteüe 18 dargestellt sind. So können beispielsweise gelochte, kreuzförmig geformte oder segmentweise beschnittene Rohlinge 1 verwendet werden, die sich aufgrund der Verformung beim Tiefziehen und Fließpressen in entsprechen komplex geformte, dreidimensionale Verbundteile umformen und das Kernmaterial 3 umgeben.
Diese Idee kann auch dazu genutzt werden, z.B. laschenförmige Formelemente 19 aus dem Hüllmaterial 2 auszuformen, wie diese als eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 für die Ausbildung einer seitlich hervorstehenden Lasche in der Figur 11 zu erkennen ist. Der an sich runde Rohling 1 wird dafür geschlitzt, so dass sich eine Lasche 19 bildet. Diese Lasche 19 kann nun nach der schon beschriebenen Umformung des Verbundteils 18 heraus gebogen werden. Eine ähnliche Variante des Verfahrens gemäß Figur 4 kann auch für die Ausbildung eines umlaufenden Flansches genutzt werden, wie dies in Figur 12 grob angedeutet ist. Hierbei wird wie dem Verfahren gemäß der Figur 4 in der dritten Umformstufe ein Bereich des Hüllmaterials 2 wie ein Flansch 20 nach außen verformt und umgibt da- bei das Kernmaterial 3 radial nach außen abstehend.
Sachnummernliste
Rohling Hüllmaterial
blechförmiges Hüllmaterial
Kernmaterial
Matrize
Niederhalter
Durchziehöffnung Matrize
Oberstempel
Auswerfer
Hohlteil
Hilfsstempel
rohrförmiges Hüllmaterial
Deckel
Umbiegung
Einlageteil
Meßdraht
Schraube
Ausstülpung
Verbundteil
Lasche
Flansch
Loch
Fließpreßöffnung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Fertigung eines aus Kernmaterial (3) und Hüllmaterial (2) gebildeten Verbundteils (18) mittels eines Fließpressvorgangs, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt das zumindest einen Teil des verfahrensmäßig gebildeten Verbundteils (18) außenseitig bedeckende Hüllmaterial (2) durch einen Tiefziehvorgang aus einem blechförmigen oder rohrförmigen Rohling (1) hergestellt wird, bei dem das Kernmaterial (3) als Stempeleinsatz für das Tiefziehen des Hüllmaterials (2) verwendet wird, wobei Hüllmaterial (2) und Kernmaterial (3) in engen Oberflächenkontakt miteinander kommen, und anschließend die derart vorgeformte Zwischenform des Verbundteils (18) aus tiefgezogenem Hüllmaterial (2) und teilweise umschlossenen Kernmaterial (3) einem gemeinsamen Fliesspressvorgang unterworfen wird, bei dem die Endform des Verbundteils (18) plastisch umformend hergestellt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundteil (18) aus mindestens einem Kernmaterial (3) und mindestens einem Hüllmaterial (2) gebildet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Kernmaterial (3) und Hüllmaterial (2) zumindest teilweise unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial (3) eine, vorzugsweise inhomogene Verteilung unterschiedlicher Werkstoffe aufweist.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (1) des Hülimaterials (2) eine schichtförmige Verteilung unterschiedlicher Werkstoffschichten aufweist.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmate- rial (3) und/oder der Rohling (1) des Hüllmaterials (2) aus einem plastisch um- formbaren Werkstoff, vorzugsweise einem metallischen Werkstoff oder einem Kunststoff besteht.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der blechförmige Rohling (1) des Hüllmaterials (2) beim Tiefziehvorgang zwischen einer Matrize (4) und einem, vorzugsweise segmentierten Niederhalter (5) gehaltert wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial (3) und der blechförmige Rohling (1) des Hüllmaterials (2) derart zueinander und zu der Matrize (4) positioniert werden, dass das Kernmaterial (4) unter Bildung eines passenden Tiefziehspaltes den blechförmigen Rohling (1) des Hüllmaterials (2) in die Matrize (4) drückt und den blechförmigen Rohling (1) dabei tiefzieht.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die vorgeformte Zwischenform des Verbundteils (18) aus Kernmaterial (3) und tiefgezogenem Hüllmaterial (2) zwischen Matrize (4), einem auf das Kernmaterial (3) drückenden Oberstempel (7) und einem Gegenhalter (8) in mindestens einem Umform- prozess durch Rückwärts-Fließpressen und/oder durch Vorwärts-Fließpressen und/oder durch Querfließpressen auf die gewünschte Endform plastisch umgeformt wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in oder am den tiefgezogenen Hüllmaterial (2) und/oder dem Kernmaterial (3) Formelemente oder Formgebungen, vorzugsweise Hinterschnitte, Falten und/oder Durchbrüche oder dgl. vorgesehen oder beim Tiefziehen des Hüllmaterials (2) erzeugt werden, an denen sich Kernmaterial (3) und Hüllmaterial (2) formschlüssig miteinander verbinden.
11. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Kernmaterial (3) ein massiver Materialabschnitt verwendet wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ab- schluss des Tiefziehvorgangs die entstandene Zwischenform des Verbundteils (18) durch ein Fließpressen zumindest abschnittsweise weiter verformt wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das tiefgezogene Hüllmaterial (2) sich bei dem Fließpressen auf die gewünschte Endform kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig an das blockför- mige Kernmaterial (3) anlegt.
14. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial (3) und der blechförmige Rohling (1) des Hüllmaterials (2) zumindest abschnittsweise mit einer Beschichtung aus einem Schmiermittel bedeckt werden.
15. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial (3) und der blechförmige Rohling (1) des Hülimaterials (2) zumindest im Bereich des direkten Kontaktes miteinander mit einer haftungserhöhenden Beschichtung bedeckt werden.
16. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der blechförmige Rohling (1) des Hüllmaterials (2) in einem Streifen oder vereinzelt dem Umformvorgang zugeführt wird.
17. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Kernmaterial (3) eine Anhäufung von einzelnen Materialelementen, vorzugsweise von metallischen Spänen oder dgl. verwendet wird.
18. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anhäufung von einzelnen Materialelementen inhomogen ausgebildet wird, vorzugsweise Materialelemente verschiedener Eigenschaften aufweist.
19. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anhäufung von einzelnen Materialelementen eine Schichtung von einzelnen Materialelementen verschiedener Eigenschaften, vorzugsweise entlang der Längsachse des Kernmaterials (3) geschichtet bildet.
20. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anhäufung von einzelnen Materialelementen bei der Umformung von einer Hohlform (9) umschlossen ist, in die ein auf die Materialelemente drückender Oberstempel (7) eintaucht und die Anhäufung von einzelnen Materialelementen auf dem blechförmigen Rohling (1) des Hüllmaterials (2) vorverdichtet.
21. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anhäufung von einzelnen Materialelementen durch den Oberstempel (7) solange vorverdichtet wird, bis sich der blechförmige Rohling (1) des Hüllmaterials (2) ebenfalls durch Tiefziehen weitgehend verformt hat.
22. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die vorverdichtete Anhäufung von einzelnen Materialelementen und der Rohling (1) des Hüllmaterials (2) während des Tiefziehens des Hüllmaterials (2) gemeinsam weiter verformt werden, wobei die vorverdichtete Anhäufung von einzelnen Materialelementen hierbei weiter verdichtet wird.
23. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die vorverdichtete Anhäufung von einzelnen Materialelementen als Stempeleinsatz für das Tiefziehen des Hüllmaterials (2) verwendet wird.
24. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ab- schluss des Tiefziehvorgangs die entstandene Zwischenform des Verbundteils (18) durch ein Fließpressen zumindest abschnittsweise weiter verformt wird.
25. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der endgültige Verdichtungsgrad der zum Kernmaterial (3) verdichteten Materialelemente abhängig von dem Umformungsgrad beim Fließpressen eingestellt wird.
26. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Anhäufung von einzelnen Materialelementen metallische Späne, vorzugsweise unbehandelte oder vorbehandelte Späne aus spanenden Prozessen oder bereits vorverdichtete Späne-Pellets verwendet werden.
27. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anhäufung von einzelnen Materialelementen solange verdichtet wird, bis die Materialele- mente einen dauerhaft festen Verbund bilden, insbesondere die aterialele- mente miteinander verschweißt oder verklebt sind.
28. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Anhäufung von einzelnen Materialelementen eine vorgebbare Porosität oder Dichte aufweisen.
29. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität oder Dichte der zum Kernmaterial (3) verdichteten Materialelemente durch nachträgliche Porenbildung, vorzugsweise durch Aufschäumen eines einge- pressten Schaum bildenden Materials oder Ausschmelzen schmelzbarer Materialelementen verändert wird.
30. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität oder Dichte der zum Kernmaterial (3) verdichteten Materialelemente durch die Formgebung und/oder die Verdichtung und/oder die Mischung der Materialelemente beeinflusst wird.
31. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der zum Kernmaterial (3) verdichteten Materialelemente durch Zumischung leichtgewichtiger Zuschläge beeinflusst wird.
32. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der zum Kernmaterial (3) verdichteten Materialelemente durch Materialien anderer Eigenschaften, vorzugsweise anderer Leitfähigkeit, anderem spezifischem Gewicht, anderer Dämpfung oder dgl. beeinflusst wird.
33. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in die zum Kernmaterial (3) zu verdichtenden Materialelemente Funktionsbauteile, vorzugsweise Gewindebauteile (16), Drähte (15), Sensoren oder dgl. eingelagert werden, die bei der Verdichtung einen engen Verbund mit den verdichteten Materialelementen bilden.
34. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zum Kernmaterial (3) zu verdichtenden Materialelemente durch zylindrisch ausgebildete hohle Blechzuschnitte (11) und/oder deckelartige Blechzuschnitte umschlossen werden, die zwischen die Anhäufung von einzelnen Materialelementen und die umgebende Hohlform (9) oder am oberstempelseitigen Ende des Kernmaterials (3) angeordnet und mit verformt werden.
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