-
Die Erfindung betrifft ein Kaltumformverfahren zum Kaltumformen von länglichen Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende Umformvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Umformvorrichtung sind aus der
DE10 2005 017 105 B4 bekannt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung der Umformvorrichtung.
-
Bekannte Verfahren zum Kaltumformen von Werkstücken sind beispielsweise das Walzen oder das Pressen, wobei das Material des zu verformenden Werkstückes, häufig metallisches Material, reißen kann. Umformverfahren unter Einfluss von Wärme, wie beispielsweise das Strangpressen, erfordern dagegen einen hohen apparativen Aufwand. Daher ist es wünschenswert, nach alternativen Umformverfahren und Umformmöglichkeiten zu suchen, um eine Kaltumformung von länglichen Werkstücken zu ermöglichen.
-
Ein bekanntes Umformverfahren ist die Umformung von beispielsweise metallischen Materialien mittels einem Magnetfeldimpuls.
-
Weiter ist aus
US 3 372 566 bekannt, flächige Werkstücke durch Einfluss eines Magnetimpulses zu verformen. Hierbei wird eine Konzentration des magnetischen Feldes erzeugt, um ohne Zuhilfenahme von aufwändigen Formwerkzeugen das Werkstück an dem gewünschten Verformungspunkt korrekt verformen zu können.
-
Beim Umformen von Werkstücken mit magnetischen Impulsen ist ein Magnetfeld mit hoher Intensität nötig, um den erforderlichen Umformdruck auf dem Werkstück zu erreichen. Ein hochintensives Magnetfeld kann realistisch nur in einem begrenzten Abmessungsbereich erzielt werden. Dies ist der Grund, weshalb bislang nur Werkstücke mit geringen Abmessungen unter Zuhilfenahme dieses Kaltumformverfahrens umgeformt werden können.
-
Aus der
DE 10 2005 017 105 B4 ist eine elektromagnetische Abkant- und Falzvorrichtung und ein Verfahren zum Abkanten und Falzen von Metallblechen bekannt. Dabei wird eine Spule mittels eines Roboters oder dergleichen Vorrichtung relativ zu dem umzuformenden Werkstück verfahren, um ein längeres Werkstück mittels Magnetfelddruckimpulsen zu verformen. Demnach offenbart dieses Dokument ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche. Die Spule wird hinsichtlich ihres Aufbaus, der Form und der elektrischen Eigenschaften abhängig von dem spezifischen Flanschmaterial und der spezifischen Flanschgeometrie ausgewählt.
-
Aus der
DE 10 2007 025 555 B3 ist ein weiteres Kaltumformverfahren zum Kaltumformen von länglichen Werkstücke bekannt, bei dem die zur Standzeitverlängerung starr ausgebildeten Spulen von einem Magnetofluid umgeben sein können.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Kaltumformverfahren und eine entsprechende Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen auch größere Werkstücke besser verformt werden können.
-
Diese Aufgabe wird mit einem Kaltumformverfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
-
Eine Umformvorrichtung zum Kaltumformen von länglichen Werkstücken ist Gegenstand des Nebenanspruches.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Ein Kaltumformverfahren zum Kaltumformen von länglichen Werkstücken weist die folgenden Schritte auf:
a) Bereitstellen eines länglichen Werkstückes mit einer Längserstreckungsrichtung;
b) Erzeugen eines Magnetfelddruckimpulses an einer Umformfläche des Werkstückes mittels wenigstens einer Spule;
c) Verschieben des Werkstückes in Längserstreckungsrichtung; und
d) Wiederholen der Schritte b) und c).
-
Mit einem solchen Kaltumformverfahren werden die Vorteile eines Magnetimpulsverformens genutzt. Bevorzugt werden bei dem Magnetimpulsverformen durch eine durch eine kurze Pulslänge von etwa 5 Hz bis 13 Hz bestimmte ultrakurze Prozesszeit und die dadurch ausgeübte Druckwelle mit einer Leistung zwischen 1000 J und 5000 J Werkstücke verformt, ohne dabei zu reißen. Um mit herkömmlichen Magnetfelderzeugungseinrichtungen ein längliches Werkstück über seine gesamte Längserstreckung verformen zu können, wird zunächst an einem begrenzten Bereich der Umformfläche des Werkstückes ein Magnetfelddruckimpuls erzeugt, der diesen begrenzten Bereich verformt. Danach wird das Werkstück in Längserstreckungsrichtung verschoben und an einem weiteren begrenzten Bereich der Umformfläche wieder ein Magnetfelddruckimpuls erzeugt, der dann nur diesen zweiten begrenzten Bereich umformt. Unter Verschieben des Werkstücks in Längserstreckungsrichtung soll auch die Möglichkeit verstanden werden, die den Magnetfelddruckimpuls erzeugende Quelle in Längserstreckungsrichtung des Werkstücks zu verschieben, während das Werkstück ortsfest verbleibt. Dieses Verfahren kann so lange wiederholt werden, bis das Werkstück über seine gesamte Längserstreckung die gewünschte Verformung aufweist.
-
Ein besonderer Vorteil des Magnetumformverfahrens besteht darin, dass das verformte Werkstück im Gegensatz zu herkömmlichen Kaltumformverfahren nicht in Richtung seine ursprüngliche Form zurückfedert.
-
Bevorzugt wird in Schritt b) eine Spuleneinrichtung, insbesondere mit einer Spule, die eine Windung aufweist, in Kontakt mit der Umformfläche des Werstückes gebracht. So wird vorteilhaft ein Überschlag durch Beabstandung von Spuleneinrichtung und Werkstück und damit eine Hitzebeanspruchung von Spuleneinrichtung und Werkstück vermieden.
-
Insbesondere wird eine Spule verwendet, die eine Windung hat, die in Längserstreckungsrichtung des zu verformenden Werkstückes ausgerichtet ist. Mit einem solchen Spulendesign kann dann vorteilhaft der Magnetfelddruckimpuls über einen Längsbereich des Werkstückes aufgebracht werden, wobei die lediglich eine Windung im Vergleich zu üblichen Schneckenwindungen vorzugsweise eine größere Energiemenge freisetzen und somit vorteilhaft eine effektvollere Umformung des Werkstückes erzielen kann.
-
Erfindungsgemäß wird die Form der wenigstens einen Spule vor Schritt b) verändert. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Spuleneinrichtung verformt wird. So ist es möglich, vorteilhaft verschiedene Verformungsdesigns des Werkstückes zu erzielen, beispielsweise eine L-förmige, eine J-förmige, eine U-förmige und/oder eine Z-förmige Verformung je nach Spulendesign. Eine Verformung ist dabei vorzugsweise in Breitenerstreckung und/oder in Längserstreckung des Werkstücks möglich.
-
Die Spuleneinrichtung kann dabei vorteilhaft durch verschiedene Aktoren verformt werden. Zum Beispiel werden Stempel eingesetzt. Alternativ ist es auch möglich, die Spuleneinrichtung mit einem elektrorheologischen oder magnetorheologischen Fluid zu umgeben oder zumindest in einem die Spule umgebenden Harz Kanäle mit solchen Fluiden vorzusehen, um durch elektrischen oder magnetischen Einfluss die Viskosität des Fluides zu verändern und durch diese Veränderung vorteilhaft die Spule umzuformen. Eine weitere denkbare Alternative ist die Verwendung eines Sandbettes oder das Einbetten der Spuleneinrichtung in eine Gummimatte, die dann ihrerseits beispielsweise durch Stempel verformt wird.
-
In bevorzugter Ausgestaltung wird Schritt b) mehrfach hintereinander durchgeführt. Somit kann an einem ersten begrenzten Bereich der Umformfläche schrittweise durch sich wiederholende Beaufschlagung mit einem Magnetfelddruckimpuls vorteilhaft eine starke Umformung des Werkstückes erzielt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Spuleneinrichtung verformt werden kann und nach jedem Magnetfelddruckimpuls an die erzielte Form des Werkstückes angepasst werden kann, um so vorzugsweise in Kontakt mit der Umformfläche des Werkstückes gebracht werden zu können.
-
Vorteilhaft wird eine Spuleneinrichtung mit mehreren Spulen bereitgestellt, die besonders bevorzugt unterschiedliche Geometrien aufweisen. Vorzugsweise werden die mehreren Spulen dabei nebeneinander in Längserstreckungsrichtung des Werkstücks angeordnet. So ist es vorteilhaft möglich, eine Verformung über eine größere Länge als mit nur einer Spule zu erreichen, wobei insbesondere bei Vorsehen von Spulen mit unterschiedlichen Geometrien vorzugsweise auch unterschiedliche Verformungsgeometrien des Werkstückes erzielt werden können.
-
Alternativ ist es auch möglich, die Geometrien der nebeneinander angeordneten Spulen so auszubilden, dass sie sich vorteilhaft exakt der Werkstückoberfläche anpassen, wenn das Werkstück oder alternativ die Spulen in Längserstreckungsrichtung verschoben werden. Das heißt, ist bereits eine Verformung durch eine erste Spule erzielt worden, und das Werkstück bzw. die Spulen werden in Längserstreckungsrichtung weitergeschoben, kann die nächste darauffolgende Spule in ihrer Geometrie vorzugsweise genau auf die bereits erzielte Umformung des Werkstückes angepasst sein und vorteilhaft mit einem weiteren Magnetfelddruckimpuls eine tiefere Umformung im gleichen Bereich erzielen.
-
Vorteilhaft wird auf einer der Spuleneinrichtung gegenüberliegenden Seite des Werkstückes ein Formkörper zum Formen des Werkstückes bereitgestellt. Formkörper können vorzugsweise das Umformen des Werkstückes unterstützen, indem sie eine gewünschte Form bereits vorgeben.
-
Bevorzugt wird ein Werkstück mit einer Länge von 1 m bis 20 m, insbesondere mit einer Länge von 8 m bis 10 m, bereitgestellt. Solche Werkstücke können beispielsweise als sogenannte Stringer im Flugzeugbau eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden Werkstücke bereitgestellt, die eine Dicke von 1 mm bis 5 mm aufweisen.
-
Es ist bevorzugt, das Kaltumformverfahren bei Werkstücken anzuwenden, bei denen bislang keine geeignete Möglichkeit zum Kaltumformen bekannt ist, insbesondere Werkstücke, die zur Verwendung im Flugzeugbau gedacht sind und daher eine längliche Form aufweisen. Als Beispiele können Legierungs-Werkstücke, Mg-Werkstücke und/oder Ti-Werkstücke genannt werden.
-
Eine Umformvorrichtung zum Kaltumformen von länglichen Werkstücken weist eine Spuleneinrichtung mit wenigstens einer Spule zum Erzeugen eines Magnetfelddruckimpulses und eine Positioniereinrichtung zum Positionieren des länglichen Werkstückes relativ zu der Spuleneinrichtung auf. Dabei ist die Positioniereinrichtung derart ausgebildet, dass sie die Spuleneinrichtung mit dem Werkstück in Kontakt bringen kann und die Relativposition des Werkstückes und der Spuleneinrichtung zueinander in Längserstreckungsrichtung des Werkstückes verändern kann.
-
Bevorzugt weist die wenigstens eine Spule eine Windung, insbesondere eine in Längserstreckungsrichtung des Werkstückes ausgerichtete Windung, auf.
-
Vorteilhaft ist eine Verformungseinrichtung zum Verformen der Spuleneinrichtung vorgesehen.
-
Diese Verformungseinrichtung kann aus verschiedenen Aktoren gebildet sein. Wie bereits erläutert, können z. B. elektro- und/oder magnetorheologische Fluide vorgesehen sein, die beispielsweise in Kanälen in einem die Spule umgebenden Harz angeordnet sind. Diese Fluide können jedoch auch alternativ außerhalb angeordnet sein und beispielsweise durch Veränderung ihrer Viskosität auf eine Matte aus flexiblem oder elastomerem Material, z. B. Gummimatte, drücken, in die die Spule eingebettet ist. Diese Funktion können beispielsweise auch Stempel übernehmen oder ein Sandbett, das die Spule und/oder eine entsprechende flexible Matte, z. B. Gummimatte, umgibt. Es können alle genannten Aktoren einzeln oder in Kombination vorliegen und es können auch andere Aktoren verwendet werden.
-
Dabei ist die Anordnung eines Sandbettes besonders bevorzugt, da das Sandbett wegen seiner Massenträgheit seine formgebende Form vorteilhaft auch während des Magnetfelddruckimpulses beibehält.
-
Vorzugsweise weist die Spuleneinrichtung mehrere Spulen auf, insbesondere Spulen mit unterschiedlichen Geometrien, die nebeneinander angeordnet sind.
-
Vorteilhaft ist ein Formkörper zum Formen des Werkstückes auf einer Seite gegenüberliegend der Spuleneinrichtung angeordnet.
-
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die die Positioniereinrichtung und/oder die Spuleneinrichtung und/oder die Verformungseinrichtung ansteuern kann. So ist es möglich, das Werkstück vorzugsweise automatisch in Position zu bringen, d. h. zum einen entlang seiner Längserstreckungsrichtung zu verschieben und zum anderen in direkten Kontakt mit der Spuleneinrichtung zu bringen und danach durch Ansteuerung der Spuleneinrichtung direkt den Magnetfelddruckimpuls auszuüben, sobald das Werkstück seine gewünschte Position erreicht hat. Steuert die Steuerungseinrichtung weiter vorteilhaft auch die Verformungseinrichtung an, so dass vorzugsweise vor Positionieren des Werkstückes die gewünschte Geometrie der Spuleneinrichtung erzielt wird, kann das oben beschriebene Kaltumformverfahren vorteilhaft voll automatisch durchgeführt werden.
-
Vorteilhaft wird die beschriebene Umformvorrichtung zum Kaltumformen von Werkstücken aus Legierungen, insbesondere AlMgSc, und/oder aus Mg und/oder aus Ti verwendet.
-
Weiter bevorzugt wird die Umformvorrichtung verwendet, um Werkstücke mit einer Länge von 1 m bis 20 m, insbesondere 8 m bis 10 m und/oder einer Dicke von 1 mm bis 5 mm umzuformen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 eine Umformvorrichtung zum Kaltumformen von länglichen Werkstücken mit einer Spuleneinrichtung, wobei auch ein Ablauf eines Umformverfahrens angedeutet ist;
-
2 eine verformbare Spule in einer ersten Ausführungsform;
-
3 eine verformbare Spule in einer zweiten Ausführungsform;
-
4 eine verformbare Spule in einer dritten Ausführungsform;
-
5 eine verformbare Spule in einer vierten Ausführungsform;
-
6 eine L-förmige Verformung eines Werkstücks;
-
7 eine J-förmige Verformung eines Werkstücks;
-
8 eine U-förmige Verformung eines Werkstücks; und
-
9 eine Z-förmige Verformung eines Werkstücks.
-
1 zeigt eine Umformvorrichtung 10, auf der längliche Werkstücke 12 umgeformt werden. Die Umformvorrichtung 10 weist eine Spuleneinrichtung 14 mit mehreren Spulen 16 und eine Positioniereinrichtung 18 zum Positionieren der länglichen Werkstücke 12 auf.
-
Die Positioniereinrichtung 18 kann die länglichen Werkstücke 12 entlang ihrer durch den Pfeil angedeuteten Längserstreckungsrichtung A verschieben und außerdem ihre Position so verändern, dass eine Umformfläche 20 der Werkstücke 12 in direkten Kontakt mit der Spuleneinrichtung 14, insbesondere mit allen darin angeordneten Spulen 16, kommt. In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist auch denkbar, dass die Positioniereinrichtung 18 die Spuleneinrichtung 14 in Längserstreckungsrichtung A verschieben kann.
-
In der Spuleneinrichtung 14 sind mehrere Spulen 16 in Längserstreckungsrichtung A des Werkstückes 12 nebeneinander angeordnet. Gegenüberliegend befindet sich ein Formkörper 22, mit dessen Hilfe bei Ausüben eines Magnetfelddruckimpulses von der Spuleneinrichtung 14 das Werkstück 12 in der vorliegenden Ausführungsform zu einer L-Form 24a verformt werden kann.
-
Um diese L-Form 24a zu erzeugen, weisen die Spulen 16 jeweils nur eine Windung 26 auf, die in Längserstreckungsrichtung A des Werkstückes 12 ausgerichtet ist.
-
Wird nun das längliche Werkstück 12 in dem Bereich 28 zwischen Formkörper 22 und Spuleneinrichtung 14 positioniert, in direkten Kontakt mit den Spulen 16 gebracht und danach ein Magnetfelddruckimpuls ausgeübt, verformt sich das Werkstück 12 zu der L-Form 24a, und zwar über die gesamte Länge des Werkstücks 12, an der die Spulen 16 angeordnet sind.
-
In 1 ist ein Ablauf des Umformverfahrens gezeigt, wobei das Werkstück 12 nach einem ersten Umformschritt entlang des Pfeiles B verschoben wird und dann weiter verformt wird.
-
Alternativ ist es auch möglich, lediglich eine Spule 16 vorzusehen und das Werkstück 12 sukzessive nach jedem ausgeübten Magnetfelddruckimpuls in Längserstreckungsrichtung A an der Spule 16 vorbeizuführen, um so über die gesamte Länge des Werkstückes 12 die L-Form 24a zu erreichen.
-
Die hintereinander angeordneten Spulen 16 können unterschiedliche Geometrien aufweisen, um so auch an unterschiedlichen Umformoberflächenbereichen 30 unterschiedliche Verformungen zu erzielen.
-
Die Geometrie der Spulen 16 in 1 ist veränderbar, indem an der jeweiligen Spule 16 Aktoren 32 als Verformungseinrichtung 34 vorgesehen sind, die die Geometrie der Spulen 16 verändern können. Verschiedene Ausführungsformen der Verformungseinrichtungen 34 sind in 2 bis 4 gezeigt und werden später erläutert.
-
Die Umformvorrichtung 10 weist weiter eine Steuereinrichtung 36 auf, die die Positioniereinrichtung 18 sowie die Spuleneinrichtung 14 ansteuert. Weiter steuert die Steuereinrichtung 36 auch die Aktoren 32 an.
-
2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Verformungseinrichtung 34, wobei eine Spule 16 in einem Harz 38 eingebettet ist und sich in diesem Harz 38 Kanäle 40 befinden, die mit einem elektrorheologischen oder einem magnetorheologischen Fluid 42 gefüllt sind. Wird nun ein elektrisches oder magnetisches Feld auf die in 2 gezeigte Verformungseinrichtung 34 ausgeübt, verändert sich die Viskosität des in den Kanälen 40 befindlichen Fluides 42 und die Spule 16 kann so verformt werden.
-
Eine zweite Ausführungsform einer Verformungseinrichtung 34 ist in 3 gezeigt. Hierbei ist die Spule 16 vollständig in einem elektro- und/oder magnetorheologischen Fluid 42 eingebettet, so dass durch Beeinflussung des Fluides 42 bzw. dessen Viskositätsänderung auch die Form der Spule 16 verändert werden kann.
-
Alternativ ist es auch möglich, statt des Fluides 42 ein Sandbett 44 zu verwenden, das ebenfalls dazu geeignet ist, die Geometrie der Spule 16 zu verändern, jedoch den Vorteil hat, dass es auch bei Ausüben des Magnetfelddruckimpulses weitgehend seine Form beibehält.
-
4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Verformungseinrichtung 34. Hierbei ist die Spule 16 in einer Gummimatte 46 angeordnet, wobei Spule 16 und Gummimatte 46 gemeinsam durch Stempel 48 verformt werden können.
-
5 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Verformungseinrichtung 34, wobei die Spule 16 wieder in einer Gummimatte 46 angeordnet ist, die Verformung jedoch nicht durch Beaufschlagung mit Stempeln 48 erfolgt, sondern durch Vorsehen entweder eines elektro- und/oder magnetorheologischen Fluides 42 oder eines Sandbettes 44 um die Gummimatte 46 herum.
-
Mit der beschriebenen Umformvorrichtung 10 ist nun Folgendes möglich:
Ein Werkstück 12, beispielsweise ein AlMgSc-Werkstück 50 oder ein Mg-Werkstück 52 oder alternativ ein Ti-Werkstück 54 wird durch die Positioniereinrichtung 18 in Kontakt mit der Spuleneinrichtung 14 gebracht. Es wird ein erster Magnetfelddruckimpuls ausgeübt, wodurch sich das Werkstück 12 verformt. Dann verschiebt die Positioniereinrichtung 18 das Werkstück derart in Längserstreckungsrichtung A, durch den Pfeil B angedeutet, dass die jeweils nachfolgende Spule 16 in Kontakt mit dem Umformoberflächenbereich 30 kommt, der von der vorhergehenden Spule 16 bereits umgeformt worden ist. Die beiden in Längserstreckungsrichtung A aufeinanderfolgenden Spulen 16 weisen dabei unterschiedliche Geometrien auf, so dass sie vollständig in Kontakt mit dem jeweiligen Umformoberflächenbereich 30 gelangen können. Es wird ein weiterer Magnetfelddruckimpuls ausgeübt und diese Schritte so lange wiederholt, bis das Werkstück 12 über seine gesamte Länge in der gewünschten Stärke umgeformt ist.
-
Alternativ ist es auch möglich, nur eine Spule 16 vorzusehen, die an einem Umformoberflächenbereich 30 mehrfach hintereinander Magnetfelddruckimpulse erzeugt und zwischen diesen einzelnen Magnetfelddruckimpulsen immer wieder von der Verformungseinrichtung 34 verformt wird, so dass sie exakt mit der bereits umgeformten Umformfläche 20 des Werkstückes 12 zusammenpasst und in Kontakt geraten kann.
-
Weiter ist es auch möglich, Spulen 16 vorzusehen, die derart unterschiedliche Geometrien aufweisen, dass unterschiedliche Verformungsgeometrien des Werkstückes 12 an unterschiedlichen Umformoberflächenbereichen 30 erzielt werden können.
-
6 bis 9 zeigen verschiedene Geometrien des Werkstücks 12 nach Umformung je nach Geometrie der Spulen 16. 6 zeigt dabei eine erzeugte L-Form 24a, 7 eine erzeugte J-Form 24b, 9 eine erzeugte U-Form 24c und 9 eine erzeugte Z-Form 24d. Es ist möglich, sowohl Verformungen in Breitenerstreckung als auch in Längserstreckung des Werkstücks als auch beides gleichzeitig zu erzielen.
-
Es können Werkstücke 12 umgeformt werden, die eine Längenerstreckung von 1 m bis 20 m, insbesondere von 8 m bis 10 m, aufweisen.
-
Die existierenden Verformungsverfahren für Mg, Ti und Legierungen wie beispielsweise Aluminium-Legierungen, z. B. AlMgSc, zeigen deutliche Nachteile wie Verformungsbegrenzungen oder Verfahrenszeiten bzw. verschlechterte Materialeigenschaften nach der Verformung. Daher ist es gewünscht, Materialeigenschaften nach der Verformung zu erreichen, die vorzugsweise identisch sind zu denen des Basismaterials.
-
Alternative und bekannte Verformungsverfahren für die oben genannten Materialien sind hauptsächlich Extrusionsverfahren oder Kalt- oder Warmrollumformverfahren. Dieses Verfahren benötigt jedoch individuell ausgestaltete und daher relativ teure Werkzeuge. Weiter resultiert das Extrudierverfahren in einer signifikanten Verschlechterung der Materialeigenschaften. Dieser Effekt kann durch Nachbearbeitungsschritte wieder aufgehoben werden. Die Verwendung von innovativen leichtgewichtigen Legierungen mit hoher Beanspruchbarkeit zeigt ein metallurgisch unterschiedliches Verhalten, verglichen mit konventionellen Legierungssystemen, und ist verbunden mit der Möglichkeit, neue Verformungstechnologien wie das Magnetimpulsverfahren anzuwenden. Dieses Verfahren kann die oben genannten Probleme bezüglich des Verformungsaspektes überwinden, um bei neuen Materialanwendungen verwendet werden zu können.
-
Das Verfahren kann bei hochbeanspruchten Materialien für die Luftfahrt angewendet werden und reduziert vorteilhaft die Menge des benötigten Materials, das zum Verformen des Metalles benötigt wird. Daher können Teile, bei denen normalerweise mehrere Schritte nötig waren, um sie zu verformen, mit einem einzigen Werkzeugsatz bearbeitet werden, was eine signifikante Kostenersparnis zur Folge hat.
-
Das Umformen mit Magnetimpulsen hat eine ultrakurze Prozesszeit in Form einer Schockwelle, weshalb vorzugsweise keine Materialerkennung erfolgt. Das Verfahren ist außerdem hinsichtlich der zu erreichenden Geometrien hochflexibel. Es werden nur etwa die Hälfte der Werkzeuge benötigt, da vorzugsweise nur eine Seite des zu verformenden Werkstückes 12 durch einen Formkörper 22 bedeckt werden muss. Große Blechmetallkomponenten können normalerweise durch dieses Verfahren nicht verformt werden, da es aufgrund der Designs sehr großer Spulen Strombegrenzungen gibt. Dieser Nachteil des Verfahrens kann dadurch überwunden werden, dass mehrfache Schockwellen für lineare oder größere Bereiche verwendet werden. Die Verwendung des Magnetimpulsverfahrens als ein einzelnes Verfahren benötigt vorteilhaft keine Nachbearbeitung der Werkstücke 12. Es werden individuelle Spulendesigns für jede Geometrie bereitgestellt. Dabei wird ein flexibles Spulenkonzept vorgeschlagen, womit unterschiedliche Geometrien mit einem Spulendesign erreicht werden können.
-
Es ist demnach gewünscht, Materialeigenschaften nach dem Verformen zu erzielen, die vorzugsweise identisch sind zu denen des Basismaterials. Effekte wie Plastifizierung oder Kaltbeanspruchung werden vermieden, um so bezüglich Ermüdungserscheinungen das Material nicht zu verschlechtern. Elektromagnetisches Verformen ist ein Hochgeschwindigkeitskaltverformungsprozess. Zukünftige Bauteile können durch gepulste Magnetfelder mit hoher Intensität geformt und umgeformt werden, wobei ein Strom und ein entsprechendes repulsives Magnetfeld in dem Bauteil induziert wird, wobei sehr schnell Teile des Werkstückes 12 abgestoßen werden.
-
Durch elektromagnetisches Verformen werden folgende Vorteile im Vergleich zu konventionellen mechanischen Verformungstechniken erzielt:
- 1. verbesserte Verformbarkeit (die Menge der Verformung, ohne dass das Werkstück 12 dabei reißt);
- 2. Faltenbildung kann sehr stark unterdrückt werden;
- 3. die Verformung kann mit Fügeverfahren und Aufbauverfahren mit nicht ähnlichen Bauteilen, wie beispielsweise Plastikbauteilen, Verbundwerkstoffen, plattiertem oder beschichtetem Metall, kombiniert werden;
- 4. es können enge Toleranzbereiche eingehalten werden, da Rückverformungen signifikant reduziert werden können;
- 5. einseitige Formkörper 22 reichen aus, wodurch Werkzeugkosten eingespart werden können;
- 6. Schmierstoffe sind nicht nötig;
- 7. ein beanspruchender mechanischer Kontakt mit dem Werkstück 12 ist nicht nötig, wodurch Oberflächenverunreinigungen und Abdrücke durch das Formwerkzeug vermieden werden können. Daher kann ein Oberflächenfinish direkt auf das Werkstück 12 vor dem Verformen aufgetragen werden;
- 8. die Prozessenergie und Kosten generell bei Kaltumformtechnologien sind effizient und damit niedrig.
-
Derzeit werden L-Stringer von etwa 12 m Länge durch Walzen oder Warmpressen, wie beispielsweise dem Strangpressen, gefertigt. Oft reißt das Material dabei. Stringer werden daher nun durch Magnetimpulsumformen geformt. Für Stringer mit etwa 1 m Länge wird eine Spule 16 mit einer Windung 26 verwendet, wobei die Umformung entlang einer Linie stattfindet. Bei Stringern mit etwa 12 m Länge ist die Kapazität für den Kondensator hoch. Daher wird folgende Anordnung von Spulen 16 verwendet:
Die Spule 16 ist ein Kupferleiter im Harz 38 als Gegenkraft zum Magnetimpuls.
-
Es wird eine Kette von Spulen 16 verwendet, wobei eine Kombination von Ansteuerung der Spulen 16 und Fortbewegung des zu formenden Werkstückes 12, beispielsweise eines Blechs aus z. B. AlMgSc, über eine Kette von Spulen 16 realisiert wird. Beispielsweise werden drei Spulen 16 mit je einer Windung 26 und 1 m Länge in Längsrichtung der Spulen 16 bereitgestellt, wobei ein Stringer mit einer Länge von 12 m verwendet wird und die Umformung quer zur Längsrichtung der Spulen 16 erfolgt.
-
Weiter können die Spulen 16 vor der Formgebung des Werkstückes 12 verformt werden. Beispielsweise befindet sich als Spule 16 ein Draht im Harzblock und es sind Kanäle 40 mit einem aktiven Gel vorgesehen, wobei die Spule 16 die benötigte Form durch das aktive Gel erhält, um dem Stringer beispielsweise eine L-Form 24a zu geben. Alternativ kann die Spule 16 auch in einer Gummimatte 46 enthalten sein, wobei Stempel 48 die Geometrie der Gummimatte 46 und somit der Spule 16 verändern. Anstatt der Stempel 48 kann auch Sand, beispielsweise ein sogenannter Bremssand oder eine Mischung aus Rollsand und Bremssand, verwendet werden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform befindet sich die Spule 16 in einer Emulsion. Nach Verformung der Spule 16 und beim Magnetimpuls ist die Spule 16 starr.
-
Durch das beschriebene Verfahren kann eine Kombination von besseren Eigenschaften des Materials, geringeren Verfahrenskosten und kürzeren Prozesszeiten erreicht werden.
-
Insbesondere AlMgSc-Stringer können derzeit nur schwer verformt werden, da sie nur schwer extrudierbar sind und beim Kaltverformen schlechte Materialeigenschaften resultieren. Daher ist das Ziel, qualitativ hochwertige AlMgSc-L-förmige Stringer herzustellen, um damit beispielsweise für einen Luftfahrzeugrumpf eine schweißbare Designtechnologie zu schaffen. Dabei ist es von Interesse, dass sich die Kosten auf einer annehmbaren Höhe befinden. Dabei wird eine individuelle Kondensatorspule bereitgestellt und in einem Sequenzverfahren eine Herstellung von Teilen mit mehreren Metern Länge ermöglicht.
-
Vergleichbare alternative Herstellungsverfahren, die vergleichbare Produkte erzielen, sind das Heißextrudieren. Aufgrund der Legierungsspezifikation und der schlechten Verformbarkeit ist der Extrusionsprozess jedoch sehr langsam und daher sehr teuer.
-
Daher werden mit neuen Verformungstechnologien wie dem Magnetimpulsverfahren die Probleme bei der Verformbarkeit überwunden und neue Materialentwicklungen ermöglicht, wodurch innovative leichtgewichtige Legierungen mit hoher Beanspruchbarkeit verwendet werden können, die ein metallurgisch unterschiedliches Verhalten verglichen mit konventionellen Legierungssystemen zeigen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Umformvorrichtung
- 12
- Werkstück
- 14
- Spuleneinrichtung
- 16
- Spule
- 18
- Positioniereinrichtung
- 20
- Umformfläche
- 22
- Formkörper
- 24a
- L-Form
- 24b
- J-Form
- 24c
- U-Form
- 24d
- Z-Form
- 26
- Windung
- 28
- Bereich
- 30
- Umformoberflächenbereich
- 32
- Aktor
- 34
- Verformungseinrichtung
- 36
- Steuereinrichtung
- 38
- Harz
- 40
- Kanal
- 42
- Fluid
- 44
- Sandbett
- 46
- Gummimatte
- 48
- Stempel
- 50
- AlMgSc-Werkstück
- 52
- Mg-Werkstück
- 54
- Ti-Werkstück
- A
- Längserstreckungsrichtung
- B
- Pfeil
