WO2004089560A1 - Verfahren und vorrichtung zum verformen eines werkstücks aus einem werkstoff mit exponentiellem zugspannungs-dehnungsverhalten zu einer dünnwandigen, hohlen schale - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verformen eines werkstücks aus einem werkstoff mit exponentiellem zugspannungs-dehnungsverhalten zu einer dünnwandigen, hohlen schale Download PDF

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Erich Sieger
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/14—Spinning
    • B21D22/16—Spinning over shaping mandrels or formers

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for deforming a workpiece made of a material with exponential tensile stress-strain behavior to form a thin-walled, hollow shell. Furthermore, the invention also relates to a method and a device for shaping a workpiece from a material which has only been deformable at known hot forming temperatures and which, according to the present invention, can now be deformed into a thin-walled, hollow shell even at slightly elevated temperatures.
  • Alloys have an exponential tensile strain V obtained. Such materials are to be shaped into thin shells, in particular, for example, into a spherical half-shell or into a hemisphere-like shell shape. basically only possible as pressure forming, since the high-strength and light materials with their corresponding properties would otherwise be damaged. Such methods are also referred to as net-shape processes.
  • EP 0 457 358 A2 discloses a method and an apparatus for metal pressing. It is proposed here to clamp a blank made of difficult-to-deform material on the circumference and to arch it out to a final dimension into a free space with the aid of a movement-controlled pressing tool 3, that is to say without using a spinning chuck. A similar procedure and device is known from US 3,342,051. Here, too, deformation without spinning chuck is disclosed. DE-OS 1 527 973 also teaches a similar process for the production of rotary surfaces, in which no compression mold is to be used.
  • GB 2 302 832 A discloses a method and an apparatus for metal forming.
  • a blank is held on a rotating die by means of a counter punch arranged in the center.
  • the blank is deformed by means of a pressure roller that follows a specific contour and thus shapes the blank according to the shape.
  • Such a method cannot be used for molding materials of the type mentioned at the outset which have very high material tensile strengths.
  • EP 0 593 799 B1 deals in detail with the shaping of workpieces from the materials mentioned. In particular, the specific problems of forming are dealt with in detail. In addition, the problems of other forming processes for workpieces made of the materials mentioned are explained in detail.
  • the cited EP 0 593 799 B1 and the parallel US Pat. No. 5,426,964 teach a simpler and more cost-effective method for cold-forming a material with exponential tensile stress-strain behavior to form hollow shells of low wall thickness.
  • a sheet metal blank is clamped on the circumference and rotated around its center line by means of a drive.
  • the rotating sheet metal blank is cold-formed between the first and second web-controlled pressure rollers, which act on opposite sides of the sheet metal blank, to the shell solely by local compressive forces.
  • the relative speed between the workpiece and the pressure rollers and the force exerted by the pressure rollers on the workpiece are coordinated with one another in such a way that tensile forces introduced into the workpiece lie below the yield strength of the material. According to this proposed procedure, namely, the material is not subjected to any tensile forces in the plastic area and the deformation occurs only through compressive forces exerted on the workpiece by the two opposing pressure rollers.
  • the pressure forces to be applied via the pressure rollers can be dosed very precisely, so that not only shells of constant wall thickness, but also with wall thickness changing over the circumference of the shell can be easily produced. Due to the use of opposing pressure rollers, the springback that occurs when springing back can be controlled so precisely that shells can be manufactured with a very high degree of dimensional accuracy. However, under certain circumstances a very large number of "forming passes" may be necessary to achieve the desired shell shape, which makes the process time-consuming and also involves relatively high manufacturing costs.
  • forming pass or forming steps or passing through a spinning roller from its starting position (in the area of the center line of the workpiece to be deformed) to its end position (near the edge of the workpiece circumference).
  • a technical problem on which the invention is based may, for example, be to provide a procedure for deforming workpieces made of a material with exponential tensile stress-strain behavior to form a thin-walled, hollow shell which manages with fewer forming steps. Furthermore, a device is to be provided which allows such workpieces to be deformed with one or a few reshaping steps.
  • this technical problem on which the invention is based is solved, for example, by a method for deforming a workpiece made of a material with exponential tensile stress-strain behavior to form a thin-walled, hollow shell, in which, for example, at least the following steps are carried out can.
  • the workpiece is clamped on the circumference and actively rotated around its center line.
  • a freely rotatable pressing mold which has an outer side shaped to the desired shell shape, is pressed against a workpiece side with a suitable compressive force.
  • At least one path-controlled spinning roller is pressed against the other workpiece side, so that the workpiece rotating on the spinning mold is deformed to the shell at least partially or solely by local tensile forces, the relative speed between the workpiece and the at least one spinning roller and that of the at least one spinning roller and the pressing force exerted on the workpiece are coordinated with one another in such a way that compressive forces introduced into the workpiece lie below the yield strength of the workpiece.
  • a device for carrying out a method according to the invention can comprise a clamping device which can be rotated about a center line for circumferentially clamping the workpiece.
  • a drive for rotating the clamping device around the center line can be an electric motor, for example.
  • the device comprises at least one path-controlled pressure roller, which lies opposite the pressure form.
  • a first control device is used to control the path of the at least one spinning roller.
  • a second control device ensures that the
  • Relative speed between the workpiece and the at least one pressure roller and the force exerted on the workpiece by the at least one pressure roller and the pressure form are coordinated with one another such that tensile forces introduced into the workpiece lie below the yield strength of the material of the workpiece.
  • a workpiece can be cold-formed from the above-mentioned special materials which are problematic in terms of their deformation, without a large number of forming passes of the at least one pressure roller being necessary; at least less can
  • a desired shell shape can now also be achieved with the materials mentioned in one or a few forming passes.
  • This is possible for the first time according to the invention by compression-compression molding, but a compression mold having a convex outer shape not only provides the counterpressure to the pressure roller acting on the outside, but also a pre-pressing force by means of the displaceable shape, with a tension adjusted in accordance with the progress of the molding Workpiece is effected.
  • This tensile stress is achieved in the workpiece in that the workpiece is firmly clamped on the peripheral edge and the shape is also used as a “drawing punch”.
  • the direction of expansion which is determined by the local rolling out of the material by means of the pressure roller, is mainly redirected in the meridian direction. Due to the pressure roller rolling parallel to the circumferential direction, for example, a local pressure gauge enlargement can be effected without tension.
  • a local pressure gauge enlargement can be effected without tension.
  • the co-rotating forming or pressing die biases the workpiece.
  • the at least one counter-pressure roller always presses against the other side of the workpiece at the tangent point, for example. that the circumferential expansion necessary for shaping is brought about by local rolling out of the workpiece.
  • the risk of buckling can be reduced, the production speed can be increased and the necessary pressing force per roller can be reduced by a higher number of pressure rollers, also called counter-pressure rollers.
  • the automatic control of the forming process can take place via a hydraulic proportional valve control or via a CNC control. It goes without saying that a method according to the invention can be used not only for the shaping or production of satellite tank shells, but also for the production of other, difficult-to-deform materials and parts.
  • the mold rotates at the same speed as the workpiece, so that there is no relative movement between the workpiece and the mold top, which would lead to problems with the material mentioned.
  • the shaping of titanium- ⁇ alloys can be simplified using the method according to the invention and, of course, all the materials described in the preceding called EP 0 593 799 B1.
  • titanium sheets made of Ti 15-3-3-3 or Ti- ⁇ -21S can be deformed using the method according to the invention.
  • Workpieces made of Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn can also be deformed.
  • the shell dimensions mentioned in EP 0 593 799 B1 can also be produced using the method according to the invention. That means, for example, shells with a diameter of up to 1000 mm or more and thicknesses of 0.5-2 and also up to 6 mm or more can be produced by means of a method according to the invention.
  • the starting workpieces are approximately 5 to 40 mm thick.
  • the angle of inclination of the at least one pressure roller relative to the circumferential direction is changed, depending on the distance the at least one pressure roller is from the center line of the workpiece and the shape of the pressure shape at this point.
  • the roller radius and the roller diameter are adapted to the pressing forces and for the forming
  • Forming direction adjusted With a large roll diameter and small radius, there is a larger deformation in the meridian direction than in the circumferential direction and vice versa.
  • a further exemplary embodiment of a device according to the invention provides that the clamping device consists of a first clamping ring and a second clamping ring, which can be clamped to one another via clamping means, the peripheral edge of the workpiece being clampable between the two clamping rings.
  • the clamping device consists of a first clamping ring and a second clamping ring, which can be clamped to one another via clamping means, the peripheral edge of the workpiece being clampable between the two clamping rings.
  • one of the two clamping rings or a bearing inner ring has external teeth with which a gear meshes, which is driven by a drive.
  • the rotary bearing on which the tensioning or clamping rings are fastened may also be expedient for the rotary bearing on which the tensioning or clamping rings are fastened to have a ring gear on the bearing inner ring with which a drive pinion meshes. It can be advantageous that the clamping or. Tension rings are screwed tight to the bearing inner ring.
  • the bearing outer ring is attached to a stator of the device and withstands the radial and axial circumferential forces.
  • the at least one pressure roller can be inclined in the desired manner with respect to the circumferential direction at certain meridian points.
  • the at least one pressure roller can be inclined in the desired manner with respect to the circumferential direction via a parallelogram guide.
  • the at least one spinning roller can also be guided via a three-axis control.
  • the first control device and the second control device are combined in a common control device.
  • At least one further pressure roller with a larger diameter is interchangeably present in order to deform peripheral areas of the workpiece.
  • Another exemplary embodiment of a device according to the invention comprises a cutting tool, in particular a turning tool. With the cutting tool, the workpiece that is still clamped can be machined in the desired workpiece areas.
  • a parting-off tool can be provided in order to cut off a finished workpiece.
  • Another technical problem on which the invention is based is to provide a procedure for shaping workpieces into a thin-walled, hollow shell, in which the workpieces do not have to be heated to a conventional hot forming temperature for the shaping, but only to an underlying temperature.
  • a workpiece blank is clamped on the circumference and actively rotated around its center line.
  • the workpiece blank is heated, at least in certain partial areas, to a temperature which is below the hot forming temperature known for the material of this blank.
  • a freely rotatable pressing mold which has an outer surface shaped to the desired shell shape, with a suitable one Compressive force pressed against one side of the workpiece.
  • At least one path-controlled pressure roller is pressed against the other workpiece side (in the heated partial areas mentioned above), so that the workpiece blank rotating on the pressure mold is deformed to the shell solely by local pressure forces, the relative speed between the workpiece and the at least one pressure roller and that of the force exerted on the workpiece, the at least one pressure roller and the pressure form are coordinated with one another in such a way that pressure forces introduced into the workpiece lie below the yield strength of the workpiece.
  • the workpiece blank is made from a titanium alloy, in particular the titanium alloy is Ti6-4.
  • the processing temperature can be selected, for example, so that the state of the exponential tensile stress-strain behavior is achieved in the workpiece blank, but no ⁇ -case is formed.
  • a workpiece blank consisting of a high-strength Al alloy is deformed into a shell.
  • the Al alloy is especially Al-2219.
  • the processing temperature is selected in particular so that a warm aged condition is achieved in the workpiece blank.
  • an exemplary comprises
  • a clamping device rotatable about a center line for circumferential clamping of the workpiece.
  • a drive for rotating the clamping device around the center line.
  • a pressing mold which is freely rotatable about the center line is provided, which is displaceable in the direction of the center line and for exercising predetermined compressive force is formed against the workpiece.
  • the device comprises at least one path-controlled pressure roller, which is opposite the pressure form.
  • a first heating device is used at least to heat the workpiece area in which the at least one pressure roller contacts the workpiece. The path of the at least one pressure roller is controlled by means of a first control device.
  • a second control device ensures that the relative speed between the workpiece and the at least one pressure roller and the force exerted on the workpiece by the at least one pressure roller and the pressure form are matched to one another such that tensile forces introduced into the workpiece are below the yield strength of the material of the workpiece lie.
  • the pressing mold is heated to a specific holding temperature by means of a second heating device.
  • the first heating device consists of a plurality of heating devices which can bring separate workpiece areas to the desired processing temperature.
  • the first heating device can be changed mechanically or manually.
  • the first and second heating devices are gas burners.
  • the heating devices are heating spirals or infrared heating devices.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of an exemplary
  • Fig. 2 is a representation similar to Fig. 1, in which two different
  • FIG. 3 is a representation very similar to FIG. 2 of a further embodiment of a device according to the invention with an additional pressure roller with a larger diameter for deforming a workpiece section lying more on the peripheral edge of the workpiece,
  • FIG. 4 is a partial sectional view of a workpiece deformed according to the invention with areas to be machined
  • FIG. 5 shows a representation similar to FIG. 4 with an illustration of a
  • Fig. 6 is a schematic representation to illustrate various aspects of the present disclosure.
  • FIG. 7 shows a further schematic illustration of a workpiece in initial and final form
  • 8 is a schematic representation of the processes in the workpiece during the forming
  • FIG. 9 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a device according to the invention for shaping a workpiece from a material which has hitherto been deformable only at known hot forming temperatures
  • Fig. 10 is a schematic modification of the device according to the invention shown in Fig. 9.
  • a device comprises, for example, a pressing device 1, which comprises a pressing device 4, a pressing die 2 and a control device 50.
  • the mold 4 has an outer side 4a, which corresponds to the desired shell shape.
  • This outer side 4a of the pressing mold 4 is basically convex. In cross-section, however, it can not only have a constant curvature, but also change the direction of curvature.
  • the die 4 is coupled to the die 2.
  • This plunger 2 is part of a piston-cylinder unit, for example via a pneumatic or
  • Hydraulic unit causes a displacement of the mold 4 with a predetermined force.
  • This piston-cylinder unit and thus the pressing and pulling mold 4 are controlled in the direction of a center line M via the control device 50.
  • the device further comprises a holder 5 in which a tensioning device is embedded.
  • the tensioning device here comprises a first tensioning ring 7 and a second tensioning ring 12, which can be tensioned with respect to one another by means of tensioning screws 11 evenly distributed over the circumference.
  • the first clamping ring 7 is also the inner ring of a rolling bearing.
  • the outer ring 6 is integrated in the holder 5. Like a normal ball bearing, the outer roller bearing ring 6 and the inner roller bearing ring 7 are roller-supported by balls.
  • a second roller bearing consisting of inner ring 9 and outer ring 8 and balls lying between them is also present in order to rotatably mount the entire device in the holder 5.
  • the second clamping ring 12 is here provided with external teeth, in which a schematically illustrated gear 13 engages.
  • This gear is driven by a drive A, again only shown schematically, so that the clamping ring 12 can be driven in a controlled manner via the gear 13.
  • a further alternative to rotating the clamped workpiece 24 0 could look such that the bearing inner ring or a component connected to it (not shown) is driven via a form belt which is coupled to a drive wheel. Training as a rubberized friction wheel is also possible.
  • a small friction wheel with the mating wheel fixedly connected to the bearing inner ring 7 would be driven in rotation by friction.
  • the mold 4 is rotatably mounted on the plunger 2, but is not itself driven. It is also possible that the pressing die 4 and the pressing die 2 are not rotatably connected to one another, but instead the rotating die 2 can then be rotated in the piston-cylinder unit.
  • a pressure roller bearing 25 is arranged in front of the holder 5.
  • the pressure roller bearing 25 comprises a base body 28 on which various rods or rods 18, 19, 20, 21, 22, 23 are rotatably mounted. Two of the rods 18, 19 and 22, 23, which are rotatably mounted on the base body 28, have pressure roller holders 14, 15 at their free ends. These are in turn rotatably mounted on respective bars. Pressing rollers 16, 17 are rotatably mounted on the brackets 14, 15. The inclination of the spinning rollers can be adjusted and displaced outward via the parallelogram formed, ie the distance to the center line M can be changed. Due to the parallelogram kinematics, the pressure rollers 16, 17 remain essentially at the same height, even with increasing distance from the center line M. At the same time, the pressure rollers 16, 17 on each circumferential line of the workpiece 24 have the necessary and most suitable inclination for deformation.
  • the two brackets 14, 15 are coupled to one another via the rods 20, 21. These two rods are in turn coupled to a piston-cylinder unit 26 via a common push rod 27.
  • the piston-cylinder unit 26 causes the spinning rollers to move apart and thus an adjustable distance from the center line M.
  • the piston-cylinder unit 26 can be controlled via a control device 40. Both the control device 40 and the control device 50 for the piston-cylinder unit 1 of the pressing mold 4 and the drive A can be connected to one another via cables 51 or can be integrated in a common control device.
  • the aforementioned embodiment of a device according to the invention works and is operated as follows.
  • the workpiece 24 0 is in the form of a sheet metal blank and preferably has the shape of a circular disk in plan view. At the circumferential edge, this sheet metal blank is firmly clamped between the two clamping rings 7 and 12. The drive of the one clamping ring 12 is then actuated in order to actively rotate the workpiece 24 0 about the center line M.
  • the pressure rollers 16, 17 are very close to the center point, ie at the level of the center line M against one side of the workpiece 24 0 driven, at the same time the pressing mold 4 is pressed with a predetermined force against the other side of the workpiece 24 0 , so that the workpiece 24 0 increasingly arched, rotated at the same time and a counterforce from the pressure rollers 16, 17 is applied.
  • the mold can preferably also be moved against the workpiece 24 0 before it is then rotated. These processes are controlled by the
  • the pressing mold 4 is continuously shifted further along the center line direction, at the same time the pressing rollers 16, 17 are slowly shifted outwards via the parallelogram linkage.
  • the pressure rollers 16, 17 follow the contour of the pressure mold 4 or the desired shell shape.
  • the workpiece 24 is reshaped at the tangent points, that is to say the points at which the workpiece 24 lifts off from the outside of the mold 4. It is important here that the pressing force of the pressing mold 4 and the rotational speed of the workpiece 24 and the counterforce of the pressure rollers 16, 17 are coordinated with one another, so that the desired deformation takes place in the workpiece 24 according to the illustration in FIG. 8 without bulging or the like.
  • the workpiece 24 0 can only be deformed with one movement of the pressure rollers 16, 17 from the inside, ie from the center line M, to the outside.
  • the pressure rollers 16, 17 it is also possible for the pressure rollers 16, 17 to be moved again to the center and for a new deformation process and a further application of force to take place with the pressure mold 4, so that several “passes” are necessary until complete deformation in accordance with the predetermined outer contour of the pressure mold 4 are.
  • the spinning rollers 16, 17 are in the position near the center line M at the beginning of the shaping process.
  • the end position at the end of the forming process is marked with an apostrophe.
  • the final shape of the workpiece 24 is identified here with the reference symbol 24 '.
  • the different degrees of travel of the plunger 4 can be seen from the illustration according to FIG. 2.
  • the various degrees of deformation of the workpiece 24 are also shown.
  • the end position is shown here with 24 3 , an intermediate position with 24] or 24.
  • FIG. 3 A further exemplary embodiment of a device according to the invention is shown in FIG. 3.
  • one or more pressure rollers 30 with a larger diameter are used for the edge-side deformation of the workpiece 24 3 .
  • Larger diameter means a diameter that is larger than that of the pressure rollers 16, 17, which are provided for an initial deformation.
  • a shell 24 in the final state has areas 31, 32 that are still to be turned off. Machining of, for example, edge regions of the shell 24 can thus take place here with the workpiece 24 clamped. It is also possible to cut off the shell, which is finished on the outside, by means of a parting-off tool 40, as can be seen from FIG. 5.
  • the circumferential direction is perpendicular to the center line M, the
  • FIG. 7 a workpiece 24 0 is shown again in the initial shape for better clarity with reference number 24 3 the workpiece is shown in its final shape.
  • 8 shows, as already explained above, the basic compressive forces which are introduced selectively into the workpiece 24 by the pressure roller 16, 17 and the pressure mold 4 and which lead to a desired deformation without exceeding the yield strength of the material of the workpiece 24.
  • the exemplary embodiment shown here comprises a first heating device 100 and a second heating device 101. Both heating devices are designed here as gas burners.
  • the first heating device 100 is aligned in such a way that a warm air flow sweeps along the inside of the workpiece 24.
  • this first heating device 100 it is also possible for this first heating device 100 to comprise a plurality of heating points, so that the inside of the workpiece 24 is heated in different partial areas.
  • the second heating device 101 is aligned in such a way that it produces heating on the outside of the workpiece 24.
  • the second heating device 101 can therefore be advantageous to design the second heating device 101 to be displaceable or movable, so that heating always takes place on the outside of the workpiece 24 in the area of the pressure rollers.
  • a plurality of second heating devices can also be used instead of the one second Heating device 101 may be provided so that the workpiece 24 is then also heated on the outside in the region of all the pressure rollers 16, 17.
  • a corresponding hot-forming temperature according to the invention can be, for example, in the range from 500 ° C. to 600 ° C., classic hot-forming temperatures are, for example, above 600 ° C.
  • conventional process methods require peripheral temperatures of 650 ° C. to 850 ° C. for process reasons.
  • the workpiece 24 that is to say the workpiece blank, in particular a sheet metal blank, is brought to a hot-forming temperature below 650 ° C. and, via the pressure rollers 16, 17, as already explained with reference to FIGS. 1-8, reshaped.
  • the plunger 4, etc. is moved against the spinning rollers and the workpiece 24 is deformed into a shell.
  • the workpiece 24 is kept at the necessary forming temperature via the temperature measuring device 102 and the heating device 100, 101.
  • the workpiece 24 consists of a titanium alloy Ti 6 - 4 (Ti 6A14V). Due to the selected forming temperature of approx. 600 ° C, no oxidation takes place even with a longer machining time, i.e. there is no oxide layer or an alpha case layer. With conventional forming processes that require a forming temperature of 650 ° C to 850 ° C, oxide and
  • Diffusion layers (the aforementioned alpha case layers). It is only through the combined procedure according to the invention and the achievement of a hot forming temperature that has not hitherto been suitable for deformation that the previous disadvantageous oxide layer or ⁇ -case layer formations can be avoided. Accordingly, the previously required mechanical finishing of a surface of a shell obtained.
  • an alternative for a material is high-strength aluminum alloys, in which the forming temperatures can be kept very low. From a metallurgical point of view, the workpiece 24 can then be deformed into a shell 24 3 without structural changes in the workpiece 24.
  • Such a method according to the invention enables for the first time high degrees of deformation in different curing states.
  • the advantage achieved here is that the finished workpiece 24 3 does not have to be solution-polished and then stretched and hardened cold or warm.
  • the pressing mold or only other terminology, drawing stamp must be brought to a basic temperature of approximately 100 ° C. below the desired forming temperature of the workpiece and kept.
  • the sufficient pressure resistance of the device and the thermal expansion with regard to the dimensional accuracy must be taken into account.
  • the reason for the heating of the mold 4 is the avoidance of heat dissipation from the workpiece.
  • the actual desired forming temperature is achieved from the outside directly on the workpiece 24 by the second heating device 101, in particular only at the point at which the forming is carried out (in particular tangentially).
  • the movement of the second heating device 101 can, in particular, take place manually or mechanically in a controlled manner in accordance with the pressure roller movement.
  • the temperature can be monitored manually or via a control loop control.
  • the pressing device with its rolling bearings and hydraulic cylinders in accordance with the known standard is protected against overheating by heat shields and corresponding cooling devices, as required.

Landscapes

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  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft u.a. ein Verfahren zum Verformen eines Werkstückes (240) aus einem Werkstoff mit exponentiellem Zugspannungs-Dehnungs-Verhalten zu einer dünnwandigen, hohlen Schale (243). Bei diesem Verfahren wird das Werkstück (240) umfangsseitig eingespannt und aktiv um seine Mittellinie (M) gedreht. Eine frei drehbare Druckform (4), die eine der gewünschten Schalenform (243) geformte Aussenseite (4a) aufweist, wird mit einer geeigneten Druckkraft gegen eine Werkstückseite (24a) gedrückt. Zumindest eine bahngesteuerte Druckrolle (14, 17) wird gegen die andere Werkstückseite (24b) gedrückt, so dass das sich drehende Werkstück (240) allein durch lokale Druckkräfte zur Schale (243) verformt, wobei die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück (240) und der zumindest einen Druckrolle (14, 17) und die von der zumindest einen Druckrolle (14, 17) und der Druckform (4) auf das Werkstück (240) ausgeübte Kraft derart aufeinander abgestimmt werden, dass in dem Werkstück (240) eingebrachte Druckkräfte unterhalb der Streckgrenze des Werkstückes (240) liegen. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ausserdem betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verformen eines Werkstückes aus einem bisher nur bei bekannten Warmumformtemperaturen verformbaren Material oder Werkstoff, das nun gemäss der vorliegenden Erfindung bereits bei einer Temperatur zu einer dünnwandigen, hohlen Schale verformt werden kann, die unterhalb der für den Werkstoff des Werkstücks bekannten Warmumformungstemperatur liegt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Verformen eines Werkstücks aus einem Werkstoff mit exponentiellem Zugspannungs-Dehnungsverhalten zu einer dünnwandigen, hohlen Schale
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verformen eines Werkstückes aus einem Werkstoff mit exponentiellem Zugspannungs-Dehnungsverhalten zu einer dünnwandigen, hohlen Schale. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verformen eines Werkstückes aus einem bisher nur bei bekannten Warmumformtemperaturen verformbaren Materials oder Werkstoffs, das nun gemäß der vorliegenden Erfindung beispielsweise bereits bei leicht erhöhten Temperaturen zu einer dünnwandigen, hohlen Schale verformt werden kann.
HINTERGRUND DERERFINDUNG
Werkstücke der vorgenannten Art liegen beispielsweise als Blechronden oder Blechrohlinge vor, die aufgrund der genannten Werkstoffeigenschaften nur in aufwendiger und damit teurer Weise in die gewünschte Schalenform zu verformen sind. So wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie insbesondere Titan und seine Legierungen wegen des geringen Gewichtes und der guten Korrosionsbeständigkeit für Treibstoffbehälter und dergleichen eingesetzt. Die für diesen Zweck besonders geeigneten Titan-ß-Legierungen sind jedoch nur schwer kalt umformbar. Diese
Legierungen weisen nämlich ein exponentiales Zugspannungs-Dehnungs-V erhalten auf. Derartige Materialien in dünne Schalen, insbesondere beispielsweise in eine Kugelhalbschale oder in eine halbkugelähnliche Schalenform umzuformen, ist . grundsätzlich nur als Druckumformung möglich, da die hochfesten und leichten Materialien mit ihren entsprechenden Eigenschaften ansonsten beschädigt werden würden. Derartige Verfahren werden auch als Net-Shape-V erfahren bezeichnet. Allgemein ist in der EP 0 457 358 A2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Metalldrücken offenbart. Hier wird vorgeschlagen, einen Rohling aus schwer verformbarem Material umfangsseitig einzuspannen und mit Hilfe eines bewegungsgesteuerten Drückwerkzeuges 3 frei, also ohne Verwendung eines Drückfutters, bis auf Endmaß in einen Freiraum hinein auszuwölben. Ein ähnliche Verfahrensweise und Vorrichtung ist aus der US 3,342,051 bekannt. Auch hier wird ein Verformen ohne Drückfutter offenbart. Auch die DE-OS 1 527 973 lehrt ein ähnliches Verfahren zur Herstellung von Rotationsflächen, bei dem keine Drückform zum Einsatz kommen soll.
Die GB 2 302 832 A offenbart eine Verfahrensweise und eine Vorrichtung zum Metallverformen. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Rohling mittels eines mittig angeordneten Gegenstempels auf einer sich drehenden Drückform festgehalten. Das Verformen des Rohlings erfolgt mittels einer Drückrolle, die einer bestimmten Kontur folgt und damit den Rohling entsprechend der Form formt. Ein derartiges Verfahren ist zum Formen von Materialien der eingangs genannten Art, die sehr hohe Materialzugfestigkeiten aufweisen, nicht verwendbar.
Die EP 0 593 799 Bl befasst sich eingehend mit dem Verformen von Werkstücken aus den genannten Werkstoffen. Insbesondere wird auf die spezielle Problematik beim Umformen im Einzelnen eingegangen. Darüber hinaus werden die Problematiken anderer Umformungsverfahren bei Werkstücken aus den genannten Werkstoffen eingehend erläutert. Die genannte EP 0 593 799 Bl bzw. die dazu parallele US 5,426,964 lehren ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren zum Kaltumformen eines Werkstoffs mit exponentialem Zugspannungs-Dehnungs- Verhalten zu hohlen Schalen geringer Wandstärke. So wird hier ein Blechrohling umfangsseitig eingespannt und um seine Mittellinie mittels eines Antriebs rotierend gedreht. Der rotierende Blechrohling wird zwischen ersten und zweiten bahngesteuerten Drückrollen, die an gegenüberliegenden Seiten des Blechrohlings angreifen, allein durch lokale Druckkräfte zur Schale kalt verformt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Drückrollen und die von den Drückrollen auf das Werkstück ausgeübte Kraft werden derart aufeinander abgestimmt, dass in das Werkstück eingebrachte Zugkräfte unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffes liegen. Gemäß dieser vorgeschlagenen Verfahrensweise wird nämlich der Werkstoff keinerlei Zugkräften im plastischen Bereich ausgesetzt und die Verformung erfolgt lediglich durch Druckkräfte, die von den beiden gegenüberliegen Drückrollen auf das Werkstück ausgeübt werden.
Durch diese vorgeschlagene Verfahrensweise ist es möglich, mittels einer Kaltumformung Hohlschalen mit einem großen Durchmesser und relativ dünner Wandstärke bis auf Endmaß herzustellen, ohne dass Ermüdungsrisse bzw. ein Ausbeulen festgestellt werden kann und ohne dass die mit einer Erhitzung des Werkstoffes einhergehenden Probleme auftreten. Als Grund hierfür wird genannt, dass der erzielbare hohe Kaltumformungsgrad eine Kornverfeinerung im Gefüge der Titan-ß-Legierung bewirkt, die wiederum in einer höheren Festigkeit und Zähigkeit resultiert, so dass der tragende Querschnitt und somit das Gewicht weiter verringert werden kann. Darüber hinaus führt der hohe Kaltverformungsgrad in Umfangsrichtung zu einer Veränderung der Textur der ursprünglichen Walzrichtung des kaltgewalzten Blechrohlings, so dass die mit dieser Textur einhergehende Gefahr eines Eigenspannungsverzugs verringert wird. Die über die Drückrollen aufzubringenden Druckkräfte können sehr genau dosiert werden, so dass sich nicht nur Schalen konstanter Wanddicke, sondern auch mit sich über den Umfang der Schale verändernder Wanddicke ohne weiteres herstellen lassen. Aufgrund der Verwendung von einander gegenüberliegenden Drückrollen ist auch die beim auftretende Rückfederung so genau beherrschbar, dass Schalen mit einer sehr hohen Maßgenauigkeit hergestellt werden können. Allerdings können hier unter Umständen sehr viele "Umformungsdurchläufe" bis zur Erzielung der gewünschten Schalenform notwendig werden, was das Verfahren zeitaufwendig macht und damit auch mit relativ hohen Herstellungskosten verbunden ist. Es sei hier angemerkt, dass unter dem Begriff "Umformungsdurchlauf oder Umformungsschritten" hier das Verfahren oder Durchlaufen einer Drückrolle von deren Ausgangsstellung (im Bereich der Mittellinie des zu verformenden Werkstücks) bis zu deren Endstellung (in der Nähe des Werkstückumfangsrandes) zu verstehen ist.
Abschließend ist der Vollständigkeit halber noch die US 3,248,918 zu erwähnen. Hierin ist ein Verfahren zum Formen von Reflektoren offenbart. Bei diesem Verfahren sollen sphärisch verformte Metallreflektoren hergestellt werden, ohne dass eine als teuer bezeichnete Form notwendig ist. Hier wird eine flache Kreisscheibe aus einem metallischen, Strahlung reflektierenden Material mittels einem Klemmmittel festgehalten. Durch Drehen des festgehaltenen Blechrohlings wird die Außenkante umgebogen. Dann wird der derart vorgeformte Blechrohling mittels anderer Klemmmittel neu befestigt und wieder gedreht und dann in die gewünschte Form überführt. Das Formen von speziellen Werkstoffen der eingangs genannten Art mit exponentiellem Zugspannungs-Dehnungsverhalten ist hiermit offensichtlich nicht möglich.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein der Erfindung zugrunde liegendes technisches Problem kann beispielsweise darin bestehen, eine Verfahrensweise zum Verformen von Werkstücken aus einem Werkstoff mit exponentiellem Zugspannungs-Dehnungs- Verhalten zu einer dünnwandigen, hohlen Schale bereitzustellen, die mit weniger Umformungsschritten auskommt. Ferner soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die ein Verformen derartiger Werkstücke mit einem oder wenigen Umformungsschritten erlaubt.
Dieses der Erfindung zugrunde liegende technische Problem wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beispielsweise durch ein Verfahren zum Verformen eines Werkstückes aus einem Werkstoff mit exponentiellem Zugspannungs-Dehnungs-Verhalten zu einer dünnwandigen, hohlen Schale gelöst, bei dem beispielsweise zumindest die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden können. Bei dem Verfahren wird das Werkstück umfangsseitig eingespannt und aktiv um seine Mittellinie gedreht. Eine frei drehbare Drückform, die eine der gewünschten Schalenform geformte Außenseite aufweist, wird mit einer geeigneten Druckkraft gegen eine Werkstücksseite gedrückt. Zumindest eine bahngesteuerte Drückrolle wird gegen die andere Werkstückseite gedrückt, so dass das sich auf der Drückform drehende Werkstück zumindest teilweise oder allein durch lokale Zugkräfte zur Schale verformt, wobei die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück und der zumindest einen Drückrolle und die von der zumindest einen Drückrolle und der Drückform auf das Werkstück ausgeübte Kraft derart aufeinander abgestimmt werden, dass in dem Werkstück eingebrachte Druckkräfte unterhalb der Streckgrenze des Werkstückes liegen.
Ferner wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt. Beispielsweise kann eine solche Vorrichtung eine um eine Mittellinie drehbare Spanneinrichtung zum umfänglichen Einspannen des Werkstück umfassen. Zum Drehen der Spanneinrichtung um die Mittellinie ist ein Antrieb vorhanden. Ein solcher Antrieb kann beispielsweise ein Elektromotor sein. Es ist aber auch denkbar, andere Antriebsarten wie beispielsweise Pneumatik- oder Hydraulikmotoren einzusetzen. Bei dem genannten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine um die Mittellinie frei drehbare Drückform vorhanden, die in Richtung der Mittellinie verschiebbar ist und zur Ausübung einer vorbestimmten Druckkraft gegen das Werkstück ausgebildet ist. Ferner umfasst die Vorrichtung zumindest eine bahngesteuerte Drückrolle, die der Drückform gegenüberliegt. Eine erste Steuereinrichtung dient zum Bahnsteuern der zumindest einen Drückrolle. Eine zweite Steuereinrichtung leistet, dass die
Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück und der zumindest einen Drückrolle und die von der zumindest einen Drückrolle und der Drückform auf das Werkstück ausgeübte Kraft derart aufeinander abgestimmt werden, dass in das Werkstück eingebrachte Zugkräfte unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffes des Werkstücks liegen. Erfindungsgemäß kann also beispielsweise ein Werkstück aus den genannten speziellen und bezüglich ihrer Verformung problematischen Werkstoffe kalt verformt werden, ohne dass eine große Anzahl an Umformungsdurchläufen der zumindest einen Drückrolle notwendig sind; zumindest können weniger
Umformungsdurchläufe als bisher notwendig werden. So kann beispielsweise nun in einem oder wenigen Umformungsdurchläufen eine gewünschte Schalenform auch bei den genannten Werkstoffen erzielt werden. Dies ist erstmals möglich, indem erfindungsgemäß eine Druck-Zug-Umformung erfolgt, wobei aber eine konvexe Außenform aufweisende Druckform nicht nur den Gegendruck zur außenseitig angreifenden Drückrolle liefert, sondern mittels der verschiebbaren Form eine Vorpresskraft, bei entsprechend dem Umformfortschritt angepassten Vorschub, eine Zugspannung im Werkstück bewirkt wird. Diese Zugspannung wird im Werkstück dadurch erzielt, dass das Werkstück am Umfangsrand fest eingespannt ist und die Form zusätzlich als "Ziehstempel" genutzt wird. Durch die zusätzliche
Zugvorspannung wird die Ausdehnungsrichtung, die durch das örtliche Auswalzen des Materials mittels der Drückrolle bestimmt ist, hauptsächlich in Meridianrichtung umgeleitet. Durch die beispielsweise parallel zur Umfangsrichtung abrollende Drückrolle kann ohne Zugvorspannung eine örtliche Druckmesservergrößerung bewirkt werden. Im Gegensatz zu der einleitend genannten bekannten
Verfahrensweise kann allerdings beispielweise nur ein "Durchlauf notwendig sein, um die Schalenform zu erzielen. Erstmals kommt also ein beispielsweise Deep Drow-Counter Spinning genanntes Verfahren oder ein Tiefzieh-Gegendrück- Verformverfahren zum Einsatz.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung spannt der sich mitdrehende Form- oder Drückstempel das Werkstück vor. Die zumindest eine Gegendrückrolle drückt beispielsweise immer am Tangentenpunkt gegen die andere Seite des Werkstücks, so. dass die zur Formgebung notwendige Umfangsdehnung durch örtliches Auswalzen des Werkstücks bewirkt wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch eine höhere Anzahl der Drückrollen, auch Gegendrückrollen genannt, sich die Beulgefahr vermindern, sich die Fertigungsgeschwindigkeit erhöhen und sich die notwendige Drückkraft pro Rolle vermindern.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die automatische Steuerung des Umformprozesses über eine hydraulische Proportionalventilsteuerung oder über eine CNC-Steuerung erfolgen. Es versteht sich von selbst, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren nicht nur zur Formgebung bzw. Herstellung von Satelliten-Tankschalen eingesetzt werden kann, sondern auch zur Herstellung von anderen, schwer verformbaren Werkstoffen und Teilen anwendbar ist.
Wie bereits zuvor erwähnt, kann es bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft sein, beim Verformen des Werkstücks die Drückform in Richtung der Mittellinie des Werkstücks zu verschieben, um die notwendige Zugspannung in das Werkstück einzubringen, wozu früher eine Drückrolle vorgesehen war. Gleichzeitig können die Gesamtbaumaße einer solchen Vorrichtung gering gehalten werden, indem die Drückrollen im Wesentlichen in Richtung der Mittellinie gesehen ihre Lage beibehalten.
Aufgrund der zuvor erläuterten Bauweise dreht die Drückform mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Werkstück, so dass keine Relativbewegung zwischen Werkstück und Drückformoberseite auftritt, was bei dem genannten Werkstoff zu Problemen führen würde.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verformen von Titan-ß-Legierungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vereinfacht sein und selbstverständlich aber auch alle Materialien, die in der zuvor genanten EP 0 593 799 Bl genannt sind. Beispielsweise sind Titanbleche aus Ti 15- 3-3-3 oder Ti-ß-21S mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verformbar. Ferner sind beispielsweise Werkstücke aus Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn verformbar. Auch die in der EP 0 593 799 Bl genannten Schalenmaße sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar. Das heißt, beispielsweise sind Schalen mit einem Durchmesser von bis zu 1000 mm oder mehr und Dicken von 0,5-2 und auch bis 6 mm oder mehr mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar. Insbesondere sind die Ausgangswerkstücke ca. 5 bis 40 mm dick.
Gemäß einer beispielhaften weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Neigewinkel der zumindest einen Drückrolle gegenüber der Umfangsrichtung verändert, je nach dem, welchen Abstand die zumindest eine Drückrolle von der Mittellinie des Werkstücks einnimmt und welche Form die Drückform an dieser Stelle hat. Insbesondere wird der Rollenradius und der Rollendurchmesser an die zur Umformung notwendigen Drückkräfte und
Umformrichtung angepasst. So erfolgt bei großem Rollendurchmesser und kleinem Radius eine größere Umformung in Meridianrichtung als in Umfangsrichtung und umgekehrt.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es bevorzugt, dass zumindest zwei, drei oder vier Druckrollen vorhanden sind, die gleichmäßig auf einem Kreis angeordnet sind, wodurch eine schnellere Umform erzielbar ist.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Spanneinrichtung aus einem ersten Spannring und einem zweiten Spannring besteht, die über Spannmittel zueinander verspannbar sind, wobei zwischen den beiden Spannringen der Umfangsrand des Werkstücks einklemmbar ist. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass einer der beiden Spannringe oder ein Lagerinnenring eine Außenverzahnung aufweist, mit der ein Zahnrad kämmt, das über einen Antrieb angetrieben wird.
Alternativ kann es auch zweckmäßig sein, dass das Drehlager, auf dem die Spannoder Klemmringe befestigt sind, einen Zahnkranz am Lagerinnenring aufweist, mit dem ein Antriebsritzel kämmt. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass die Klemmbzw. Spannringe am Lagerinnenring festgeschraubt sind. Der Lageraußenring wird an einem Stator der Vorrichtung befestigt und hält den radialen und axialen Umfangskräften stand.
Bei größeren Lagerdrehkränzen und damit höheren Umfangsgeschwindigkeiten, die bei der Umformung benötigt werden, können kämmende Zahnräder eine große Geräuschkulisse entfalten, was nachteilig sein kann. Hier kann es vorteilhaft sein, einen Antrieb so auszugestalten, dass ein Formriemen oder ein gummiertes Reibrad zur Drehung des Drehlagers der Spanneinrichtung vorgesehen ist.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die zumindest eine Drückrolle in gewünschter Weise gegenüber der Umfangsrichtung an bestimmten Meridianstellen neigbar.
In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die zumindest eine Drückrolle über eine Parallelogrammführung in gewünschter Weise gegenüber der Umfangsrichtung neigbar ist.
Beispielsweise kann die zumindest eine Drückrolle auch über eine Dreiachssteuerung geführt sein. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die erste Steuereinrichtung und die zweite Steuereinrichtung in einer gemeinsamen Steuervorrichtung zusammengefasst.
In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest eine weitere Drückrolle mit größerem Durchmesser einwechselbar vorhanden, um randseitige Bereiche des Werkstücks zu verformen.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst ein Spanwerkzeug, insbesondere einen Drehmeißel. Mit dem Spanwerkzeug ist das noch eingespannte Werkstück in gewünschten Werkstückbereichen spanabhebend bearbeitbar.
Schließlich kann in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung ein Abstechwerkzeug vorhanden sein, um ein fertig bearbeitetes Werkstück abzutrennen.
Ein weiteres der Erfindung zugrunde liegendes technisches Problem besteht darin, eine Verfahrensweise zum Verformen von Werkstücken zu einer dünnwandigen, hohlen Schale bereitzustellen, bei der die Werkstücke zur Verformung nicht auf eine klassische Warmumformtemperatur erwärmt werden müssen, sondern nur auf eine darunter liegende Temperatur.
Dieses technische Problem wird durch ein Verfahren gelöst, das beispielsweise zumindest die nachfolgenden Schritte umfasst: Ein Werkstückrohling wird umfangsseitig eingespannt und aktiv um seine Mittellinie gedreht. Der Werkstückrohling wird zumindest in bestimmten Teilbereichen auf eine Temperatur erwärmt, die unterhalb der für den Werkstoff dieses Rohlings bekannten Warmumformtemperatur liegt. Sodann wird eine frei drehbare Drückform, die eine der gewünschten Schalenform geformte Außenseite aufweist, mit einer geeigneten Druckkraft gegen eine Werkstücksseite gedrückt. Zumindest eine bahngesteuerte Drückrolle wird gegen die andere Werkstückseite gedrückt (in den oben genannten erwärmten Teilbereichen), so dass der sich auf der Drückform drehende Werkstückrohling allein durch lokale Druckkräfte zur Schale verformt, wobei die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück und der zumindest einen Drückrolle und die von der zumindest einen Drückrolle und der Drückform auf das Werkstück ausgeübte Kraft derart aufeinander abgestimmt werden, dass in dem Werkstück eingebrachte Druckkräfte unterhalb der Streckgrenze des Werkstückes liegen.
Bei einer beispielhaften Verfahrensweise gemäß der Erfindung ist der Werkstückrohling aus einer Titanlegierung hergestellt, insbesondere ist die Titanlegierung Ti6-4. Die Verarbeitungstemperatur kann beispielsweise so gewählt werden, dass im Werkstückrohling der Zustand des exponentiellen Zug-Spannungs- Dehnungsverhalten erreicht wird, aber kein α-case gebildet wird.
Bei einer beispielhaften alternativen Verfahrensweise gemäß der Erfindung wird ein aus einer hochfesten AI-Legierung bestehender Werkstückrohling zu einer Schale verformt. Die AI-Legierung ist insbesondere Al-2219.
Bei der Verformung eines Werkstücks aus einer hochfesten AI-Legierung wird die Verarbeitungstemperatur insbesondere so gewählt, dass im Werkstückrohling ein warm ausgelagerter Zustand erreicht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine beispielhafte
Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens eine um eine Mittellinie drehbare Spanneinrichtung zum umfänglichen Einspannen des Werkstück. Es ist ein Antrieb zum Drehen der Spanneinrichtung um die Mittellinie vorhanden. Ferner ist eine um die Mittellinie frei drehbare Drückform vorgesehen, die in Richtung der Mittellinie verschiebbar ist und zur Ausübung einer vorbestimmten Druckkraft gegen das Werkstück ausgebildet ist. Außerdem umfasst die Vorrichtung zumindest eine bahngesteuerte Drückrolle, die der Drückform gegenüberliegt. Eine erste Heizeinrichtung dient zumindest zur Erwärmung desjenigen Werkstückbereichs, in dem die zumindest eine Drückrolle das Werkstück kontaktiert. Mittels einer ersten Steuereinrichtung wird die Bahn der zumindest einen Drückrolle gesteuert. Eine zweite Steuereinrichtung stellt sicher, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück und der zumindest einen Drückrolle und die von der zumindest einen Drückrolle und der Drückform auf das Werkstück ausgeübte Kraft derart aufeinander abgestimmt werden, dass in das Werkstück eingebrachte Zugkräfte unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffes des Werkstücks liegen.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Drückform über eine zweite Heizeinrichtung auf eine bestimmte Haltetemperatur erwärmt.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung besteht die erste Heizeinrichtung aus mehreren Heizeinrichtungen , die voneinander getrennte Werkstückbereiche auf die gewünschte Verarbeitungstemperatur bringen können.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erste Heizeinrichtung mechanisch oder manuell positionsveränderbar ist.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erste und die zweite Heizeinrichtung Gasbrenner sind.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Heizeinrichtungen Heizspiralen oder Infrarotwärmeeinrichtungen. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden sind zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer beispielhaften
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, bei der zwei unterschiedliche
Stellungen einer Drückform angedeutet sind,
Fig. 3 eine der Fig. 2 sehr ähnliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer zusätzlichen Drückrolle mit größerem Durchmesser zur Verformung eines mehr am Umfangsrand des Werkstückes liegenden Werkstückabschnitts,
Fig. 4 eine Teilschnittansicht eines erfindungsgemäß verformten Werkstücks mit spanend zu bearbeitenden Bereichen,
Fig. 5 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung mit Darstellung eines
Abstechwerkzeugs,
Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung verschiedener
Richtungen,
Fig. 7 eine weitere schematische Darstellung eines Werkstücks in Ausgangs- und Endform, und Fig. 8 eine schematische Darstellung der Vorgänge im Werkstück während der Umformung,
Fig. 9 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verformen eines Werkstückes aus einem bisher nur bei bekannten Warmumformtemperaturen verformbaren Materials,
Fig. 10 eine schemahaft dargestellte Modifikation der in Fig. 9 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung.
BESCHREIBUNG MEHRERER BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Gemäß der Fig. 1 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise eine Drückeinrichtung 1, die eine Drückvorrichtung 4, einen Drückstempel 2 und eine Steuervorrichtung 50 umfasst. Die Drückform 4 hat eine Außenseite 4a, die der gewünschten Schalenform entspricht. Diese Außenseite 4a der Drückform 4 ist grundsätzlich konvex ausgebildet. Sie kann aber im Querschnitt gesehen nicht nur eine gleichbleibende Krümmung aufweisen, sondern die Krümmungsrichtung auch wechseln.
Die Drückform 4 ist mit dem Drückstempel 2 gekoppelt. Dieser Drückstempel 2 ist Teil einer Kolben-Zylinder-Einheit, die beispielsweise über eine Pneumatik- oder
Hydraulikeinheit ein Verschieben der Drückform 4 mit vorbestimmter Kraft bewirkt. Die Steuerung dieser Kolben-Zylinder-Einheit und damit der Drück- und Ziehform 4 in Richtung einer Mittellinie M erfolgt über die Steuervorrichtung 50. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Halterung 5, in der eine Spanneinrichtung eingebettet ist. Die Spanneinrichtung umfasst hier einen ersten Spannring 7 und einen zweiten Spannring 12, die über am Umfang gleichmäßig verteilte Spannschrauben 11 zueinander verspannbar sind. Der erste Spannring 7 ist gleichzeitig der Innenring eines Wälzlagers. Der Außenring 6 ist in der Halterung 5 integriert. Wie ein normales Kugellager sind hier der äußere Wälzlagerring 6 und der inneren Wälzlagerring 7 über Kugeln wälzgelagert. Ein zweites Wälzlager aus Innenring 9 und Außenring 8 sowie dazwischenliegenden Kugeln ist ebenfalls vorhanden, um die gesamte Vorrichtung drehbar in der Halterung 5 zu lagern.
Der zweite Spannring 12 ist hier mit einer Außenverzahnung versehen, in der ein schematisch dargestelltes Zahnrad 13 eingreift. Dieses Zahnrad ist über einen Antrieb A, wiederum nur schematisch dargestellt, angetrieben, so dass über das Zahnrad 13 der Spannring 12 gesteuert angetrieben werden kann. Alternativ kann es zweckmäßig sein, den inneren Wälzlagerring 7 mit einer Verzahnung zu versehen, mit der ein hier nicht dargestelltes Zahnrad kämmt, das wiederum über einen Antrieb angetrieben wird. Eine weitere Alternative zum Drehen des eingespannten Werkstückes 240 könnte so aussehen, dass der Lagerinnenring oder ein hiermit verbundenes (nicht gezeigtes) Bauteil über einen Formriemen, der mit einem Antriebsrad gekoppelt ist, angetrieben wird. Auch eine Ausbildung als gummiertes Reibrad ist möglich. Hier würde ein kleines Reibrad mit dem fest mit dem Lagerinnenring 7 verbundenen Gegenrad über Reibschluss drehangetrieben sein.
Im übrigen ist noch anzumerken, dass die Drückform 4 auf dem Drückstempel 2 drehbar gelagert ist, selbst aber nicht angetrieben ist. Es ist auch möglich, dass die Drückform 4 und der Drückstempel 2 nicht drehbar miteinander verbunden sind, dafür aber dann der Drehstempel 2 in der Kolben-Zylinder-Einheit drehbar ist.
Vor der Halterung 5 ist eine Drückrollenlagerung 25 angeordnet. Die Drückrollenlagerung 25 umfasst einen Grundkörper 28, an dem verschiedene Stäbe oder Stangen 18, 19, 20, 21, 22, 23 drehbar gelagert sind. Zwei der am Grundkörper 28 drehbar gelagerten Stäbe 18, 19 und 22, 23 weisen an ihren freien Enden Drückrollenhalterungen 14, 15 auf. Diese sind wiederum an jeweiligen Stäben drehbar gelagert. An den Halterungen 14, 15 sind Drückrollen 16, 17 drehbar gelagert. Über das gebildete Parallelogramm sind die Drückrollen in ihrer Neigung verstellbar und nach außen verschiebbar, d.h. der Abstand zur Mittellinie M ist veränderbar. Aufgrund der Parallelogrammkinematik bleiben die Drückrollen 16, 17 auch zunehmendem Abstand von der Mittellinie M im Wesentlichen immer auf der gleichen Höhe. Gleichzeitig besitzen die Drückrollen 16, 17 an jeder Umfangslinie des Werkstücks 24 die notwendige und zur Verformung zweckmäßigste Neigung.
Die beiden Halterungen 14, 15 sind über die Stäbe 20, 21 miteinander gekoppelt. Diese beiden Stäbe sind wiederum über eine gemeinsame Drückstange 27 mit einer Kolben-Zylinder-Einheit 26 gekoppelt. Die Kolben-Zylinder-Einheit 26 bewirkt das Auseinanderfahren der Drückrollen und damit einen einstellbaren Abstand von der Mittellinie M. Die Kolben-Zylinder-Einheit 26 ist über eine Steuervorrichtung 40 steuerbar. Sowohl die Steuervorrichtung 40 als auch die Steuervorrichtung 50 für die Kolben-Zylinder-Einheit 1 der Drückform 4 wie auch der Antrieb A können über Kabel 51 miteinander verbunden sein oder in einer gemeinsamen Steuervorrichtung integriert sein.
Die zuvor genannte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet und wird wie folgt betrieben. Das Werkstück 240 liegt als Blechrohling vor und hat vorzugsweise in der Draufsicht die Form einer Kreisscheibe. Am Umfangsrand wird dieser Blechrohling zwischen den beiden Spannringen 7 und 12 fest eingespannt. Sodann wird der Antrieb des einen Spannrings 12 betätigt, um damit das Werkstück 240 um die Mittellinie M aktiv zu drehen Sodann werden die Drückrollen 16, 17 ganz in der Nähe des Mittelpunktes, d.h. in Höhe der Mittellinie M gegen die eine Seite des Werkstücks 240 gefahren, gleichzeitig wird die Drückform 4 mit vorbestimmter Kraft gegen die andere Seite des Werkstücks 240 gedrückt, so dass das Werkstück 240 zunehmend verwölbt, gleichzeitig gedreht und mit einer Gegenkraft von den Drückrollen 16, 17 beaufschlagt wird.
Vorzugsweise kann die Drückform auch erst gegen das Werkstück 240 gefahren werden, bevor dieses dann gedreht wird. Diese Vorgänge werden durch die
Steuerungen 40, 50, 51 kontrolliert. Die Drückform 4 wird kontinuierlich weiter entlang der Mittellinienrichtung verschoben, gleichzeitig werden über das Parallelogrammgestänge die Drückrollen 16, 17 langsam nach außen verlagert. Die Drückrollen 16, 17 folgen dabei der Kontur der Drückform 4 bzw. der gewünschten Schalenform. Während dieses Vorgangs erfolgt an den Tangentenpunkten, also den Stellen, an denen das Werkstück 24 sich von der Außenseite der Form 4 abhebt, die Umformung des Werkstücks 24. Wichtig ist dabei, dass die Drückkraft der Drückform 4 als auch die Drehgeschwindigkeit des Werkstücks 24 und die Gegenkraft der Drückrollen 16, 17 aufeinander abgestimmt werden, so dass im Werkstück 24 gemäß der Darstellung der Fig. 8 die gewünschte Verformung ohne Ausbeulen oder dergleichen erfolgt. Gleichzeitig wird auch dafür gesorgt, hier über das Parallelogrammgestänge, dass die Drückrollen 16, 17 die korrekte Neigung gegenüber der Mittellinie M haben, was auch von der Form der Drückform 4 abhängt.
So kann, wenn möglich, nur mit einem Verfahrgang der Drückrollen 16, 17 von innen, d.h. von der Mittellinie M aus, bis nach außen das Werkstück 240 verformt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Drückrollen 16, 17 wieder in die Mitte verfahren werden und ein erneuter Verformungsvorgang und eine weitere Kraftaufbringung mit der Drückform 4 erfolgt, so dass mehrere "Durchgänge" bis zur vollständigen Verformung gemäß der vorgegebenen Außenkontur der Drückform 4 notwendig sind. Allerdings weit weniger als bei dem eingangs genannten bekannten Verfahren. Es sei hier nochmals herausgestellt, dass die Drückrollen 16, 17 sich zu Beginn des Verformvorgangs in der Stellung nahe der Mittellinie M befinden. Deren Endlage am Ende des Verformvorgangs ist mit einem Apostroph gekennzeichnet. Die schlussendliche Form des Werkstücks 24 ist hier mit dem Bezugszeichen 24' gekennzeichnet.
Aus der Darstellung gemäß der Fig. 2 sind die unterschiedlichen Verfahrgrade des Drückstempels 4 ersichtlich. Ferner sind auch die verschiedenen Verformungsgrade des Werkstücks 24 gezeigt. Die Endstellung ist hier mit 243 dargestellt, eine Zwischenstellung mit 24] bzw. 24 .
Aus der Fig. 3 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Hier werden zur randseitigen Verformung des Werkstückes 243 eine oder mehrere Drückrollen 30 mit größerem Durchmesser verwendet. Größerer Durchmesser bedeutet hier einen Durchmesser, der größer ist als der der Drückrollen 16, 17, die für eine anfängliche Verformung vorgesehen sind.
Gemäß der Fig. 4 weist eine Schale 24 im Endzustand Bereiche 31, 32 auf, die noch abzudrehen sind. Hier kann also mit eingespanntem Werkstück 24 eine spanabhebende Bearbeitung von beispielsweise Randbereichen der Schale 24 erfolgen. Auch das Abtrennen der Schale, die außenseitig fertig bearbeitet ist, ist mittels eines Abstechwerkzeugs 40 möglich, wie es aus der Fig. 5 ersichtlich ist.
In der Fig. 6 sind zur besseren Übersicht nochmals die verschiedenen Richtungen dargestellt. Die Umfangsrichtung verläuft senkrecht zur Mittellinie M, die
Meridianrichtung entlang der Außenkontur der Drückform 4 bzw. hier dargestellt der fertigen Schale 24. In der Fig. 7 sind zur besseren Übersicht nochmals ein Werkstück 240 in der Ausgangsform gezeigt mit dem Bezugszeichen 243 ist das Werkstück in seiner Endform gezeigt. Die Fig. 8 zeigt, wie bereits zuvor erläutert, die grundsätzlichen Druckkräfte, die punktuell durch die Drückrolle 16, 17 und die Drückform 4 in das Werkstück 24 eingebracht werden und zu einer gewünschten Verformung ohne Übersteigen der Streckgrenze des Werkstoffs des Werkstücks 24 führt.
Die in der Fig. 9 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gleicht in den wesentlichen Merkmalen der Vorrichtung, die anhand der Fig. 1 - 8 voranstehend detailliert erläutert wurde. Die hier dargestellte beispielhafte Ausführungsform umfasst zu den voranstehend erläuterten technischen Merkmalen der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine erste Heizeinrichtung 100 und eine zweite Heizeinrichtung 101. Beide Heizeinrichtungen sind hier als Gasbrenner ausgebildet. Die erste Heizeinrichtung 100 ist so ausgerichtet, dass ein Warmluftstrom an der Innenseite des Werkstücks 24 entlang streicht. Beispielsweise ist es auch möglich, dass diese erste Heizeinrichtung 100 mehrere Heizstellen umfasst, so dass die Werkstückinnenseite des Werkstücks 24 in verschiedenen Teilbereichen erwärmt wird. Die zweite Heizeinrichtung 101 ist so ausgerichtet, dass sie an der Außenseite des Werkstücks 24 eine Erwärmung erbringt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es aber unter Umständen auch ausreichend, nur eine Heizeinrichtung aufzuweisen. Insbesondere ist auch zu erwähnen, dass bei der hier gezeigten Ausführungsform die Drückform 4 an der
Außenseite entlang verschiedene Kanäle zum Durchströmen des Warmluftstroms der ersten Heizeinrichtung 100 aufweist. Unter Umständen ist es auch zweckmäßig, kleine Löcher in der Drückform 4 vorzusehen, so dass die Warmluft unmittelbar auch mit dem Werkstück 24 in Kontakt kommt. Eine indirekte Erwärmung kann sich aber auch als vorteilhaft erweisen.
Insbesondere kann es also vorteilhaft sein, die zweite Heizeinrichtung 101 verschiebbar oder bewegbar auszugestalten, so dass auf der Außenseite des Werkstücks 24 immer im Bereich der Drückrollen eine Erwärmung erfolgt Ferner können auch mehrere zweite Heizeinrichtungen anstatt der einen zweiten Heizeinrichtung 101 vorgesehen sein, so dass auch dann eine Erwärmung des Werkstücks 24 außenseitig im Bereich aller Drückrollen 16, 17 erfolgt. Insbesondere kann es auch zweckmäßig sein, eine Temperaturmesseinrichtung 102 vorzusehen, die die Oberflächentemperatur des Werkstücks 24 misst und auf die zweckmäßige Warmumformtemperatur bringt, die aber erfindungsgemäß erstmals bei diesem Verformverfahren niedriger ist als die bisherigen Warmumformtemperaturen. So kann eine entsprechende erfindungsgemäße Warmumformtemperatur beispielsweise im Bereich von 500° C bis 600° C liegen, klassische Warmumformtemperaturen liegen beispielsweise über 600° C. Insbesondere sind bei herkömmlichen Umformverfahren aus Verfahrensgründen Umfangtemperaturen von 650° C bis 850° C notwendig.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Vorrichtung gemäß der Fig. 9 wird das Werkstück 24, also der Werkstückrohling, insbesondere ein Blechrohling auf eine Warmumformtemperatur unter 650° C gebracht und über die Druckrollen 16, 17, wie bereits anhand der Fig. 1 - 8 erläutert, umgeformt. Entsprechend wird der Drückstempel 4 etc. gegen die Drückrollen verfahren und das Werkstück 24 in eine Schale verformt. Gleichzeitig wird über die Temperaturmesseinrichtung 102 und die Heizeinrichtung 100, 101 das Werkstück 24 auf der notwendigen Umformtemperatur gehalten. Das Werkstück 24 besteht bei dieser beispielhaften Ausführungsform aus einer Titanlegierung Ti 6 - 4 (Ti 6A14V). Durch die gewählte Umformtemperatur von etwa 600° C erfolgt auch bei einer längeren Bearbeitungsdauer keine Oxidierung, d.h. es ergibt sich keine Oxidschicht bzw. eine Alpha-Case-Schicht. Bei herkömmlichen Umformverfahren, die eine Umformtemperatur von 650° C bis 850° C benötigen, kommt es bereits nach 0,1 Stunden zur Bildung von Oxid- und
Diffusionsschichten (die zuvor erwähnten Alpha-Case-Schichten). Erst durch die kombinierte erfindungsgemäße Verfahrensweise und der Erzielung einer bisher nicht zur Verformung geeigneten Warmumformtemperatur sind die bisherigen nachteiligen Oxidschicht- bzw. α-case-Schichtbildungen vermeidbar. Dementsprechend auch die bisher notwendige mechanische Nachbearbeitung einer Oberfläche einer erzielten Schale.
Eine Alternative für einen Werkstoff sind, wie bereits erwähnt, hochfeste Aluminiumlegierungen, bei denen die Umformtemperaturen sehr niedrig gehalten werden können. Aus metallurgischer Sicht ist das Werkstück 24 dann ohne Gefügeumwandlungen in dem Werkstück 24 zu erzeugen, in eine Schale 243 verformbar. Ein solches erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht zum ersten Mal hohe Umformgrade in verschiedenen Aushärtungszuständen. Dabei wird der Vorteil erzielt, dass das fertige Werkstück 243 nicht lösungsgeglülit und danach gereckt und kalt- oder warmausgehärtet werden muss. Insbesondere muss also bei der Darstellung gemäß der Fig. 9 die Drückform bzw. lediglich andere Terminologie Ziehstempel, auf eine Grundtemperatur von ungefähr 100° C unter der gewünschten Umformtemperatur des Werkstückes gebracht und gehalten werden. Zu beachten ist dabei die ausreichende Druckfestigkeit der Vorrichtung und die Wärmedehnung bezüglich der Formgenauigkeit. Grund der Erwärmung der Drückform 4 ist die Vermeidung der Wärmeableitung vom Werkstück. Die eigentliche gewünschte Umformtemperatur wird von außen direkt auf das Werkstück 24 durch die zweite Heinzeinrichtung 101 erzielt, insbesondere nur an der Stelle, an der die Umformung durchgeführt wird (insbesondere tangential).
Die Bewegung der zweiten Heizeinrichtung 101 kann insbesondere manuell oder mechanisch entsprechend der Drückrollenbewegung kontrolliert erfolgt. Die Temperaturüberwachung kann je nach Seriengröße manuell oder über eine Regelkreissteuerung erfolgen.
Vorteilhafterweise wird die Drückvorrichtung mit ihren Wälzlagern und Hydraulikzylindern entsprechend bekanntem Standard durch Hitzeschilder und entsprechende Kühleinrichtungen, nach Bedarf, vor Überhitzung geschützt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Verformen eines Werkstücks (240) aus einem Werkstoff mit exponentiellem Zugspannungs-Dehnungsverhalten zu einer dünnwandigen, hohlen Schale (243), bei dem: a) das Werkstück (240) umfangseitig eingespannt und aktiv um seine Mittellinie (M) gedreht wird, b) eine frei drehbare Drückform (4), die eine der gewünschten Schalenform (243) geformte Außenseite (4a) aufweist, mit einer geeigneten Druckkraft gegen eine Werkstückseite (24a) gedrückt wird, und c) zumindest eine bahngesteuerte Drückrolle (16, 17) gegen die andere Werkstückseite (24b) gedrückt wird, so dass das sich drehende Werkstück (240) allein durch lokale Druckkräfte zur Schale (243) verformt wird, wobei die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück (240) und der zumindest einen Drückrolle (16, 17) und die von der zumindest einen Drückrolle (16, 17) und der Drückform (4) auf das Werkstück (240) ausgeübte Kraft derart aufeinander abgestimmt werden, dass in dem Werkstück (240) eingebrachte Zugkräfte unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffes des Werkstücks (240) liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei beim Verformen des Werkstück (24) die Drückform (4) in Richtung der Mittellinie (M) des Werkstück (24) verschoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich während des Verformungsvorganges die Drückform (4) mit der gleichen Drehgeschwindigkeit dreht wie das Werkstück.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (24) aus Titan, insbesondere aus einer Titan-ß-Legierung besteht.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Neigewinkel der zumindest einen Drückrolle (16, 17) gegenüber der
Umfangsrichtung verändert wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei während der Verformung die Lage in Richtung der Mittellinie (M) der zumindest einen Drückrolle (16, 17) im Wesentlichen nicht verändert wird.
7. Vorrichtung zum Verformen eines Werkstücks (240) aus einem Werkstoff mit exponentiellem Zugspannungs-Dehnungsverhalten zu einer dünnwandigen, hohlen Schale 240mit: a) eine um eine Mittellinie (M) drehbare Spanneinrichtung (7, 10, 12) zum umfänglichen Einspannen des Werkstück (240) b) einen Antrieb (13) zum Drehen der Spanneinrichtung (7, 10, 12) um die Mittellinie (M), c) eine um die Mittellinie (M) frei drehbare Drückform (4), die in Richtung der Mittellinie (M) verschiebbar ist und zur Ausübung einer vorbestimmten
Druckkraft gegen das Werkstück (240) ausgebildet ist, d) zumindest einer bahngesteuerten Drückrolle (16, 17), die der Drückform (4) gegenüberliegt, e) einer ersten Steuereinrichtung (40) zum Bahnsteuern der zumindest einen Drückrolle (16, 17), und f) einer zweiten Steuereinrichtung (50), die sicherstellt, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück (240) und der zumindest einen Drückrolle (16, 17) und die von der zumindest einen Drückrolle (16, 17) und der Drückform (4) auf das Werkstück (240) ausgeübte Kraft derart aufeinander abgestimmt werden, dass in das Werkstück (240) eingebrachte Zugkräfte unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffes des Werkstücks (240) liegen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Spanneinrichtung aus einem ersten Spannring (7) und einem zweiten Spannring (12) besteht, die über Spannmittel
(11) zueinander verspannbar sind, wobei zwischen den beiden Spannringen (7, 12) der Umfangsrand des Werkstücks (240) einklemmbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei einer der beiden Spannringe (7, 12) eine Außenverzahnung aufweist, mit der ein Zahnrad (13) kämmt, das über einen
Antrieb angetrieben wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 - 9, wobei zumindest eine Drückrolle (16, 17) in gewünschter Weise gegenüber der Umfangsrichtung an einer bestimmten Meridianstelle neigbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die zumindest eine Drückrolle (16, 17) über ein Parallelogrammführung in gewünschter Weise gegenüber der Umfangsrichtung an einer bestimmten Meridianstelle neigbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 - 9, wobei die zumindest eine Drückrolle (16, 17) über eine Dreiachssteuerung geführt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 - 12, wobei die erste Steuereinrichtung (40) und die zweite Steuereinrichtung (50) in einer gemeinsamen Steuervorrichtung integriert sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-13, wobei zumindest eine weitere Drückrolle (30) mit größerem Durchmesser einwechselbar vorhanden ist, um randseitige Bereiche des Werkstücks zu verformen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 - 14, wobei ein Spanwerkzeug, insbesondere ein Drehmeißel vorhanden ist, mit dem das noch eingespannte Werkstück in gewünschten Werkstückbereichen spanabhebend bearbeitbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 - 15, wobei ein Abstechwerkzeug vorhanden ist, um ein fertig bearbeitetes Werkstück abzutrennen
17. Verfahren zum Verformen eines Werkstückrohlings (240) aus einem
Werkstoff zu einer dünnwandigen, hohlen Schale (243), bei dem: a) der Werkstückrohling (240) umfangseitig eingespannt und aktiv um seine Mittellinie (M) gedreht wird, b) eine frei drehbare Drückform (4), die eine der gewünschten Schalenform (243) geformte Außenseite (4a) aufweist, mit einer geeigneten Druckkraft gegen eine Werkstückseite (24a) gedrückt wird, und c) zumindest eine bahngesteuerte Drückrolle (16, 17) gegen die andere Werkstückseite (24b) gedrückt wird, so dass das sich drehende Werkstück (240) allein durch lokale Druckkräfte zur Schale (243) verformt wird, wobei die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück (240) und der zumindest einen Drückrolle (16, 17) und die von der zumindest einen Drückrolle (16, 17) und der Drückform (4) auf das Werkstück (240) ausgeübte Kraft derart aufeinander abgestimmt werden, dass in dem Werkstück (240) eingebrachte Zugkräfte unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffes des Werkstücks (240) liegen. d) der Werkstückrohling (240) zumindest in demjenigen Teilbereich auf eine Verarbeitungstemperatur erwärmt wird, die unterhalb der für diesen Werkstoff bekannten Warmumformungstemperatur liegt, die von der Drückrolle (16, 17) kontaktiert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Werkstoff des Werkstückrohling (240) Ti 6-4 ist.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Verarbeitungstemperatur so gewählt ist, dass im Werkstückrohling der Zustand des exponentiellen Zug-Spannungs-Dehnungsverhalten erreicht wird, aber kein Alpha Case gebildet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Werkstoff des Werkstückrohling (240) eine hochfeste AI-Legierung, insbesondere Al-2219 ist.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Werkstoff des Werkstückrohling (240) eine hochfeste AI-Legierung ist.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21 , wobei die
Verarbeitungstemperatur so gewählt ist, dass im Werkstückrohling ein warmausgelagerter Zustand erreicht wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 - 22, wobei die Drückform (4) auf eine Temperatur erwärmt wird, die unterhalb der Warmumformtemperatur des Werkstücks (24) liegt.
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Temperatur der Drückformaußenseite zwischen 50° C und 150° C liegt, insbesondere 100° C beträgt.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 - 24, wobei der Werkstückrohling (240) nur im Bereich der Drückrollen (16, 17) auf die
Verarbeitungstemperatur erwärmt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Verarbeitungstemperatur zwischen 500° C und 650° C liegt.
27. Vorrichtung zum Verformen eines Werkstücks (240) aus einem Werkstoff mit exponentiellem Zugspannungs-Dehnungsverhalten zu einer dünnwandigen, hohlen Schale (240) mit:
a) eine um eine Mittellinie (M) drehbare Spanneinrichtung (7, 10, 12) zum umfänglichen Einspannen des Werkstück (240) b) einen Antrieb (13) zum Drehen der Spanneinrichtung (7, 10, 12) um die Mittellinie (M), c) eine um die Mittellinie (M) frei drehbare Drückform (4), die in Richtung der Mittellinie (M) verschiebbar ist und zur Ausübung einer vorbestimmten Druckkraft gegen das Werkstück (240) ausgebildet ist, d) zumindest einer bahngesteuerten Drückrolle (16, 17), die der Drückform (4) gegenüberliegt,
e) eine erste Heizeinrichtung (100; 101), die zumindest zur Erwärmung desjenigen Werkstückbereichs ausgebildet ist, in dem die zumindest eine
Drückrolle (16, 17) das Werkstück (240) kontaktiert, f) einer ersten Steuereinrichtung (40) zum Bahnsteuern der zumindest einen Drückrolle (16, 17), und g) einer zweiten Steuereinrichtung (50), die sicherstellt, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück (240) und der zumindest einen Drückrolle (16, 17) und die von der zumindest einen Drückrolle (16, 17) und der Drückform (4) auf das Werkstück (240) ausgeübte Kraft derart aufeinander abgestimmt werden, dass in das Werkstück (240) eingebrachte Zugkräfte unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffes des Werkstücks (240) liegen.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Drückform über eine zweite Heizeinrichtung (101) auf eine bestimmte Haltetemperatur erwärmt wird.
29. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die erste Heizeinrichtung (100) aus mehreren Heizeinrichtungen besteht, die voneinander getrennte Werkstückbereiche auf die gewünschte Verarbeitungstemperatur bringen können.
30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, wobei die erste Heizeinrichtung (100) mechanisch oder manuell positionsveränderbar ist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27-30, wobei die erste und die zweite Heizeinrichtung (100, 101) Gasbrenner sind.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27-30, wobei die Heizeinrichtungen (100, 101) Heizspiralen oder Infrarotwärmeeinrichtungen sind.
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